Oscillateur à cristal : Circuit, Fréquence & Principe de fonctionnement
Les oscillateurs à quartz fonctionnent sur le principe de l'effet piézoélectrique inverse, dans lequel une tension alternative appliquée aux surfaces du quartz provoque des vibrations à sa fréquence naturelle. Ce sont ces vibrations qui finissent par se convertir en oscillations.
Ces oscillateurs sont généralement fabriqués à partir de cristaux de quartz, bien que d'autres substances comme le sel de Rochelle et la tourmaline présentent également l'effet piézoélectrique, car le quartz est moins cher, naturellement disponible et plus résistant mécaniquement par rapport aux autres.
Dans les oscillateurs à quartz, le cristal est découpé et monté entre deux plaques métalliques comme le montre la figure 1a, dont l'équivalent électrique est montré par la figure 1b. En réalité, le cristal se comporte comme un circuit RLC série, formé par les composants
Une résistance de faible valeur RS
Une inductance de grande valeur LS
Un condensateur de petite valeur CS
qui seront en parallèle avec la capacité de ses électrodes Cp.
En raison de la présence de Cp, le cristal résonnera à deux fréquences différentes, à savoir,
La fréquence de résonance en série, fs qui se produit lorsque la capacité en série CS résone avec l'inductance en série LS. À ce stade, l'impédance du cristal sera la plus faible et donc la quantité de rétroaction sera la plus grande. L'expression mathématique pour cela est donnée par
La fréquence de résonance en parallèle, fp qui est observée lorsque la réactance de LSCS est égale à la réactance du condensateur en parallèle Cp c'est-à-dire LS et CS résonent avec Cp. À cet instant, l'impédance du cristal sera la plus élevée et donc la rétroaction sera la plus faible. Mathématiquement, cela peut être donné par
Le comportement du condensateur sera capacitif à la fois en dessous de fS et au-dessus de fp. Cependant, pour les fréquences situées entre fS et fp, le comportement du cristal sera inductif. De plus, lorsque la fréquence devient égale à la fréquence de résonance en parallèle fp, alors l'interaction entre LS et Cp formera un circuit LC accordé en parallèle. Par conséquent, un cristal peut être considéré comme une combinaison de circuits de résonance en série et en parallèle, ce qui signifie qu'il faut accorder le circuit pour l'un ou l'autre de ces deux. De plus, il est à noter que fp sera supérieure à fs et la proximité entre les deux sera déterminée par la découpe et les dimensions du cristal utilisé.
Les oscillateurs à quartz peuvent être conçus en connectant le cristal dans le circuit de manière à offrir une impédance faible lorsqu'il est utilisé en mode de résonance en série (Figure 2a) et une impédance élevée lorsqu'il est utilisé en mode de résonance antiparallèle ou en parallèle (Figure 2b).
Dans les circuits montrés, les résistances R1 et R2 forment le réseau diviseur de tension tandis que la résistance de l'émetteur RE stabilise le circuit. De plus, CE (Figure 2a) agit comme un condensateur de liaison AC tandis que le condensateur de couplage CC (Figure 2a) est utilisé pour bloquer la propagation du signal DC entre les bornes collecteur et base.
Ensuite, les condensateurs C1 et C2 forment le réseau diviseur de tension capacitif dans le cas de la Figure 2b. De plus, il y a également une bobine RF (RFC) dans les circuits (tant dans la Figure 2a que 2b) qui offre un double avantage en fournissant non seulement le biais DC mais aussi en libérant la sortie du circuit de l'influence du signal AC sur les lignes d'alimentation.
Lorsque l'on alimente le oscillateur, l'amplitude des oscillations dans le circuit augmente jusqu'à ce qu'un point soit atteint où les non-linéarités de l'amplificateur réduisent le gain en boucle à l'unité.
Ensuite, une fois le régime permanent atteint, le cristal dans la boucle de rétroaction influence fortement la fréquence du circuit en fonctionnement. De plus, ici, la fréquence s'ajustera automatiquement pour permettre au cristal de présenter une réactance au circuit de telle sorte que l'exigence de phase de Barkhausen soit satisfaite.
Généralement, la fréquence des oscillateurs à quartz sera fixée à la fréquence fondamentale ou caractéristique du cristal, qui sera déterminée par la taille et la forme physique du cristal.
Cependant, si le cristal n'est pas parallèle ou de épaisseur non uniforme, il pourrait résonner à plusieurs fréquences, entraînant des harmoniques.
De plus, les oscillateurs à quartz peuvent être accordés à un harmonique pair ou impair de la fréquence fondamentale, qui sont respectivement appelés Oscillateurs Harmoniques et Surharmoniques.
Un exemple de ceci est le cas où la fréquence de résonance en parallèle du cristal est diminuée ou augmentée en ajoutant un condensateur ou un bobinage en parallèle du cristal, respectivement.
La plage de fonctionnement typique des oscillateurs à quartz est de 40 KHz à 100 MHz, où les oscillateurs à basse fréquence sont conçus à l'aide d'OpAmps tandis que ceux à haute fréquence sont conçus à l'aide de transistors (BJTs ou FETs).
La fréquence des oscillations générées par le circuit est déterminée par la fréquence de résonance en série du cristal et ne sera pas affectée par les variations de la tension d'alimentation, les paramètres des transistors, etc. Par conséquent, les oscillateurs à quartz présentent un facteur Q élevé avec une excellente stabilité de fréquence, ce qui les rend particulièrement adaptés aux applications à haute fréquence.
Cependant, il faut veiller à ne faire fonctionner le cristal qu'avec une puissance optimale. En effet, si trop de puissance est fournie au cristal, les résonances parasites peuvent être excitées dans le cristal, ce qui conduit à une fréquence de résonance instable.
De plus, même son onde de sortie pourrait être distordue en raison de la dégradation de sa performance en bruit de phase. De plus, cela peut même entraîner la destruction du dispositif (cristal) en raison de la surchauffe.
Les oscillateurs à quartz sont compacts et peu coûteux, ce qui explique leur utilisation extensive dans les systèmes de guerre électronique, les systèmes de communication, les systèmes de guidage, les microprocesseurs, les microcontrôleurs, les systèmes de suivi spatial, les instruments de mesure, les appareils médicaux, les ordinateurs, les systèmes numériques, l'instrumentation, les systèmes à boucle de phase verrouillée, les modems, les capteurs, les disques durs, les systèmes maritimes, les télécommunications, les systèmes de contrôle moteur, les horloges, les systèmes de positionnement global (GPS), les systèmes de télévision par câble, les caméras vidéo, les jouets, les jeux vidéo, les systèmes radio, les téléphones cellulaires, les minuteries, etc.
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