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Quartz (électronique)

Un quartz de 4 MHz dans unboîtier hermétique HC-49/US

Un diapason de quartz demontre dont on a enlevé le

boîtier (largeur du socle de 2mm)

En électronique, un quartz est un composant qui possèdecomme propriété utile d'osciller à une fréquence stablelorsqu'il est stimulé électriquement. Les propriétéspiézoélectriques remarquables du minéral de quartzpermettent d'obtenir des fréquences d'oscillation trèsprécises, ce qui en font un élément important enélectronique numérique ainsi qu'en électronique analogique.

Historique Les propriétés piézoélectriques du quartz qui sont à la basede son emploi en électroniques ont été découvertes par lesfrères Pierre et Jacques Curie en 1880.[1]

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

Minéralogie Le quartz est un minéral composé de dioxyde de silicium deformule SiO2 (silice). Le cristal a l'aspect du verre, il a laforme d'un prisme hexagonal régulier terminé à l'une ou àses deux extrémités par des pyramides hexagonales. Lesatomes du quartz sont disposés en ordre régulier, selon unmotif répété de manière tridimensionnelle.

Effet piézoélectrique N'importe quel matériau suffisamment élastique pourraitêtre utilisé comme oscillateur, car tout objet possède unefréquence de résonance propre. Par exemple l'acier est unmatériau très élastique et a souvent été utilisé commeoscillateur mécanique avant l'avènement du quartz. Lafréquence de résonance dépend de la taille, de la forme, del'élasticité et de la dispersion sonore du matériau. Lesquartz HF sont généralement taillés sous forme d'un simpleparallélépipède. Les quartz BF, typiquement ceux utilisésdans les montres à quartz, ont la forme d'un diapason. Pourles applications ne nécessitant pas une grande précision, unrésonateur céramique bon marché est utilisé à la place duquartz. Lorsqu'il est soumis à un champ électrique, le quartz va se déformer par effetpiézoélectrique inverse. Le champ électrique est appliqué par une différence de potentiel(ddp) dans deux électrodes placées dans le quartz. Lorsque le champ est coupé, le quartz va

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générer à son tour un champ électrique lorsqu'il va reprendre sa forme initiale, provoquantune ddp dans les électrodes. L'alternance de ces deux états, entretenue par un composantactif, va se stabiliser sur une des fréquences de résonance du quartz. Cette fréquencedépend essentiellement de la forme et des dimensions du quartz.

Modélisation

Symbole et circuit équivalent d'unquartz

Un quartz peut être modélisé comme un circuitélectrique possédant deux fréquences de résonanceproches 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 :

où :est la fréquence complexe ( ),est la fréquence de résonance série en radians (

),

est la fréquence de résonance parallèle toujours en radians ( )[2] .

L'ajout d'un condensateur en dérivation va provoquer une diminution de la fréquence derésonance parallèle du quartz. Ce phénomène peut être utilisé pour régler la fréquencesuivant le besoin. Les fabricants prennent en compte ce point lors de la découpe du quartzpour avoir la fréquence correcte pour une charge donnée. Par exemple, un quartz 32,768kHz - 6 pF ne fonctionnera à cette fréquence que s'il est utilisé avec un circuit dont lacapacité est de 6 pF.

Caractéristiques

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. Parexemple un quartz taillé en diapason sera généralement dimensionné pour avoir une courbede température parabolique centrée sur 25°C, de sorte que la fréquence varie peu autourde la température ambiante. Un ordre d'idées pour un quartz de 32 kHz en diapason est de-0.04 ppm/°C², selon la loi :

Cela signifie qu'un système utilisant ce quartz et correctement calibré à la températureambiante, perdrait 2 minutes par an à la température de +15/+35°C, et 8 minutes par an àla température de +5/+45°C.Si on veut une stabilité supérieure, on sera obligé de passer sur des fréquences plusélevées, de 3 à 30 MHz en fondamentale, en taille dite AT. La courbe de la fréquence enfonction de la température est alors une fonction du troisième degré dont le pointd'inflexion peut être à 20°C. On peut ainsi obtenir des stabilités de l'ordre de 30 ppm entre

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-40 et +85 °C, ou bien de 5 ppm entre -15 °C et +60°C.Pour éviter ce décalage pour des applications critiques, le quartz peut être monté dans undispositif contrôlé en température : on parle de Oven Controlled Crystal Oscillator (OCXO).

Vieillissement La fréquence de résonance d'un quartz peut très légèrement varier à long terme, ce quipeut poser des problèmes pour les applications qui demandent une très grande stabilité. Onconstate en général les premières années une diminution de la fréquence de l'ordre de 0,5ppm par an. La fréquence se stabilise ensuite au bout de plusieurs années. Certainsfabricants proposent ainsi des quartz artificiellement vieillis, par des cycles detempérature.

Facteur de qualité Un circuit oscillateur à quartz entretient les oscillations en prélevant la tension sur lequartz, en l'amplifiant, et en le réinjectant dans le quartz. Le taux d'expansion/contractiondu 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. Audémarrage, le circuit applique une tension alternative aléatoire, et ce bruit va par chancetomber sur la fréquence de résonance du quartz. Celui-ci va alors agir comme un filtre etamplifier cette fréquence en atténuant les autres.Le facteur de qualité d'un quartz représente cette capacité à filtrer très précisément cettefréquence 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 et106, la qualité maximum étant estimée à Q = 1.6 x 107/f, avec f la fréquence de résonanceen MHz.

Oscillateurs compensés Les conditions réelles de température, d'humidité, de pression et de vibration vontinfluencer la fréquence de résonance, des oscillateurs à quartz ont donc été créés pourcompenser cela : •  TCXO•  MCXO•  OCXOCes composants, particulièrement les OCXO, ont une stabilité à court terme excellente, ilssont seulement limités par le bruit induit par les composants actifs de l'oscillateur. À longterme la stabilité est dégradée par le vieillissement du quartz.Ces limitations ne permettent pas de dépasser une précision de 10−10 fois la fréquencenominale. Pour cette raison, les applications nécessitant précision et stabilité à long termeutilisent des horloges atomiques.Bien que les quartz soient fabriqués « sur mesure », dans les limites technologiques, il estcourant pour les concepteurs de circuits électroniques d'utiliser des oscillateursstandardisés, et de synthétiser la fréquence de travail à l'aide de diviseurs, demultiplicateurs de fréquence, ou de PLL. Cela permet également de n'utiliser qu'une sourced'oscillation pour générer plusieurs fréquences, et ainsi éviter les phénomènes demétastabilité potentiellement générés dans des circuits numériques multi-horloges.

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Résonance série/ parallèle Un quartz peut osciller à sa fréquence série ou parallèle. La fréquence série est quelqueskHz en dessous de la fréquence parallèle. Les quartz de moins de 30 MHz utilisentgénéralement la fréquence parallèle, ce qui signifie que l'impédance du quartz apparaîtcomme 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 lacapacité équivalente du circuit actif soit celle spécifiée par le constructeur.Les quartz au-delà de 30 MHz (jusqu’à 200 MHz) utilisent la résonance série, avec uneimpédance minimale égale à la résistance série. Pour cette raison la résistance série estspécifiée (<100 Ω), contrairement à la capacité parallèle. Pour des fréquences supérieures,les quartz sont stabilisés autour d'une de leurs harmoniques (fondamentale, 3e, 5e, voire 7e

harmonique). Cette sélection est généralement faite par des circuits LC additionnels.

Fréquences non désiréesPour les quartz utilisant la résonance série et à certains points de température, desréponses non désirées peuvent être observées. Elles sont généralement de quelques kHz endessous de la fréquence désirée. Cela peut apparaître même si la résistance série estsupérieure à celle de la fréquence de base. Ce phénomène est généralement évité parl'utilisation de circuits d'oscillation à faible impédance pour augmenter la différence derésistance série et stabiliser le quartz sur la fréquence de base.

NotationSur les schémas électriques, les quartz sont désignés par la lettre « Y » (Y1, Y2, etc.), tandisque les oscillateurs utilisent la lettre « G » (G1, G2, etc.)[3] . Occasionnellement, on peuttrouver la désignation « X » ou « XTAL », ainsi que « XO » pour un oscillateur. Néanmoinsces lettres ne sont plus usitées.

Applications Les quartz sont conçus pour vibrer à des fréquences allant de la dizaine de kilohertz, àquelques dizaines de mégahertz. La production mondiale de quartz électroniques est dedeux milliards (2x109) chaque année. La plupart sont destinés aux montres à quartz, etpour fournir une base de temps dans les circuits électroniques. On trouve des quartz dansles équipements de test et de mesure, tels que compteurs, générateurs de signaux à bassesfréquences, oscillateurs à hautes fréquences ou oscilloscopes. Les quartz sont égalementtrès utilisés dans les systèmes de radiocommunication, pour les références de fréquences,mais aussi pour réaliser des filtres de bande étroits.

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Oscillateur à quartz Voici les différents types d'oscillateurs à quartz : •  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 Oscillator, un quartz qui peut être de la famille MCXO,

synchronisé par une horloge au rubidium, et activée occasionnellement pour économiserl'énergie.

•  TCVCXO — Temperature-Compensated Voltage-Controlled Crystal Oscillator•  TCXO — Temperature-Compensated Crystal Oscillator•  TSXO — Temperature-Sensing Crystal Oscillator, une variante du TCXO•  VCXO — Voltage-Controlled Crystal Oscillator•  DTCXO — Digital Temperature Compensated Crystal Oscillator, le même principe que le

MCXO

Filtre à quartz Les quartz permettent de réaliser des filtres avec un facteur de qualité élevé. Ce facteurpeut devenir un inconvénient quand le quartz continue à vibrer alors qu'on ne le souhaitepas, car cela déforme le signal d'origine.

Capteur à quartz Certains capteurs exploitent la stabilité du quartz pour détecter l'évaporation de composéschimiques (microbalance à quartz). Le principe est de détecter la variation de fréquence duquartz en oscillation causée par le dépôt du composé en cours d'évaporation.

Bibliographie •  Edouard Cliquet, Montages de petite puissance sur ondes courtes, Tome 1, Éditions

Technique & Vulgarisation, Paris 1947

Notes [1]  Larousse du XXe siècle en six volumes[2]  Van Dyke "The electric network equivalent of piezoelectric resonator" Phys. Rev.

vol.25, p. 895, 1925.[3]  IEEE Std 315-1975, ou ANSI Y32.2-1975•  (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu d’une traduction de l’article de

Wikipédia en anglais intitulé « oscillator Crystal oscillator (http:/ / en. wikipedia. org/ wiki/Crystal) ».