Considérations de conception de circuits oscillateurs

La fréquence exacte à laquelle un oscillateur fonctionne dépend des décalages d'angle de phase de la boucle au sein du circuit de l'oscillateur. Toute modification nette de l'angle de phase entraînera un changement de la fréquence de sortie. Comme l'objectif habituel d'un oscillateur est de fournir une fréquence essentiellement indépendante des variables, il est nécessaire de mettre en œuvre des moyens pour réduire la modification nette de phase. Le meilleur moyen et certainement le plus courant pour minimiser le décalage net de phase consiste à utiliser une unité de cristal de quartz dans la boucle de rétroaction.

L'impédance du cristal de quartz change de manière si spectaculaire avec les variations de la fréquence appliquée que tous les autres composants du circuit peuvent être considérés comme ayant une réactance essentiellement continue. Par conséquent, lorsqu'une unité cristalline est utilisée dans la boucle de rétroaction d'un oscillateur, la fréquence de l'unité cristalline se régulera de manière à ce que l'unité cristalline présente une réactance répondant aux exigences de phase de la boucle. Une représentation de la réactance en fonction de la fréquence d'une unité cristalline de quartz est affichée ci-dessous.

Comme le montre la Figure B, le quartz a deux fréquences de phases nulles. La première, ou la moindre des deux, est la fréquence de résonance série, couramment abrégée Fs. La seconde ou la plus élevée des deux fréquences de phases nulles est la fréquence correspondante, ou anti-résonance, couramment abrégée Fa. Les fréquences de résonance série et correspondante apparaissent résistives dans un circuit oscillateur. Au point de résonance série, la résistance est minimale et le flux de courant est maximal. Au point parallèle, la résistance est maximale et le flux de courant est marginal. Par conséquent, la fréquence de résonance parallèle, Fa, ne doit jamais être utilisée comme fréquence principale d'un circuit oscillateur.

Une unité de quartz peut être amenée à osciller à n'importe quel point entre les fréquences de résonance série et parallèle grâce à l'inclusion de composants réactifs (généralement des condensateurs) dans la boucle de rétroaction du circuit oscillateur. Par conséquent, la fréquence résultant de l'ajout de capacitance est plus élevée que la fréquence de résonance série ; elle est généralement appelée fréquence parallèle, bien qu'elle soit inférieure à la véritable fréquence parallèle.

Tout comme il existe deux fréquences de phases nulles associées à une unité de cristal de quartz, il existe deux circuits oscillateurs principaux. Ces circuits sont généralement définis par le type d'unité de cristal à utiliser, à savoir « série » ou « parallèle ».

Circuit en série : Un circuit oscillateur résonant série utilise un cristal conçu pour fonctionner à sa fréquence de résonance série naturelle. Dans un tel circuit, il n'y aura pas de condensateurs dans la boucle de rétroaction. Les circuits oscillateurs résonants série sont principalement utilisés en raison de leur nombre minimal de composants. Ces circuits peuvent néanmoins fournir des chemins de rétroaction autres que via l'unité de cristal. Ainsi, en cas de défaillance du cristal, un tel circuit peut continuer à osciller à une certaine fréquence subjective. Une représentation d'un circuit oscillateur résonant série de base est donnée ci-dessous.

Comme il est apparent sur la figure C, un circuit oscillateur résonant série ne permet pas d'ajuster la fréquence de sortie, si une modification est nécessaire. Dans le circuit ci-dessus, la résistance R1 est utilisée pour polariser l'inverseur et le faire fonctionner dans sa région linéaire. Cette résistance fournit également une rétroaction négative à l'inverseur. Le condensateur C1 est un condensateur de connexion, utilisé pour bloquer la tension continue. La résistance R2 est employée pour polariser le cristal, il faut donc veiller à ne pas choisir une valeur trop petite. Le cristal Y1 est un cristal résonant série, spécifié pour fonctionner à la fréquence préférée avec la tolérance et la stabilité de fréquence souhaitées.

Circuit parallèle : Un circuit oscillateur résonant parallèle utilise une unité de cristal conçue pour fonctionner avec une valeur spécifiée de capacité de charge. Cela produira un résultat dans lequel une fréquence de cristal sera supérieure à la fréquence de résonance série mais inférieure à la fréquence de résonance parallèle réelle. Ces circuits n'offrent pas d'autres chemins que ceux passant par l'unité de cristal pour compléter la boucle de rétroaction. En cas de défaillance de l'unité de cristal, le circuit cessera d'osciller. Une description simple d'un circuit résonant parallèle est donnée ci-dessous.

Ce circuit utilise un seul inverseur, avec deux condensateurs dans la boucle de rétroaction. Ces condensateurs englobent la « capacitance de charge » et, avec l’unité de cristal, créent la fréquence à laquelle l’oscillateur fonctionnera. Lorsque la valeur de la capacitance de charge est modifiée, la fréquence de sortie de l’oscillateur l’est également. Ainsi, ce circuit offre un moyen approprié d’ajuster la fréquence de sortie, si un réglage est nécessaire.

Les résistances R1 et R2 remplissent les mêmes fonctions que celles détaillées pour le circuit résonant série présenté dans la Figure C. Les deux condensateurs de charge, CL1 et CL2, aident à établir la fréquence à laquelle le cristal et donc l'oscillateur fonctionneront. Le cristal Y1 est un cristal résonant parallèle, spécifié pour fonctionner avec une valeur donnée de capacité de charge, à la fréquence préférée et avec la tolérance et la stabilité de fréquence souhaitées.

Il est fait référence à une « capacitance de charge spécifiée ». La capacitance de charge peut être décrite comme « la valeur de la capacitance, mesurée ou calculée, existant dans le circuit oscillateur, à travers les points de connexion du cristal ». Dans le cas d'un circuit résonant série, il n'y a pas de capacitance existante entre les points de connexion de l'unité de cristal et, par conséquent, la capacitance de charge ne doit pas être indiquée pour une unité de cristal résonant série. Dans le cas d'un circuit oscillateur résonant parallèle, une capacitance existe. Comme une mesure directe de cette capacitance est déraisonnable, il est souvent nécessaire de calculer la valeur. Le calcul de la valeur de la capacitance de charge est réalisé avec l'équation suivante :

Où CL1 et CL2 sont les condensateurs de charge et Cs est la capacité vagabonde du circuit, généralement de 3,0 à 5,0 pF.

Niveau de pilotage : Le “niveau de pilotage” correspond à la puissance dissipée par l’unité de cristal lorsqu'elle est en fonctionnement. La puissance est fonction du courant appliqué et est généralement exprimée en milliwatts ou en microwatts. Les unités de cristal sont spécifiées avec certaines valeurs maximales de niveau de pilotage, qui varient en fonction de la fréquence et du mode de fonctionnement. Il est conseillé de consulter le fournisseur de l’unité de cristal pour déterminer la valeur maximale de niveau de pilotage autorisée pour une unité spécifique. Dépasser le niveau de pilotage maximal pour une unité donnée peut entraîner une opération instable, une augmentation des taux de vieillissement et, dans certains cas, une destruction catastrophique. Le niveau de pilotage peut être calculé à l'aide de l'équation suivante :

Où « I » est le courant efficace traversant le cristal et R est la valeur de résistance maximale du cristal spécifique en question. L'équation (2) est simplement la « loi d'Ohm » pour la puissance.

La mesure du niveau de commande réel dans un circuit oscillateur en fonctionnement peut être effectuée en insérant temporairement une résistance en série avec le cristal. La résistance doit avoir la même valeur ohmique que le cristal. La chute de tension à travers la résistance peut ensuite être lue et le courant ainsi que la dissipation de puissance peuvent être calculés. La résistance doit ensuite être retirée. Comme alternative pour mesurer le niveau de commande, une sonde de courant peut être utilisée sur le fil de sortie du cristal, si l'espace le permet. La méthode est décrite ci-dessous à la Figure 1.

Fréquence vs Mode : La fréquence d'une unité de cristal de quartz est limitée par les dimensions physiques de l'élément de quartz vibrant. Dans certains cas, les dimensions limitantes sont la longueur et la largeur. Dans le cas de l'unité de cristal la plus populaire, l'unité de cristal de type “AT”, la dimension limitante est l'épaisseur de l'élément de quartz vibrant. Lorsque l'épaisseur diminue, la fréquence augmente. À un certain point, généralement autour de 30,000 MHz, l'épaisseur de la plaque de quartz devient trop fine pour être traitée.

S'il est souhaité de développer un oscillateur à une fréquence supérieure à la fréquence limite, il faut tirer parti du fait que les unités de cristaux de quartz peuvent osciller à des multiples entiers impairs de leur fréquence "fondamentale". Nous pouvons définir la fréquence "fondamentale" comme « cette fréquence qui se produit naturellement pour un ensemble donné de dimensions mécaniques ». Ainsi, si une unité de cristal a une fréquence fondamentale de 10,0 MHz, elle peut également être amenée à osciller à 3, 5, 7, etc. fois la fondamentale. C'est-à-dire que l'unité oscillera à 30,0, 50,0, 70,0, etc. MHz.

Ces multiples de la fréquence fondamentale sont appelés « harmoniques » et sont identifiés par l'entier de multiplication, comme le « troisième harmonique », le « cinquième harmonique », etc. Lorsque l'utilisation à une fréquence harmonique est requise, le dispositif à cristal doit être spécifié pour fonctionner à la fréquence souhaitée et sur l'harmonique souhaité. Il ne faut jamais tenter de commander un cristal en mode fondamental et ensuite de l'utiliser à une fréquence harmonique. Cela est dû au fait que les processus de fabrication des cristaux diffèrent pour les dispositifs à cristal fondamental et harmonique.

Dans de nombreux cas, les caractéristiques du circuit intégré utilisé dans une conception d'oscillateur particulière imposent que la fréquence fondamentale de l'unité cristalline soit supprimée afin de garantir un fonctionnement à la fréquence souhaitée et sur l'harmonique désiré. Dans de tels cas, il est généralement nécessaire de modifier le circuit de l'oscillateur. Une méthode de modification consiste à ajouter un circuit "résonant", composé d'une inductance et d'un condensateur. Ces modifications sont illustrées dans les Figures F et G.

Dans les deux cas, le circuit résonant est ajusté pour résonner à une fréquence située entre la fréquence fondamentale et la fréquence souhaitée. Cela entraîne la dérivation de la fréquence non souhaitée vers la masse, laissant uniquement la fréquence souhaitée présente à la sortie de l'oscillateur.

Considérations de conception : Pour assurer le bon fonctionnement d'un circuit oscillateur, certaines considérations de conception doivent être suivies. Dans tous les cas, il est recommandé d'éviter les traces parallèles afin de réduire la capacité parasite du circuit. Toutes les traces doivent être aussi courtes que possible et les composants doivent être isolés pour éviter le couplage. Des plans de masse doivent être utilisés pour isoler les signaux.

Résistance négative : Pour une performance optimale, un circuit oscillateur doit être conçu de manière à renforcer la « résistance négative », parfois appelée « tolérance d’oscillation ». L’évaluation de la quantité de résistance négative dans un circuit donné est réalisée en installant temporairement une résistance variable en série avec l’unité de cristal. La résistance doit être réglée initialement à sa valeur minimale, de préférence proche de zéro ohm. L’oscillateur est ensuite lancé et la sortie est surveillée sur un oscilloscope. La résistance variable est ensuite ajustée de manière à augmenter la résistance tout en surveillant continuellement la sortie. À une certaine valeur de résistance, l’oscillation s’arrêtera. À ce stade, la résistance variable est mesurée pour déterminer la valeur en ohms à laquelle l’oscillation a cessé. À cette valeur, la résistance maximale de l’unité de cristal, telle que spécifiée par le fournisseur, doit être ajoutée. La résistance totale en ohms est considérée comme la « résistance négative » ou la « tolérance d’oscillation ». Pour une bonne opération fiable du circuit, il est recommandé que la résistance négative soit au minimum cinq fois la valeur maximale spécifiée de la résistance de l’unité de cristal.

Des valeurs de résistance négative dépassant cinq fois la résistance maximale de l'unité de cristal sont encore meilleures. Comme la résistance négative a tendance à diminuer à des températures élevées, il est recommandé d'effectuer le test à la température la plus élevée de la plage de fonctionnement. Voir la procédure spéciale illustrée ci-dessous.

Procédures de mesure de la résistance négative