17- Le quartz et ses oscillateurs 

Un cristal de quartz convenablement taillé et placé entre deux électrodes constitue un résonateur à fort Q et de grande stabilité.

Le « quartz » est un dipôle dont le schéma équivalent est FIG170

Pour ce qui suit, n'hésitez pas à relire le chapitre 2 sur le circuit LC....

Le quartz est généralement monté sur un oscillateur. Si le quartz voit une impédance très faible, il oscillera sur sa fréquence série Fs.

Mais s'il voit une impédance grande et notamment une capacité Cc , il oscillera sur « la capacité de charge Cc » qu’il faut spécifier . Cette fréquence de résonance parallèle va dépendre des capacités en parallèle, celle de l'armature interne Cp ,  plus la capacité extérieure rajoutée. 

DONC pour définir la fréquence d'un quartz, il faudra  spécifier si

• - on parle de Fs , auquel cas il n’y a pas d’autres spécification à donner,
• -ou bien on parle de sa fréquence de résonance parallèle . Auquel cas il faudra donner la capacité sur laquelle le quartz est mis en parallèle, la capacité qu’il « voit » . 

Bien sur, il faudra spécifier aussi d'autres paramètres du quartz : précision de calage , dérive en température maximale dans une plage donnée de température, type de boîtier...

Mesure de Fs , de rs et de Fp

Relions par un câble 50 ohms le générateur tracking à l’analyseur de spectre, et centrons nous sur la fréquence estimée du quartz. Programmons une RBW étroite, par exemple 1KHz ou 300 Hz, et adaptons la vitesse de balayage à cette résolution étroite. Normamalement, si le tracking est bien calé sur l’analyseur , on observe un trait horizontal sur l’écran.

Après avoir ouvert le câble, plaçons le quartz en parallèle sur le câble, connecté donc entre âme et masse. On observe sur une fréquence bien précise un creux, ou « dip ». On peut rétrécir la fenêtre de balayage pour mieux l’observer. Ce creux est de quelques KHz au maximum, et sa profondeur de quelques dB :

. Sur cette fréquence, qui est celle de la résonnance série Fs , le quartz court-circuite le signal et provoque une atténuation de A dB . Le creux nous indique la valeur de la résistance série rs :

pour A = 6dB     rs = 25 ohms

         10 dB       rs= 11,5 ohms

         16 dB        rs = 4,7 ohms

En général, la rs d’un quartz ne devrait pas dépasser une trentaine d’ohms … 

Mesure de la fréquence de résonnance parallèle pour une capacité de charge donnée au fabriquant.

La méthode est très simple, on opère comme précédemment , mais en plaçant la capacité de charge désignée en série avec le quartz…

Remarque sur le schéma équivalent du quartz :

Le coefficient de surtension Qo du  circuit série LC est de l’ordre de plusieurs milliers.

Pour un quartz d'une dizaine de MHz, par exemple, on aura comme ordre de grandeur des valeurs du schéma équivalent :

L= 30 milli Henrys

Cs= 0,01pF 

rs = 20 ohms 

Cp = 3pF

A 10 MHz, une inductance de 30 milliHenrys , c'est une inductance énorme.... Fort heureusement, elle est fictive, il n’y a dans le boitier du quartz aucune inductance. Notre schéma est un modèle équivalent au quartz… 

Malgré ces valeurs étranges, ce sera bien cela qu'il faudra mettre dans le modèle du quartz, en n'oubliant pas la résistance série, et la capacité Cp de l'ordre de 2 à 4pF en parallèle sur l'ensemble. ...

Les fabricants ne donnent pas toujours le modèle du quartz...On pourra  le déterminer e, mesurant Rs ( voir plus loin), et en mesurant Cp à une fréquence très éloignée de la résonance. Quant à Cs, il est calculable  si on connait Cp et  le décalage entre la résonance série et la résonance parallèle...

carré de (Fp/Fs) =   1 + Cs/Cp

Exemple de modèle d'un quartz :

F =   6,4 MHz   

en mode fondamental . 

En général on demande des fréquences très précises, et il faudra que le produit LC soit défini avec la précision du ppm....

Ce modèle peut être utilisé par exemple pour simuler les quartz d'un filtre à quartz. Mais il faudra que votre simulateur accepte la précision suffisante....Pour la formule de Thomson, il faudra prendre pi = 3,1415926 

Résonnance du quartz en « overtone »

Les quartz peuvent résonner sur une fréquence très proche d’un multiple impair de leur fréquence fondamentale. Par exemple, un quartz de fondamentale Fs = 10 MHz pourra résonner aux alentours de 30,030 MHz.

Les fabricants savent favoriser cette oscillation sur un « overtone » donné.

C’est d’ailleurs de cette façon qu’on arrive à construire des oscillateurs à quartz sur des fréquences de quelques centaines de MHz.

En général, les fabricants fournissent au meilleur coût des quartz en mode fondamental jusqu’à une trentaine de MHz. Mais ils savent fournir des quartz en mode fondamental jusqu’ à une cinquantaine de MHz, à des coûts croissants.

Pour réaliser un oscillateur au-delà de 30 MHz, au meilleur coût, il sera préférable de demander un quartz « overtone 3 » jusqu’à 80 MHz, « overtone 5 » jusqu’à 140 MHz etc….

On sait faire fonctionner des oscillateurs en overtone 7, voire 9 ou plus, mais ils deviennent plus délicats à mettre au point.

Stabilité des quartz en fonction de la température.

La fréquence d’un oscillateur LC varie avec la température, notamment à cause de la dilatation des composants. A l’aide d’un quartz, on sait faire des stabilités beaucoup plus grandes. Sur les fréquences assez élevée fréquences qui nous intéressent ici, la taille dite « AT » permet des stabilités de l’ordre de quelques ppm en fonction des variations normales de la température.

La FIG175 donne la dérive en fonction de la température suivant deux angles de taille très précis du quartz. 

Pour obtenir des stabilités d'oscillateurs encore plus grandes, ( 0,5 à 3 ppm) on utilise les TCXO, oscillateurs à quartz dont la fréquence est corrigée par des éléments variables en température ;

Il devient difficile d’obtenir des stabilités meilleures que 0,5 ppm , car les quartz subissent une variation de fréquence due au vieillissement les premières années de fonctionnement.

Pour des stabilités meilleures que 0,5 ppm, on utilisera des quartz dans enceinte thermostatée ( OCXO) . Mais il faudra surveiller le vieillissement et éventuellement recaler l'oscillateur chaque année si on veut des stabilités meilleures que 0,1 ppm.

Pour des stabilités encore meilleures, le quartz sera remplacé par une source GPS. 

Les oscillateurs pilotés par quartz...

Les quartz sont essentiellement utilisés pour réaliser des oscillateurs. Pour  cela on les inclus dans la boucle  de réaction positive d'un amplificateur à transistor. Si les polarisations de cet étage amplificateur sont stables, la stabilité de l'oscillateur sera celle du quartz utilisé. 

On prélèvera l'énergie d'oscillation de façon à perturber le moins possible l'oscillateur.  Pour observer s'il y a bien oscillation, il faudra coupler très peu l'appareil de mesure au circuit , de façon à ne pas faire décrocher l'oscillation. Il n'est pas question de se brancher directement sur le circuit LC:  On a vu des oscillateurs ne plus osciller dès qu'on voulait  observer l'oscillation, et on en a vu même osciller seulement lorsqu'on branchait l'appareil de mesure.... La meilleure méthode consiste à observer le signal derrière un amplificateur "tampon" .

On vérifiera à l'analyseur de spectre que le quartz oscille bien sur la fréquence désirée, qui est la raie spectrale la plus basse observée. Par exemple, si un quartz oscille sur une fréquence overtone, on ne doit rien observer sur les fréquences plus basses que cet overtone ....    

Récupérer le signal issu d'un oscillateur.

Il n'est pas question d'adapter la charge à l'oscillateur, car cela le ferait "décrocher"; en effet, si on cherche à adapter la charge, on va nécessairement réduire le gain en boucle ouverte, jusqu'à la limite de l'entretien de l'oscillation....L'oscillateur aura peu de marge de gain, le signal sera proche d'une sinusoïde , ce qui est mauvais signe ! .... On devra donc charger un oscillateur par une impédance nettement plus grande que celle du point où on récupère le signal. 

Temps de démarrage d'un oscillateur quartz.

Comme tout oscillateur LC, l'oscillation d'un oscillateur à quartz ne s'établit pas immédiatement .  Ce temps dépend de la période et du Q du circuit.  Il peut être assez grand avec les quartz,  qui ont des Q de plusieurs milliers. On considère que le niveau sera très bien  établi ou bout de  Q périodes.  

Il faut penser à ce problème lors de la conception des systèmes numériques, si on veut avoir des modes stand by  oscillateur coupé......

Quelques oscillateurs à quartz

L'oscillateur "Pierce"

C'est l'oscillateur le plus simple réalisable avec un quartz. Par rapport à un oscillateur Pierce LC, le quartz remplace l'inductance....Il est beaucoup utilisé dans les schémas de circuits numériques. On notera qu'il ne nécessite pas d'inductance, car c'est sur la fondamentale que le gain de boucle est maximum.

Il nécessite un amplificateur RF inverseur, qui peut être un transistor en émetteur commun, ou une porte inverseuse MOS "linéarisée", c'est à dire avec une résistance entre entrée et sortie qui la transforme en amplificateur.   On dispose le quartz entre entrée et sortie, et on place en parallèle sur l'entrée et en parallèle sur la sortie des capacités d'adaptation. Ce type d'oscillateur fonctionne sur une résonance parallèle du quartz, les condensateurs  d'adaptation en entrée et en sortie donnent la "capacité de charge" du quartz. 

Avec une porte Cmos, c'est surtout la capacité C1 en entrée de la porte, peu amortie car l'impédance d'entrée est grande,  qui définit cette capacité de charge, et qui permet d'ajuster finement la fréquence....

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Maintenant, un  exemple d'oscillateur  overtone,avec un JFET: l'oscillateur "Colpitts"

Tous les oscillateurs overtone nécessitent un circuit LC afin de "choisir" la fréquence overtone désirée...

Le circuit LC  est constitué ici de L1  d'une part,  et de C3 en série avec C4 d'autre part.  Ce circuit LC sera accordé sur la fréquence  choisie, en général l' overtone 3 ou 5 du quartz. 

 L'amplificateur étant  en "gate à la masse", son entrée est sur la source . 

Si nous mettons R1 = 270 ohms, le JFET sera polarisé  de façon à avoir un courant de 5 mA et une pente de 8mA /V.

La résistance d'entrée sur la source du JFET sera l'inverse de la pente, donc 125 ohms. 

Mais la résistance de 270 ohms  est en parallèle sur l'entrée, la résistance d'entrée de cet ampli en gate commune sera donc de  85 ohms.  

Le quartz réinjecte  sur cette entrée la RF  présente sur le circuit LC . Comme il sera  connecté entre deux impédances faibles, de l'ordre de la centaine d'ohms, il oscillera près de sa résonance série.

Le pont diviseur capacitif doit présenter sur le quartz une résistance du même ordre de grandeur que 85 ohms.  Le pont diviseur capacitif  doit donc transformer en une centaine d'ohms la  résistance qui se trouve sur le drain, au point chaud du circuit .  

  Cette résistance au point chaud dépend de l'impédance de sortie du JFET, et aussi de l'amortissement du circuit. Si nous faisons  C4 = 3 fois C3, nous aurons  C4 = 4 fois la capacité d'accord totale, donc un rapport de transformation d'impédance de 16.  La résistance au point chaud sera donc de l'ordre de  100 x16 = 1600  ohms. 

Revoyez si nécessaire le chapitre 4 "les adaptations  par circuit LC", adaptation par pont capacitif....

Si on récupère pour l'utiliser le signal d'oscillation sur le drain, il faudra donc une charge assez grande, de plusieurs milliers d'ohms, afin de ne pas amortir le circuit LC.  Le Q du circuit  sera donné par la résistance au point chaud divisée par l'impédance de la self ZL à la fréquence d'oscillation. 

On choisit en général une centaine d'ohms pour ZL. ( donc Q entre 10 et 20)  . 

Par exemple, à 50 MHz, on choisira ZL = 330 nH , ce qui demande un capa d'accord sur 50 MHz de 32 pF. 

Faisons C4 = 120 pF et  C3 = 39 pF .... C3 paraît faible ?    En fait  il s'ajoute à  C3 la capacité du routage et de sortie du JFET, donc plusieurs pF... 

Remarque : Si le FET utilisé possède une pente faible, il  peut être nécessaire d'éviter que la 270, ohms ne dissipe inutilement la RF. et on placera  une inductance de choc en série avec cette résistance, ce qui augmentera le gain de boucle. Dans ce cas, on aura une impédance d'entrée plus grande sur la source, et un rapport des capas plus faible, par exemple C4 /C3 = 2 au lieu de 3. 

Accord fin : Avec des capas fixes, il n'est pas certain que l'oscillateur donne très exactement la fréquence indiquée sur le quartz. La  fréquence exacte de résonance série du quartz peut en différer d'une dizaine de ppm ...Pour cette raison, si on veut exactement la fréquence désirée, il sera nécessaire de prévoir un réglage d'un des éléments du circuit LC , l'inductance ou la capacité. C'est évidemment C3 ( et non C4) qui jouera le plus sur cet accord.  On pourrait  aussi monter  en L1 une inductance variable avec noyau ferrite.  

Découplage d'alimentation : C6 met la self à la masse en RF, et la résistance R2 permet de filtrer l'alimentation dans les deux sens : Dans un sens, supprimer les signaux parasites présents sur l'alimentation, qui pourraient se mélanger avec le signal de l'oscillateur, et salir son spectre. Dans l'autre sens, éviter que le signal de l'oscillateur se retrouve sur l'alimentation...

On pourra récupérer le signal en un point à basse impédance, par exemple sur R1 ou sur C4. Mais pour cela, il faudra y connecter une impédance de plusieurs centaines d'ohms afin de ne pas faire décrocher l'oscillateur. 

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Un autre exemple d’oscillateur overtone. 120 MHz FIG174

C'est  un oscillateur de type "Clapp"

Le quartz oscille sur l’overtone 3 ou 5 en 120 mhz .

Pour obtenir la fréquence exacte de résonance série du quartz, on place d’abord une résistance de 20 ohms à la place du quartz, puis on régle la self ou la capacité en série pour avoir une oscillation sur 120 MHz à 1% près. Le circuit oscillant est constitué des éléments en série L1, C3, C1, C7. Par exemple, la valeur exacte de la self sera entre 270 et 330 nH. On pourra aussi placer une self fixe et C3 sera ajustable autour de 10 pF. 

 On remplace ensuite la résistance de 20 ohms par le quartz. L'oscillation sera assurée si la résistance du quartz n'est pas supérieure à 20 ohms.

Cet oscillateur présente l'avantage d'avoir une sortie à basse impédance et "relativement " séparée du circuit LC de l'oscillateur. Donc il sera possible de brancher une charge 50 ohms sur la "sortie".

Cet oscillateur permet des oscillations sur des overtone 5 ou 7 voire plus. Cependant, comme le quartz est en série dans le circuit LC, sa résistance rs amortit le circuit. Pour conserver un Q suffisant, on utilisera une self dont l'impédance ZL est d'au moins 200 ohms sur la fréquence d'oscillation.. ( puisque Q = ZL /rs) Si la résistance du quartz est rs = 40 ohms, une impédance ZL de 200 ohms donnera un Q de 8, ce qui est un minimum....

Notons la résistance R3 en parallèle sur le quartz, qui empêche le circuit d'osciller sur la capacité du quartz...En effet, ce point  pourrait être à haute impédance sur une fréquence donnée par L1 et la capacité du quartz, ce qui donnerait une oscillation non désirée considérant le quartz comme un simple condensateur. Cette résistance détruit cette résonance parasite, mais par contre joue très peu sur la  résonance du quartz, puisque le quartz est en résonance série et que ce point est déjà à basse impédance sur sa fréquence de résonance série.