FR2466899A1 - Oscillateur piezoelectrique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les oscillateurs piézoélectriques. Un oscillateur comporte notamment un circuit de commutation S qui peut brancher un condensateur C3 en parallèle sur un condensateur de charge C2 d'un résonateur piézoélectrique Q. On compense la caractéristique fréquence-température de l'oscillateur en faisant varier en fonction de la température le rapport cyclique des impulsions de commande du circuit de commutation. Application à l'horlogerie. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
La présente invention concerne un oscillateur comportant un résonateur
piézoélectrique, dans lequel on peut facilement commander la fréquence d'oscillation et dans lequel la fréquence d'oscillation demeure constante sur une plage de température étendue. Dans un oscillateur à quartz, par exemple, un condensateur d'ajustage est nécessaire pour commander la fréquence d'oscillation, ce qui donne à l'oscillateur une structure complexe. De plus, la fréquence d'oscillation dérive en fonction de la température, ce qui ne permet d'utiliser l'oscillateur que dans une plage de température étroite. Même pour un oscillateur dont le taux de dérive de la fréquence est faible, la fréquence d'oscillation dérive d'environ 2PPM dans la plage de température de 5 à 350C, et hors de la plage de température ci-dessus, la
fréquence d'oscillation dérive de façon extrêmement forte.
Un premier but de l'invention est de réaliser un
oscillateur dont on puisse commander facilement la fréquen-
ce d'oscillation, sans condensateur d'ajustage.
Un second but de l'invention est de réaliser un
oscillateur dont la fréquence d'oscillation soit très sta-
ble, en dépit de la commutation d'un circuit de commutation destiné à brancher et à débrancher un condensateur à un
condensateur de charge.
Un troisième but de l'invention est de réaliser un oscillateur dans lequel la fréquence d'oscillation soit compensée dans une plage de température étendue, la majeure partie de la structure de cet oscillateur pouvant en outre
être intégrée dans une puce de circuit intégré CMOS.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui va suivre de modes de réalisation, et en
se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente un circuit électrique qui est destiné à l'explication du principe de l'invention;
La figure 2 est un graphique qui montre la capa-
cité de charge vue de la borne b de la figure 1, sous l'effet de la commutation du circuit de commutation; La figure 3 est un schéma synoptique d'un circuit électrique qui correspond à un mode de réalisation de l'invention La figure 4 représente une caractéristique fréquence-température d'un résonateur piézoélectrique utilisé dans le circuit de la figure 3 La figure 5 représente une caractéristique fréquence-capacité de chalgDd'un résonateur piézoélectrique utilisé dans le circuit de la figure 3;
La figure 6 est un schéma synoptique qui repré-
sente un circuit électrique de compensation de température qui correspond à un mode de réalisation de l'invention La figure 7 représente des caractéristiques fréquence-température avant et après la-compensation par le circuit électrique de la figure 6
La figure 8 est un schéma synoptique qui repré-
sente un circuit électrique correspondant à un autre mode de réalisation de-l'invention; La figure 9 représente une caractéristique fréquencetempérature d'un oscillateur en anneau qui est utilisé dans le circuit de la figure 8;
La figure 10 est un schéma synoptique d'un cir-
cuit électrique correspondant à encore un autre mode de réalisation de l'invention; La figure 11 représente une caractéristique fréquencetempérature d'un autre résonateur piézoélectrique avant et après la compensation; et
La figure 12 est un schéma synoptique qui repré-
sente un circuit électrique correspondant à un mode de réalisation de l'invention qui est destiné à-assurer la
compensation représentée sur la figure 11.
On va maintenant décrire un mode de réalisation de l'invention en se référant aux dessins. On voit sur la figure 1 qu'une résistance de réaction R, un inverseur
CMOS, V1, et des condensateurs de charge C1, C2 sont connec-
tés à un oscillateur à quartz Q. Un condensateur C3 est branché en parallèle sur le condensateur de charge C2 et un
circuit de commutation S est branché en série avec le con-
densateur C3. Dans la structure décrite ci-dessus, on
commande le branchement d'un condensateur C3 à un condensa-
teur de charge C2 en appliquant des impulsions P sur une borne du circuit de commutation S. La figure 2 montre la capacité C qui est vue de la borne b. On fait varier la capacité de charge effective vue de la borne b en changeant le rapport cyclique À/ rp des impulsions P, et on peut
donc régler la fréquence d'oscillation.
On va maintenant indiquer comment varie la capaci-
té de charge effective C(t) vue de la borne b, en fonction du rapport cyclique des impulsions P. On développe la capacité C(t) en série de Fourier, de la manière suivante:
C(t) = a0 + a1cos wp.t + a2cosWp.t + ---
+ blsinwp.t + b2sinCMp.t + ---
avec: Wp = 2Wfp, fp = 1/ f a 1 =/Yp J C(t)dt an = 2/Yp. C(t)cos nw p.tdt bn = 2/ P JyC0t)sin nîp.tdt On peut donc représenter la capacité C(t) par la formule suivante:
C(t) = C2 + C3 rd/ Vp + 1/n i. sin nwprd.
cos nCup. t + Z 1/n ir (1-cos n wp. "'d) sin nwp.t}
C02 + C3 rd/ p + Z 1/nY. 2(1-cos 2nrird/'p).
sin(2nr t/ p + tg-1 sin 2n 7rôd/ rp 1-cos 2n -trd/ 'p(1 La fréquence de commutation n.fp(n=l, 2, 3 ---) figure dans la formule (1) ci-dessus, ce qui fait que l'oscillateur à quartz réagit à la fréquence de commutation,
de la manière expliquée ci-dessous.
La constante de temps rc des composants passifs de l'oscillateur s'exprime de la manière suivante: Zc - 2Q/W0 (en désignant par Q la valeur du Q de l'oscillateur à quartz, et par C"O la
quantité 2 3rfoJ, avec f0 = fréquence d'oscil-
lation) Ainsi, en prédéterminant la fréquence fp des
impulsions de commutation P de façon qu'elle soit extrême-
ment supérieure à i/l'c(fp> i/ rc), la fréquence fp est négligeable dans le spectre de fréquence d'oscillation de l'oscillateur à quartz. Ainsi, dans la formule (1) les termes contenant n.fp(fp = 1/ Vp) sont négligeables. De ce fait, la capacité de charge s'exprime par la formule C(t)= C2 + C3. 'Cd/Zp, c'est-à-dire que la capacité de
charge effective n'est déterminée que par le rapport cycli-
que des impulsions P. La fréquence d'oscillation est donc commandée par le rapport cyclique des impulsions P. Lorsqu'on utilise par exemple un oscillateur à quartz dont la fréquence d'oscillation est d'environ 4,2 MHz et dont la valeur de Q est d'environ 3 x 10 à x 10 5, en prédéterminant la fréquence fp des impulsions P à environ 10 KHz, la fréquence d'oscillation n'est pas influencée par la fréquence fp ci- dessus, mais elle est commandée par le rapport cyclique des impulsions P. On peut donc régler la fréquence d'oscillation à l'aide du rapport cyclique des impulsions, sans perte de
la stabilité de la fréquence d'oscillation.
La figure 3 représente le circuit permettant de fixer le rapport cyclique des impulsions P. Un diviseur de
fréquence D divise la fréquence d'oscillation et les fré-
quences de sortie obtenues sur les bornes di, d2 correspon-
n dent respectivement aux fractions 1/2, 1/2m(n> m) de la fréquence d'oscillation. Un circuit différentiateur T différentie le signal de sortie qui provient de la borne d et les impulsions de sortie du circuit différentiateur T sont appliquées sur la borne d'entrée PE d'un compteur en sens décroissant à prépositionnement, A, qui est un compteur à K bits(K = n-m). Une porte G reçoit les impulsions qui proviennent de la borne e et les impulsions qui proviennent de la borne d2 traversent la porte G. On fixe la valeur désirée à l'aide d'un commutateur numérique DS et cette valeur est mémorisée dans une mémoire non volatile M. On va maintenant décrire le fonctionnement des circuits mentionnés ci-dessus. Sous l'effet de l'impulsion provenant du circuit différentiateur, la valeur désirée qui
est mémorisée dans le circuit de mémoire M est préposition-
née dans le compteur en sens décroissant A. De ce fait, la
borne e passe au niveau logique "1" (qu'on désignera simple-
ment ci-après par "1"), si bien que les impulsions qui pro-
viennent de la borne d2 traversent la porte G et sont appliquées au compteur en sens décroissant A. En outre, la borne e passe à "O" lorsque le compteur en sens décroissant A a compté la valeur désirée. Le contenu de la mémoire M est ensuite à nouveau prépositionné dans le compteur en sens décroissant A par une impulsion suivante qui provient de la borne dl et le fonctionnement indiqué ci-dessus se
répète.
Il apparait donc sur la borne dl des impulsions dont le rapport cyclique correspond à la valeur qui est fixée par le commutateur numérique DS, et ces impulsions commutent le circuit de commutation S. On règle ainsi la capacité de charge effective, c'est-à-dire la fréquence d'oscillation.
Dans le circuit de la figure 3, tous les compo-
sants autres que le commutateur numérique DS, les conden-
sateurs C1, C 2 C3 et l'oscillateur à quartz peuvent être
intégrés et il n'est pas nécessaire d'employer un conden-
sateur d'ajustage, ce qui améliore la stabilité de la fré-
quence d'oscillation.
On va maintenant expliquer un mode de réalisation de la compensation en température, utilisant un oscillateur
à quartz en coupe AT, dont la caractéristique fréquence-
température est représentée par une courbe cubique qui est dessinée sur la figure 4. Sur la figure 4, l'axe vertical
représente une différence de fréquence f entre la fréquen-
ce désirée f et la fréquence réelle f, tandis que l'axe
horizontal représente la température.
D'autre part, la figure 5 représente une courbe qui est une caractéristique fréquence-capacité de charge, et on voit ainsi qu'on peut compenser la dérive en fonction
de la température en faisant varier la capacité de charge.
Dans le circuit de la figure 6, la température est
convertie en tension par une thermistance Th et une résis-
tance r, et la tension est appliquée à des circuits de com-
paraison CM CM. Les bornes P P des circuits de i - r- i - r comparaison CMi --- CMr sont prédéterminéesde façon à correspondre à des tensions différentielles respectives. Les signaux de sortie des circuits de comparaison CM1 --- CMr sont convertis par un codeur E en données codées en binaire
et ces données sont appliquées au compteur en sens décrois-
sant A. Ainsi, les données correspondant à la température sont prépositionnées dans le compteur en sens décroissant A,
c'est-à-dire que le rapport cyclique des impulsions desti-
nées à commuter le circuit de commutation S est fixé. De ce fait la commutation du circuit de commutation est commandée conformément à la température et la capacité de charge effective est commandée, ce qui compense la fréquence d'oscillation. La caractéristique fréquencetempérature à l'état non compensé est représentée par une courbe 1 sur la figure 7 et la compensation indiquée ci-dessus modifie cette caractéristique pour donner une courbe en dents de scie 12* Le taux de dérive en fréquence Af/f peut donc être maintenu à une valeur inférieure à t1PPM sur une plage
de température très étendue.
- On va maintenant considérer la figure 8 pour expliquer un autre mode de réalisation de la compensation en température. Un oscillateur en anneau RG est constitué par des inverseurs CMOS V2, V3, V4 et sa fréquence de sortie est appliquée à un mélangeur MR. La différence de fréquence entre la fréquence de sortie de l'oscillateur en anneau RG et la fréquence qui provient d'une borne d3 est appliquée à
un convertisseur de données DT. La caractéristique fréquence-
température de l'oscillateur en anneau est presque linéaire, comme le montre la figure 9. L'axe vertical sur la figure 9 représente le taux de dérive en fréquence Af/f (f
2501C 250C
fréquence d'oscillation à 251C; Àf = fT C - f250C; et
fT0C = fréquence d'oscillation à TOC).
Comme la fréquence d'oscillation de l'oscillateur
en anneau RG dérive de façon linéaire en fonction de la tem-
pérature, la fréquence de sortie du mélangeur MR varie con-
formément à la température. Cette fréquence de sortie est convertie en données codées en binaire par le convertisseur de données DTet les données sont appliquées au compteur en sens décroissant A. De ce fait, la fréquence d'oscillation de l'oscillateur à quartz Q est compensée de la manière qui est représentée sur la figure 7. L'ensemble du circuit peut être intégré sur une puce de circuit intégré CMOS, à l'exception de l'oscillateur à quartz Q et des condensateurs
C1, C2, C3.
La figure 10 représente encore un autre mode de réalisation. La fréquence d'oscillation d'un oscillateur H, de type RC, qui comporte une thermistance, est comptée par un circuit de comptage de fréquence CT et le contenu de ce compteur est converti en données codées en binaire par le convertisseur de données DT. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur RC H dérive en fonction de la température, si bien que les données qui proviennent du convertisseur
de données varient en fonction de la température.
On va maintenant expliquer un mode de réalisa-
tion qui utilise un oscillateur à quartz dont la caracté-
ristique fréquence-température est représentée par une
courbe du quatrième degré 1 sur la figure 11.
En considérant la figure 12, on voit que la fré-
quence d'oscillation de l'oscillateur RC H et la fréquence de sortie qui provient de la borne d3 sont appliquées au mélangeur MR, et la fréquence de différence est convertie en données codées en binaire par le convertisseur de données DT. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur RC H est prédéterminée de façon à coïncider avec la fréquence qui provient de la borne d à 250C, c'est-à-dire au niveau de l'axe de symétrie de la courbe du quatrième degré 13 qui est représentée sur la figure 11. Ainsi, la fréquence de différence qui provient du mélangeur MR est égale à O à 250C et elle dérive de façon symétrique en fonction des augmentations et des diminutions de la température. De ce fait, la caractéristique fréquence-température qui est
représentée par la courbe du quatrième degré 13 sur la figu-
+ re 11 peut être compensée à -lPPM près dans une plage de température très étendue, pour se présenter sous la forme
d'une courbe en dents de scie 1.
Conformément à l'invention qu'on vient de décrire,
la connexion en parallèle d'un condensateur et d'un conden-
sateur de charge est commandée par des impulsions de commu-
tation ayant un rapport cyclique fixé. On peut donc régler
la fréquence d'oscillation en commandant le rapport cycli-
que des impulsions de commutation, il n'est pas nécessaire d'employer un condensateur d'ajustage et la stabilité en fréquence est améliorée.:
En outre, du fait que les impulsions de commuta-
tion sont engendrées par un diviseur de fréquence qui divi-
se la fréquence d'oscillation, la fréquence d'oscillation et les impulsions de commutation ne sont pas influencées
par le vieillissement.
De plus, du fait qu'on fait varier le rapport cyclique des impulsions de commutation en fonction de la température, on peut compenser la fréquence d'oscillation
et la maintenir stable dans une plage de température éten-
due. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,
sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (6)
1. Oscillateur,. caractérisé en ce qu'il comprend
un condensateur qui est branché en parallèle sur un conden-
sateur de charge d'un résonateur piézoélectrique; un cir-
cuit de commutation destiné à commander le branchement entre le condensateur et le condensateur de charge; et un générateur d'impulsions qui produit des impulsions ayant un rapport cyclique fixé, afin de commuter le circuit de commutation.
2. Oscillateur selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que le générateur d'impulsions produit des impulsions dont la période est plus courte que la constante de temps ec d'un résonateur piézoélectrique (avec '1c s
2Q/W 0, Q désignant la valeur du Q du résonateur piezoélec-
trique, et C O = 2 tfos en désignant par f la fréquence d'oscillation).
3. Oscillateur selon la revendication 1 carac-
térisé en ce que le générateur d'impulsions comprend:
un diviseur de fréquence qui divise la fréquence d'oscilla-
tion d'un résonateur piézoélectrique, et un circuit de commande qui commande la largeur des impulsions de ce
diviseur de fréquence.
4. Oscillateur, caractérisé en ce qu'il comprend
un condensateur qui est branché en parallèle sur un con-
densateur de charge d'un résonateur piézoélectrique; un circuit de commutation destiné à commander le branchement entre le condensateur et le condensateur de charge; et un générateur d'impulsions qui produit des impulsions dont le rapport cyclique varie conformément à la température, pour
commuter le circuit de commutation.
5. Oscillateur selon la revendication 4, carac-
térisé en ce que le générateur d'impulsions comprend: un oscillateur en anneau qui est constitué par un nombre impair d'inverseurs CMOS branchés en cercle; un diviseur de fréquence qui divise la fréquence d'oscillation du résonateur piézoélectrique; et un circuit de commande qui commande la largeur des impulsions provenant du diviseur de fréquence conformément à la fréquence d'oscillation de
l'oscillateur en anneau.
6. Oscillateur selon la revendication 4, carac-
térisé en ce que le générateur d'impulsions comprend un oscillateur RC qui comporte-une thermistance; un diviseur de fréquence qui divise la fréquence d'oscillation du résonateur piézoélectrique; et un circuit de commande qui commande la largeur des impulsions du diviseur de fréquence conformément à la fréquence d'oscillation de l'oscillateur RC.
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