Comprendre les paramètres des oscillateurs à quartz pour optimiser la sélection des composants

L'oscillateur à quartz constitue le composant central responsable de la précision et des performances de fréquence/temporisation dans la plupart des circuits électroniques. En tant que tel, il doit être exact et précis dans le temps. L'oscillateur idéal n'existant qu'en théorie, le problème pour les concepteurs est donc de trouver l'oscillateur approprié pour atteindre les objectifs de conception. Ce n'est pas une tâche facile.

Une fois les exigences de performances déterminées pour l'application, les concepteurs doivent trouver la solution offrant le bon équilibre entres performances, coût, stabilité, taille, puissance, structure physique et capacités de commande pour les circuits associés. Pour ce faire, ils doivent comprendre les principes de fonctionnement des oscillateurs, leurs principales caractéristiques et leur évolution.

Cet article donne un aperçu des principes de base des oscillateurs à quartz avant d'étudier les différentes perspectives liées aux modules d'oscillateurs à quartz hautes performances. Ensuite, en s'appuyant sur des dispositifs représentatifs d'ECS Inc., il passe brièvement en revue les principes de base de ces oscillateurs avant d'identifier les paramètres de premier niveau et de deuxième niveau, ainsi que certaines valeurs réalistes pour ces paramètres. Il montre également comment différentes unités sont adaptées aux exigences de certaines applications typiques.

Fonctionnement des oscillateurs à quartz

Les oscillateurs à quartz fournissent l'horloge pour les processeurs, la synchronisation des bits pour les liaisons de données, le temps d'échantillonnage pour les conversions de données et la fréquence principale dans les tuners et les synthétiseurs. En termes simplifiés, l'élément quartz de l'oscillateur à quartz agit comme un élément résonant à facteur Q extrêmement élevé dans le réseau de rétroaction d'un circuit d'oscillateur (Figure 1). En raison de l'importance des quartz et de leurs oscillateurs, les principes physiques du matériau quartz ainsi que ses performances électriques et mécaniques, de même que les différents circuits d'oscillateurs, ont fait l'objet de recherches et d'analyses approfondies.

Figure 1 : En utilisant l'effet piézoélectrique, un quartz fonctionne comme un élément résonant stable, précis et à facteur Q élevé dans la boucle de rétroaction d'un circuit d'oscillateur. (Source de l'image : ECS Inc. International, modifiée)

Pendant de nombreuses années, les utilisateurs ont spécifié la fréquence du quartz et d'autres caractéristiques clés, et fourni leur propre circuit d'oscillateur séparé avec des tubes à vide (au début), puis des transistors, et enfin des circuits intégrés. Ce circuit était généralement la combinaison d'une analyse de conception minutieuse et d'un jugement basé sur l'expérience et sur un certain « art », car il y avait de nombreuses subtilités interdépendantes. Le concepteur tentait d'équilibrer ces facteurs pour adapter les performances de l'oscillateur aux caractéristiques et à la « coupe » du cristal de quartz, ainsi qu'aux priorités de l'application.

De nos jours, de tels efforts de conception d'oscillateurs à quartz DIY sont relativement rares car il faut du temps et des efforts pour obtenir une conception initiale correcte. Ensuite, il y a la mesure précise des performances d'un oscillateur. C'est une opération complexe qui requiert des instruments de précision et une configuration minutieuse. Pour de nombreuses applications, les concepteurs peuvent acheter un module miniature entièrement fermé qui inclut à la fois l'élément quartz, le circuit d'oscillateur et son circuit d'attaque de sortie. Cela réduit évidemment les efforts et le temps de conception, tout en fournissant à l'utilisateur une unité entièrement caractérisée et une fiche technique avec des spécifications garanties.

Une remarque sur la terminologie : Pour des raisons historiques et autres, les ingénieurs utilisent souvent le mot « quartz » alors qu'ils font en réalité référence au circuit d'oscillateur à quartz complet. Cela ne pose généralement pas de problème, car le sens voulu est évident d'après le contexte. Cependant, cela peut parfois prêter à confusion, car il est toujours possible d'acheter un quartz en tant que composant autonome et de fournir ensuite un circuit d'oscillateur séparé. Cet article utilise le mot « oscillateur » pour désigner le quartz et son circuit d'oscillateur comme un module autonome plutôt que le circuit d'oscillateur seul.

Caractérisation des oscillateurs à quartz

Comme pour tout composant, les performances de l'oscillateur à quartz sont initialement définies par un ensemble de paramètres de niveau supérieur. Par ordre général d'importance, il s'agit des paramètres suivants :

Fréquence de fonctionnement : Elle peut s'étendre de quelques dizaines de kilohertz (kHz) à plusieurs centaines de mégahertz (MHz). Les oscillateurs pour des fréquences supérieures à la portée de base d'un oscillateur, par exemple dans la plage des gigahertz (GHz), utilisent généralement une boucle à verrouillage de phase (PLL) comme multiplicateur de fréquence pour convertir la fréquence fondamentale.

Stabilité de fréquence : C'est le deuxième facteur clé de performances des oscillateurs. Ce facteur définit l'écart de la fréquence de sortie par rapport à sa valeur initiale en raison de conditions externes, et donc plus ce nombre est petit, mieux c'est.

De nombreuses conditions externes affectent la stabilité, et de nombreux fournisseurs les signalent individuellement afin que le concepteur puisse évaluer l'impact réel dans les applications. Parmi ces facteurs figurent les variations liées à la température par rapport à la fréquence nominale à 25°C ; les autres facteurs incluent la stabilité à long terme due au vieillissement ainsi que les effets du soudage, des variations de la tension d'alimentation et des variations de la charge de sortie. Pour les unités hautes performances, elle est généralement caractérisée en parties par million (ppm) ou en parties par milliard (ppb), par rapport à la fréquence de sortie nominale.

Bruit de phase et gigue : Il s'agit de deux perspectives sur la même catégorie générale de performances. Le bruit de phase caractérise le bruit d'horloge dans le domaine fréquentiel, tandis que la gigue le fait dans le domaine temporel (Figure 2).

Figure 2 : La gigue dans le domaine temporel et le bruit de phase dans le domaine fréquentiel sont deux interprétations tout aussi valides des mêmes imperfections. La représentation préférée est fonction de l'application. (Source de l'image : ECS Inc. International)

Selon l'application, le concepteur se concentre sur les erreurs principalement définies dans un domaine ou dans l'autre. Le bruit de phase est généralement défini comme le rapport entre le bruit dans une bande passante de 1 Hertz (Hz) à un décalage de fréquence spécifié, f_m, et l'amplitude du signal de l'oscillateur à la fréquence f_O. Le bruit de phase dégrade la précision, la résolution et le rapport signal/bruit (SNR) dans les synthétiseurs de fréquence (Figure 3), tandis que la gigue provoque des erreurs de synchronisation et contribue ainsi à augmenter le taux d'erreur sur les bits (TEB) dans les liaisons de données.

Figure 3 : Le bruit de phase étend le spectre de puissance de l'oscillateur et a un effet négatif sur la résolution et le rapport signal/bruit. (Source de l'image : ECS Inc. International)

La gigue de temporisation provoque des erreurs de temps d'échantillonnage dans les conversions analogique-numérique et affecte donc également le rapport signal/bruit et l'analyse de fréquence FFT (transformation de Fourier rapide) subséquente.

Les dispositifs de la gamme d'oscillateurs standard MultiVolt (MV) d'ECS Inc. sont disponibles avec des stabilités de seulement ±20 ppm, tandis que les oscillateurs à stabilité étroite (SMV) offrent des stabilités de ±5 ppm. Pour une stabilité encore plus étroite, les TCXO (oscillateurs à quartz à compensation de température) MultiVolt offrent des performances de ±2,5 ppm avec des sorties HCMOS et de ±0,5 ppm pour les sorties d'onde sinusoïdale écrêtée (les TCXO et les ondes sinusoïdales écrêtées sont abordés plus loin).

Quel que soit le domaine, la gigue/le bruit de phase est un facteur important pour les conceptions hautes performances et doit être pris en compte dans le bilan d'erreurs tout en gardant à l'esprit les besoins de l'application. Notez qu'il existe de nombreux types de gigue, y compris la gigue absolue, la gigue cycle-à-cycle, la gigue de phase intégrée, la gigue à long terme et la gigue de période ; pour le bruit de phase, il existe également différents types et plages d'intégration, y compris le bruit blanc et diverses « couleurs » de bruit.

La compréhension des spécificités de la gigue et du bruit de phase au niveau de l'oscillateur et de l'impact dans l'application peut souvent être un défi. Il est difficile de convertir une spécification d'un domaine à l'autre ; les utilisateurs doivent plutôt se référer à la fiche technique. Il est également important de comprendre les définitions légitimes, mais divergentes, des fournisseurs quantifiant les performances lors de la prise en compte de ces erreurs dans le bilan d'erreurs global.

Type et commande de signal de sortie : Ils doivent être adaptés à la charge connectée (Figure 4). Les deux topologies de commande de sortie sont asymétrique et différentielle.

Figure 4 : Différents formats de sortie sont disponibles et doivent être compatibles avec la configuration de la charge de l'oscillateur. (Source de l'image : ECS Inc. International)

Les oscillateurs asymétriques sont plus faciles à mettre en œuvre, mais ils sont plus sensibles au bruit et ne conviennent généralement que jusqu'à plusieurs centaines de mégahertz uniquement. Les types de sortie asymétrique incluent :

• TTL (logique transistor-à-transistor) : 0,4 volt (V) à 2,4 V (type aujourd'hui rarement utilisé)
• CMOS : 0,5 V à 4,5 V
• HCMOS (CMOS haute vitesse) : 0,5 V à 4,5 V
• LVCMOS (CMOS basse tension) : 0,5 V à 4,5 V

Les sorties différentielles sont plus difficiles à concevoir mais offrent de meilleures performances dans les applications haute fréquence, car tout bruit commun aux traces différentielles s'annule. Cela permet de maintenir les performances de l'oscillateur du point de vue du circuit de charge. Les types de signaux différentiels sont les suivants :

• PECL : 3,3 V à 4,0 V
• LVPECL (PECL basse tension) : 1,7 V à 2,4 V
• CML : 0,4 V à 1,2 V et 2,6 V à 3,3 V
• LVDS : 1,0 V à 1,4 V
• HCSL : 0,0 V à 0,75 V

Le choix du type de signal est déterminé par les priorités applicatives et les circuits associés.

La forme d'onde de sortie de l'oscillateur peut être une onde sinusoïdale classique à fréquence unique ou une onde sinusoïdale écrêtée (Figure 5). L'onde analogique est « la plus propre » et la moins sujette à la gigue/au bruit de phase, contrairement à l'utilisation d'un circuit de comparateur pour la transformer en onde carrée, qui ajoute de la gigue/du bruit de phase et donc, la dégrade. L'onde sinusoïdale écrêtée produit une sortie de type onde carrée qui est compatible avec les charges numériques sans sacrifier les performances.

Figure 5 : L'onde sinusoïdale écrêtée approxime une onde carrée tout en minimisant toute gigue ou tout bruit de phase supplémentaire. (Source de l'image : ECS Inc. International)

Courant et tension d'alimentation : Tous les deux ont été réduits pour répondre aux exigences des systèmes actuels à plus basse tension et souvent alimentés par batteries. La plupart des oscillateurs de la série MultiVolt peuvent fonctionner avec des tensions d'alimentation de 1,8 V, 2,5 V, 3,0 V et 3,3 V.

Format de boîtier : Tout comme pour le courant et la tension d'alimentation, le format des boîtiers d'oscillateurs a été réduit. L'industrie offre certaines tailles standardisées pour les dispositifs asymétriques (qui ne nécessitent que quatre connexions). Les oscillateurs différentiels ont six contacts et utilisent des boîtiers plus grands, dont les dimensions sont données ici en millimètres (mm) :

1612 : 1,6 mm × 1,2 mm

2016 : 2,0 mm × 1,6 mm

2520 : 2,5 mm × 2,0 mm

3225 : 3,2 mm × 2,5 mm

5032 : 5,0 mm × 3,2 mm

7050 : 7,0 mm × 5,0 mm

C'est en grande partie une question de température

Le facteur externe le plus important qui affecte et modifie les performances des oscillateurs est la température. Même si la puissance de fonctionnement de l'oscillateur est faible et que l'auto-échauffement est donc presque négligeable, la température ambiante affecte la fréquence de fonctionnement car ces changements affectent les dimensions et les contraintes mécaniques du quartz. Il est important de vérifier les performances de l'oscillateur sélectionné aux extrêmes des plages attendues. Ces plages sont généralement décrites comme suit :

• Commercial, automobile grade 4 : 0°C à +70°C
• Commercial étendu : -20°C à +70°C
• Industriel, automobile grade 3 : -40°C à +85°C
• Industriel étendu, automobile grade 2 : -40°C à +105°C
• Automobile grade 1 : -40°C à +125°C
• Militaire : -55°C à +125°C
• Automobile grade 0 : -40°C à +150°C

Pour certaines conceptions, ce ne sont pas seulement les performances en fonction de la température qui sont prises en compte, mais également la nécessité de répondre à d'autres spécifications de fiabilité. L'ECS-2016MVQ, par exemple, est un oscillateur à sortie HCMOS MultiVolt miniature à montage en surface pour un fonctionnement de 1,7 V à 3,6 V (Figure 6). Le boîtier céramique 2016 (2,0 mm × 1,6 mm) mesure 0,85 mm de haut, cible les applications industrielles plus difficiles, et est qualifié AEC-Q200 (automobile) pour les exigences de température de grade 1. Il est disponible pour des fréquences s'étendant de 1,5 MHz à 54 MHz, dans quatre grades de stabilité de fréquence, de ±20 ppm à ±100 ppm sur une plage de -40°C à +85°C ; la gigue de phase est très faible, seulement 1 picoseconde (ps), mesurée de 12 kHz à 5 MHz.

Figure 6 : L'ECS-2016MVQ est disponible pour des fréquences de 1,5 MHz à 54 MHz et dans quatre grades de stabilité de ±20 ppm à ±100 ppm. (Source de l'image : ECS Inc. International)

Pour les applications où la dérive sur la plage de fonctionnement est inacceptablement élevée, deux implémentations d'oscillateurs avancés sont disponibles : oscillateur à quartz à compensation de température (TCXO) et oscillateur à quartz thermostaté (OCXO). (Notez que XTAL est la désignation du quartz sur de nombreux schémas, et que « X » est utilisé comme son abréviation dans les acronymes.) Un TCXO utilise un circuit actif pour compenser le changement de fréquence de sortie dû à la variation de température. En revanche, dans l'OCXO, l'oscillateur à quartz est placé dans une enceinte thermiquement isolée qui est chauffée et maintenue à une température constante supérieure à la température ambiante maximum (une enceinte uniquement chauffante ne peut pas refroidir en dessous de la température ambiante).

Les TCXO requièrent des circuits supplémentaires par rapport à un oscillateur de base, mais beaucoup moins de puissance que l'OCXO avec son enceinte, exigeant typiquement plusieurs watts. En outre, le TCXO n'est que légèrement plus grand qu'une unité non compensée et est beaucoup plus petit qu'un OCXO. Un TCXO présente généralement une amélioration de la dérive de 10 à 40 fois supérieure à celle d'une unité non compensée, tandis qu'un OCXO peut présenter des performances de dérive supérieures de deux ordres de grandeur en comparaison, mais avec un désavantage significatif en termes de taille et de puissance.

L'ECS-TXO-32CSMV est un TCXO à montage en surface à onde sinusoïdale écrêtée avec capacité MultiVolt (alimentation de 1,7 V à 3,465 V) pour des fréquences comprises entre 10 MHz et 52 MHz (Figure 7). Le boîtier en céramique de 3,2 mm × 2,5 mm × 1,2 mm de hauteur est bien adapté aux applications portables et sans fil où la stabilité est essentielle. Les principales spécifications montrent sa stabilité extrêmement élevée par rapport à la température, aux variations d'alimentation, aux variations de charge et au vieillissement, ainsi que son besoin modeste en courant, inférieur à 2 mA (Tableau 1).

Figure 7 : L'ECS-TXO-32CSMV est un oscillateur à quartz à sortie d'onde sinusoïdale écrêtée intégrant un circuit de compensation interne pour améliorer considérablement les performances de stabilité. (Source de l'image : ECS Inc. International)

Tableau 1 : Les spécifications du TCXO ECS-TXO-32CSMV compensé en température montrent comment sa compensation interne améliore les performances de stabilité malgré un ensemble de perturbations externes. (Source de l'image : ECS Inc. International)

Fonctionnement basse consommation : souvent une priorité

Malgré la tendance en matière de débits de données et d'horloges de processeurs à fréquence toujours plus élevée, on constate toujours un besoin important d'oscillateurs à quartz à plus basse fréquence pour la synchronisation dans les applications à consommation extrêmement faible. Par exemple, l'ECS-327MVATX est un oscillateur miniature à montage en surface, fonctionnant à une fréquence fixe de 32,768 kHz avec une capacité MultiVolt (1,6 V à 3,6 V). Avec sa consommation de courant de seulement 200 microampères (µA) et sa sortie CMOS asymétrique, il convient parfaitement aux applications basse consommation/portables, industrielles, d'horloge temps réel (RTC) et Internet des objets (IoT). Il est proposé en formats de boîtiers 2016 à 7050, avec une stabilité de fréquence s'étendant d'un strict ±20 ppm à ±100 ppm sur la plage de températures de -40°C à +85°C, selon le modèle.

Pour minimiser la consommation d'énergie moyenne, de nombreux oscillateurs offrent également une fonction d'activation/désactivation. Par exemple, l'ECS-5032MV est un oscillateur à montage en surface de 125 MHz avec une capacité de fonctionnement MultiVolt de 1,6 V à 3,6 V et une sortie CMOS, en boîtier céramique 5032 (Figure 8).

Figure 8 : L'ECS-5032MV est un oscillateur à montage en surface de 125 MHz avec une fonction d'activation/désactivation permettant des économies d'énergie. (Source de l'image : ECS Inc. International)

L'un de ses quatre contacts permet de mettre l'oscillateur en mode veille, réduisant le courant requis de 35 mA à l'état actif à seulement 10 µA en veille. Le temps de démarrage est de 5 millisecondes (ms) après la réactivation de l'appareil.

Adaptation des spécifications à l'application

Le choix d'un oscillateur à quartz approprié pour une application est, comme on peut s'y attendre, un équilibre entre les spécifications, les priorités, les coûts et leur pondération relative. Il ne s'agit pas seulement de choisir une unité ayant la fréquence nominale, la stabilité de fréquence, la gigue/le bruit de phase requis, et d'autres attributs en tant qu'oscillateur autonome. Les utilisateurs doivent également s'assurer que la commande de sortie de l'oscillateur est compatible avec la charge et le système associés afin que le couplage ne dégrade pas les performances. Bien que ces considérations soient nombreuses, il existe quelques lignes directrices générales :

• Une sortie LVDS ne nécessite qu'une seule résistance au niveau du récepteur, tandis que LVPECL exige une terminaison à la fois au niveau de l'émetteur et du récepteur.
• LVDS, LVPECL et HCSL ont des transitions plus rapides que CMOS mais requièrent plus de puissance et sont mieux adaptés aux conceptions haute fréquence.
• Pour une consommation d'énergie minimale au-dessus de 150 MHz, CMOS ou LVDS constituent les meilleurs choix.
• LVPECL, LVDS, puis CMOS offrent les meilleures performances de gigue à plus basses fréquences.

Conclusion

L'oscillateur à quartz est au cœur de nombreux circuits et systèmes. Pour garantir que les performances de cette fonction correspondent aux exigences de l'application, il faut trouver un équilibre entre les paramètres clés, à commencer par la précision de la fréquence nominale, la stabilité par rapport à la température et d'autres facteurs tels que la gigue et le bruit de phase. Il faut également adapter le format de commande de sortie de l'oscillateur aux caractéristiques du circuit de charge. Les oscillateurs à quartz des gammes MultiVolt d'ECS offrent des performances supérieures avec des combinaisons de spécifications dans des modules complets et faciles à utiliser.