Le chronométrage représente une caractéristique cruciale dans la conception de la plupart des gadgets électroniques, et les composants dédiés au chronométrage sont incontournables pour la fonctionnalité optimale des circuits électroniques. Aujourd’hui, l’industrie du chronométrage est largement dominée par les dispositifs à base de quartz en raison de leur efficacité à générer des fréquences stables, assurant ainsi une transmission précise des données à un coût abordable. Avec l’avènement de technologies telles que la 5G et le Wi-Fi, il devient impératif d’améliorer davantage la qualité de l’expérience pour les utilisateurs finaux. Il est donc essentiel de sélectionner la solution de synchronisation appropriée qui répond de manière optimale aux applications de pointe et aux exigences de haute performance des fabricants d’équipements d’origine (OEM) et des ingénieurs concepteurs.
Les deux dispositifs de fréquence couramment adoptés dans les applications de chronométrage sont les cristaux de quartz et les oscillateurs. Les cristaux de quartz, en tant que composants passifs, requièrent une connexion à un circuit d’oscillation externe, généralement intégré dans la plupart des microprocesseurs, pour assurer leur fonctionnement. En revanche, un oscillateur ne dépend pas d’un circuit externe pour son fonctionnement, car il intègre à la fois un cristal résonnant et un circuit oscillateur dans un seul dispositif. Les oscillateurs constituent l’option privilégiée pour le contrôle de la fréquence, demandant moins de connaissances en conception pour leur mise en œuvre en tant que solution tout-en-un. Cependant, les concepteurs expérimentés préfèrent souvent les cristaux de quartz, démontrant une expertise qui leur permet de choisir le quartz optimal pour améliorer les performances de l’oscillateur, conduisant ainsi à une optimisation des performances globales.
Néanmoins, la sélection du bon dispositif de fréquence pour garantir une fonctionnalité optimale ne se réduit pas simplement au type d’opération ; elle dépend largement des caractéristiques spécifiques des cristaux et des oscillateurs, lesquelles seront examinées ci-dessous.
Les critères clés déterminant la qualité d’un chronométreur exceptionnel
Fréquence de fonctionnement : Chaque application possède une plage de fréquences spécifique afin d’éviter tout chevauchement des signaux, garantissant ainsi un fonctionnement optimal. À titre d’exemple, la fréquence de 32,768 kHz est couramment employée pour la mesure du temps dans les montres numériques, tandis que la fréquence de 26 MHz revêt une importance cruciale dans le fonctionnement des systèmes GPS. La fréquence de 13 MHz est dédiée au GSM, tandis que la fréquence de 13,560 MHz est fréquemment employée dans le domaine de l’identification par radiofréquence (RFID). Le choix d’un dispositif de fréquence adapté à une application spécifique représente un facteur essentiel lors de la sélection entre cristaux et oscillateurs.
Stabilité de la fréquence : Chaque quartz possède une fréquence intrinsèque de résonance, résultant de sa propriété piézoélectrique inhérente. La stabilité de la fréquence représente l’écart habituel par rapport à la fréquence nominale du quartz. Cet écart peut résulter de divers facteurs externes, principalement des variations de température, mais aussi des fluctuations de la tension d’alimentation, des variations de la valeur de la capacité de charge, ou même de l’excès de chaleur engendré par la soudure.
Les composants à stabilité plus étroite sont minutieusement réglés afin de garantir une synchronisation plus précise, se distinguant ainsi de ceux dont les plages de stabilité sont plus larges. La vaste gamme de produits d’IQD propose de multiples options, comprenant notamment des oscillateur à quartz compensé entempérature (TCXO) affichant une stabilité aussi remarquable que ±0,05 ppm, ainsi que des oscillateurs à quartz thermostaté (OCXO) tels que l’IQOV-164, garantissant des stabilités de l’ordre de ±20 ppb.
Seuil de Température : La température représente le facteur externe le plus influent sur les performances des dispositifs de synchronisation. Lorsque la température fluctue, la fréquence subit également des variations. Ces fluctuations de fréquence sont déterminées par un terme appelé stabilité de la fréquence. La précision de la stabilité du quartz est influencée par l’angle de coupe de la barre de quartz lors de sa fabrication. De légères modifications de cet angle de coupe déterminent les performances obtenues en réponse aux variations de température.
Voici un tableau des applications les plus courantes, accompagné de la plage de température de fonctionnement correspondante.
| Applications | Plage de température de fonctionnement |
| Commercial, automobile classe 4 | 0 à 70ºC |
| Commercial étendu | -20 à 70ºC |
| Industriel, automobile classe 3 | -40 à 85ºC |
| Industriel étendu, automobile classe 2 | -40 à 105ºC |
| Automobile classe 1 | -40 à 125ºC |
| Militaire, automobile classe 0 | -55 à 125ºC et au-delà |
Les modèles populaires tels que l’IQXC-180 Auto, le CFPX-180 et l’IQXC-42, fréquemment employés dans les applications automobiles, offrent tous une vaste plage de température de fonctionnement, s’étendant de -40 à 125°C, ainsi que plusieurs autres plages de température plus restreintes.
Bruit de phase et gigue : Le bruit de phase se réfère à la fluctuation aléatoire de la phase ou de la fréquence d’un signal. Il a le potentiel de perturber la précision, la résolution et d’avoir un impact négatif sur le rapport signal/bruit (RSB). Quant à la gigue, elle introduit des incohérences dans le domaine temporel du signal, ce qui peut entraîner des taux d’erreur sur les bits (BER). Selon l’application spécifique, le concepteur doit opter pour le dispositif de synchronisation qui offre à la fois un faible bruit de phase et une faible gigue. Ces facteurs revêtent une importance cruciale dans certaines des applications les plus essentielles, telles que la navigation, la communication numérique, le traitement audio et la technologie radar.
Dimension du Boîtier : La taille du boîtier des composants joue un rôle crucial dans la conception des cartes de circuits imprimés. La taille des gadgets grand public ne cesse de diminuer, rendant crucial le choix de composants internes de taille appropriée. Bien que les cristaux de quartz soient plus compacts que leurs homologues oscillateurs, ils requièrent des condensateurs et des circuits supplémentaires pour générer une impulsion de synchronisation. De ce fait, les oscillateurs peuvent représenter l’option privilégiée lorsque l’espace est une contrainte dans la conception du circuit, contribuant ainsi à réduire l’empreinte du circuit imprimé en tant que boîtier tout-en-un.
Le catalogue d’IQD propose à la fois des quartz et des oscillateurs hermétiquement scellés, offrant ainsi une robustesse accrue. Ces composants sont disponibles dans des boîtiers CMS aussi petits que 1,6 x 1,0 mm et 1,6 x 1,2 mm, en plus de la taille standard industrielle de 2,0 x 1,6 mm.
Type de signal de sortie pour les oscillateurs : Les fournisseurs de chipsets doivent spécifier l’entrée correcte pour leur dispositif de synchronisation. La sortie d’un oscillateur peut être de type asymétrique ou différentiel. Les sorties asymétriques sont spécifiquement utilisées pour les fréquences inférieures à environ 100 MHz, tandis que les sorties différentielles sont préférées pour les hautes fréquences afin de réduire le bruit global du système.
Il est également crucial de s’assurer que le signal de sortie de l’oscillateur est adapté à la charge appropriée, sous peine de rencontrer des problèmes au niveau de l’amplitude du signal, des temps de montée et de descente, du rapport cyclique, et du temps de démarrage. Voici les types de sorties asymétriques d’un oscillateur :
• Semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS)
• HCMOS (CMOS à haute vitesse)
• LVCMOS (CMOS basse tension)
Les sorties différentielles sont relativement plus complexes à concevoir, mais elles offrent des performances supérieures dans les applications à haute fréquence, car tout bruit commun au signal différentiel s’annule. Voici quelques types de signaux différentiels :
• PECL (logique positive à couplage par émetteur)
• LVPECL (PECL basse tension)
• CML (logique en mode courant)
• LVDS (transmission différentielle basse tension)
• HCSL (logique de direction de courant à haute vitesse)
Fonctionnement à faible consommation pour les oscillateurs : De nombreux oscillateurs sont équipés d’une broche d’activation/désactivation intégrée, élément fondamental de leur fonctionnement à faible consommation. Lorsque le dispositif est désactivé, l’oscillateur interne cesse de fonctionner, basculant en mode veille et réduisant ainsi la consommation de courant. Ceci revêt une importance accrue, car de nombreux fabricants d’électronique accordent une priorité majeure à l’efficacité énergétique, en particulier pour les appareils de petite taille fonctionnant avec des piles. Par conséquent, les oscillateurs optimisés pour une alimentation à basse tension se révèlent être les meilleurs composants lorsque l’accent est mis sur les considérations de faible consommation.
Coûts : Un cristal de quartz simple est plus économique qu’un oscillateur. Cependant, en prenant en compte les frais d’ingénierie et le coût des composants, les oscillateurs peuvent se révéler être une option économique dans la conception des circuits. Dans certains cas, opter pour l’utilisation de quartz peut se révéler encore plus coûteux, notamment lorsque les services et les tests sont externalisés. Il est crucial de ne pas sous-estimer les dépenses supplémentaires liées aux composants additionnels tels que les condensateurs de charge et les résistances, ainsi qu’aux processus tels que la mise à jour des circuits imprimés, nécessaires pour améliorer la performance des signaux.
De plus, les cristaux de quartz sont plus adaptés aux situations dans lesquelles les fabricants souhaitent concevoir leurs propres oscillateurs électroniques, leur offrant la possibilité d’optimiser tous les paramètres pertinents en fonction de leurs projets spécifiques. À l’inverse, les oscillateurs présentent l’avantage de réduire la nomenclature et l’encombrement des circuits imprimés. Ainsi, les décisions influencées par le coût peuvent être basées sur la qualité des applications et l’échelle de production.
FAQ
La fonction de résonance d’un cristal de quartz est réalisée en le taillant selon une orientation appropriée par rapport à l’axe cristallographique des barres de quartz. Cet axe permet de définir les coordonnées du réseau cristallin. Il s’agit traditionnellement d’un cristal vierge, qui est ensuite positionné entre deux électrodes pour faire passer une tension alternative à travers lui. En raison des propriétés piézoélectriques du cristal, l’application de tension provoque un déplacement mécanique du cristal, induisant ainsi des vibrations.
Lorsque la fréquence de la tension appliquée coïncide avec la résonance mécanique du cristal, l’amplitude de la vibration atteint des niveaux significatifs. Cela entraîne également une augmentation du courant d’accompagnement, induisant ainsi une diminution de l’ampleur de l’impédance effective de l’appareil. Simultanément, le courant de déplacement augmente également, contribuant ainsi à la diminution de l’ampleur de l’impédance effective. Le changement soudain d’impédance lors de la variation de la tension et de la fréquence de résonance est le facteur clé de l’application des cristaux de quartz en tant qu’élément de contrôle de la fréquence dans les oscillateurs à cristaux.
À l’inverse, les oscillateurs fonctionnent selon un mécanisme différent de celui des cristaux, en utilisant un effet piézoélectrique inverse. Le champ électrique appliqué induit une déformation mécanique de certains matériaux, permettant ainsi d’utiliser la résonance du cristal vibrant pour générer un signal électrique d’une fréquence donnée. La distinction fondamentale entre les deux composants de synchronisation est que les cristaux ne sont pas intrinsèquement aussi polyvalents que les oscillateurs ; un cristal est un composant utilisé dans la construction d’un oscillateur.
Le temps de démarrage correspond à la durée nécessaire pour qu’un oscillateur atteigne sa fréquence de résonance lors de l’application initiale de la puissance. En règle générale, le temps de démarrage des oscillateurs ne devrait pas excéder quelques millisecondes (ms).
Le problème du temps de démarrage est plus fréquent avec les cristaux à basse fréquence qu’avec leurs homologues à haute fréquence. Les temps de démarrage sont également largement influencés par le temps de montée de l’alimentation. Un temps de montée plus rapide se traduit par une période de démarrage plus courte, comparé à un cristal ayant un temps de montée plus lent. Le temps de démarrage peut également entraîner un gain de boucle insuffisant.
Vous souhaitez approfondir vos connaissances sur les cristaux de quartz et les oscillateurs ? Écoutez le deuxième épisode du podcast KnowHow ci-dessous, où nous avons une discussion avec Nick Amey, directeur de l’ingénierie chez IQD. Vous pouvez également lire notre article.
Cet article a été rédigé par l’équipe d’assistance aux applications d’IQD Frequency Products.
