Quartz (électronique)

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En électronique, un Quartz est un composant dont la propriété est d'osciller à une fréquence stable lorsqu'il est stimulé. Les propriétés piézolélectriques remarquables du Quartz (minéral) permettent d'obtenir des fréquences d'oscillation très précises, et en font un élément important en électronique numérique.

Sommaire 1 Historique 2 Fonctionnement 2.1 Constitution 2.2 Modélisation 2.3 Caractéristiques 2.3.1 Tenue en température 2.3.2 Facteur de qualité 2.4 Oscillateurs compensés 2.5 Résonance série/parallèle 2.6 Spurious frequencies 2.7 Notation 3 Applications 4 Voir aussi

[modifier] Historique

Le premier oscillateur électronique stabilisé par un cristal de quartz est réalisé en 1918.

[modifier] Fonctionnement

[modifier] Constitution

Le quartz est un solide dont les atomes, molécules et ions sont disposés en ordre régulier, selon un motif répété de manière tridimensionnelle.

N'importe quel matériau suffisamment élastique pourrait être utilisé comme oscillateur, car tout objet possède une fréquence de résonance propre. Par exemple l'acier est un matériau très élastique et a souvent été utilisé comme oscillateur mécanique avant l'avènement du quartz. La fréquence de résonance dépend de la taille, de la forme, de l'élasticité et de la dispersion sonore du matériau. Les quartz HF sont généralement taillés sous forme d'un simple parallélépipède. Les quartz BF, typiquement ceux utilisés dans les montres à quartz, ont la forme d'un diapason. Pour les applications ne nécessitant pas une grande précision, un résonateur céramique bon marché est utilisé à la place du quartz.

Lorsqu'un quartz est correctement façonné, il peut être contraint à se plier sous l'action d'un champ électrique, de par la propriété connue sous le nom de piézoélectricité. Le champ électrique est appliqué par une différence de potentiel dans deux électrodes placées dans le quartz. Lorsque le champ est coupé, le quartz va générer à son tour un champ électrique lorsqu'il va reprendre sa forme initiale, provoquant une ddp dans les électrodes.

[modifier] Modélisation

Un quartz peut être modélisé comme un circuit électrique possédant deux fréquences de résonance proches l'une de l'autre, l'une à faible impédance (série), et l'autre à haute impédance (parallèle). L'impédance du circuit peut s'écrire :

ou s est la fréquence complexe (s = jω), ω_s est la fréquence de résonance série en radians, et ω_p est la fréquence de résonance parallèle toujours en radians.

L'ajout d'un condensateur en dérivation va provoquer une diminution de la fréquence de résonnance parallèle du quartz. Ce phénomène peut être utilisé pour régler la fréquence suivant le besoin. Les fabricants prennent en compte ce point lors de la découpe du quartz pour avoir la fréquence correcte pour une charge donnée. Par exemple, un quartz 32.768kHz-6pF ne fonctionnera à cette fréquence que s'il est utilisé avec un circuit dont la capacité est de 6pF.

[modifier] Caractéristiques

[modifier] Tenue en température

Le quartz a la particularité de ne pas beaucoup changer de taille avec la température. Donc la fréquence de résonance, qui dépend de la taille, sera relativement constante. Par exemple un quartz taillé en diapason sera généralement dimensionné pour avoir une courbe de température parabolique centrée sur 25°C, de sorte que la fréquence varie peu autour de la température ambiante. Un ordre d'idée pour un quartz de 32kHz en diapason est de -0.04ppm/degC^2.

f = f0[1 − 0.04ppm(T − T0)2]

Cela signifie qu'un système utilisant ce quartz et correctement calibré à la température ambiante, perdrait 2 minutes par an à la température de +15/+35°C, et 8 minutes par an à la température de +5/+45°C.

Pour éviter ce décalage pour des applications critiques, le quartz peut être monté dans un dispositif controllé en température : on parle de Oven Controlled Crystal Oscillators (OCXO).

[modifier] Facteur de qualité

Un circuit oscillateur à quartz entretient les oscillations en prélevant la tension sur le quartz, en l'amplifiant, et en le réinjectant dans le quartz. Le taux d'expansion/contraction du quartz est la fréquence de résonance, déterminée par la forme et la taille du minéral.

Typiquement un quartz présente 2 bornes conductrices, de part et d'autre de celui-ci. Au démarrage, le circuit applique une tension alternative aléatoire, et ce bruit va par chance tomber sur la fréquence de résonance du quartz. Celui-ci va alors agir comme un filtre et amplifier cette fréquence en atténuant les autres.

Le facteur de qualité d'un quartz représente cette capacité à filtrer très précisément cette fréquence pure tout en rejetant les harmoniques et le bruit. On parle aussi de sélectivité.

Ce facteur Q est généralement compris pour un oscillateur à base de quartz entre 10⁴ et 10⁶, la qualité maximum étant estimée à Q = 1.6 * 10 < sup > 7 < / sup > / f, avec f la fréquence de résonance en MHz.

[modifier] Oscillateurs compensés

Les conditions réelles de température, d'humidité, de pression et de vibration vont influencer la fréquence de résonance, des oscillateurs à quartz ont donc été créés pour compenser cela:

• TCXO
• MCXO
• OCXO

Ces composants, particulièrement les OCXO, ont une stabilité à court terme excellents, ils sont seulement limités par le bruit induit par les composants actifs de l'oscillateur. A long terme la stabilité est dégradée par le vieillissement du quartz.

Ces limitations ne permettent pas de dépasser une précision de 10⁻¹⁰ fois la fréquence nominale. Pour cette raison, les applications nécessitant précision et stabilité à long terme utilisent des horloges atomiques.

Bien que les quartz soient fabriqués « sur mesure », dans les limites technologiques, il est courant pour les concepteurs de circuits électroniques d'utiliser des oscillateurs standardisés, et de synthétiser la fréquence de travail à l'aide de diviseurs, de multiplieurs de fréquence, ou de PLLs. Cela permet également de n'utiliser qu'une source d'oscillation pour générer plusieurs fréquences, et ainsi éviter les phénomènes de métastabilité potentiellement générés dans des circuits numériques multi-horloges.

[modifier] Résonance série/parallèle

Un quartz peut osciller à sa fréquence série ou parallèle. La fréquence série est quelques kHz en dessous de la fréquence parallèle. Les quartz de moins de 30MHz utilisent généralement la fréquence parallèle, ce qui signifie que l'impédance du quartz apparait comme infinie. Un condensateur additionnel va ainsi diminuer la fréquence de résonance. Pour que le quartz fonctionne à sa vitesse nominale en mode parallèle, il faut que la capacité équivalente du circuit actif soit celle spécifiée par le constructeur.

Les quartz au delà de 30MHz (jusqu'à 200MHz) utilisent la résonance série, avec une impédance minimale égale à la résistance série. Pour cette raison la résistance série est spécifiée (<100 Ω), contrairement à la capacité parallèle. Pour des fréquences supérieures, les quartz sont stabilisés autour d'une de leurs harmoniques (fondamentale, 3^e, 5^e, voir même 7^e harmonique). Cette sélection est généralement faite par des circuits LC additionnels.

[modifier] Spurious frequencies

For crystals operated in series resonance, significant (and temperature-dependent) spurious responses may be experienced. These responses typically appear some tens of kHz above the wanted series resonance. Even if the series resistances at the spurious resonances appear higher than the one at wanted frequency, the oscillator may lock at a spurious frequency (at some temperatures). This is generally avoided by using low impedance oscillator circuits to enhance the series resistance difference.

[modifier] Notation

On electrical schematic diagrams, crystals are designated with the class letter "Y" (Y1, Y2, etc.) Oscillators, whether they are crystal oscillators or other, are designated with the class letter "G" (G1, G2, etc.) (See IEEE Std 315-1975, or ANSI Y32.2-1975) On occasion, one may see a crystal designated on a schematic with "X" or "XTAL", or a crystal oscillator with "XO", but these forms are deprecated.

Crystal oscillator types and their abbreviations:

• ATCXO — analogue temperature-compensated crystal oscillator
• CDXO —Calibrated Dual Crystal Oscillator
• MCXO — microcomputer-compensated crystal oscillator
• OCVCXO — oven-controlled voltage-controlled crystal oscillator
• OCXO — oven-controlled crystal oscillator
• RbXO — rubidium crystal oscillators (RbXO), a crystal oscillator (can be a MCXO) synchronized with a built-in rubidium standard which is run only occasionally to save power
• TCVCXO — temperature-compensated voltage-controlled crystal oscillator
• TCXO — temperature-compensated crystal oscillator
• TSXO — temperature-sensing crystal oscillator, an adaptation of the TCXO
• VCXO — voltage-controlled crystal oscillator
• DTCXO — Digital Temperature Compensated crystal Oscillator - same as MCXO

[modifier] Applications

Les quartz sont conçus pour des fréquences allant de la dizaine de kilohertz, à quelques dizaines de mégahertz. Il est produit annuellement plus de deux billions (2x10⁹) de quartz. La plupart sont destinés aux montres à quartz, et pour fournir une base de temps dans les circuits électroniques. Des quartz sont également présents dans les équipements de test et de mesure, tels que compteurs, générateurs de signaux ou oscilloscopes.

[modifier] Voir aussi

• Électronique numérique
• Oscillateur
• Horloge atomique