Brevet FR2468252A1 — publié le 19810430

La présente invention concerne un oscillateur comportant un résonateur piézoélectrique dans lequel on peut facilement commander la fréquence d'oscillation et maintenir la fréquence d'oscillation constante sur une plage de tempé- rature étendue. Dans un oscillateur à quartz, par exemple, il est nécessaire d'employer un condensateur d'ajustage pour comman- der la fréquence d'oscillation, ce qui donne une structure complexe. De plus, la fréquence d'oscillation dérive en fonction de la température, si bien qu'on ne peut utiliser l'oscillateur que dans une plage de température étroite. Même pour un oscillateur dont le taux de dérive de la fré- quence est très faible, la fréquence d'oscillation dérive d'environ i2PPM dans la plage de température allant de 5 à 350C, et hors de la plage de température ci-dessus, la fré- quence d'oscillation dérive d'une manière extrêmement forte. Un premier but de l'invention est de réaliser un oscillateur dont on puisse commander facilement la fréquence d'oscillation, sans condensateur d'ajustage. Un second but de l'invention est de réaliser un oscillateur dont la fréquence d'oscillation soit très stable, malgré la commutation d'un circuit de commutation destiné à commuter une aire d'électrode effective d'un résonateur piézoélectrique. Un troisième but de l'invention est de réaliser un oscillateur dont la fréquence d'oscillation soit compen- sée dans une plage de température étendue et qui puisse en outre être intégré en majeure partie sur 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 montre en vue de face et en vue par l'arrière un résonateur piézoélectrique correspondant à un mode de réalisation de l'invention; La figure 3 est un diagramme qui représente les caractéristiques fréquence-température d'un résonateur piézoélectrique en fonction du rapport cyclique d'impulsions de commutation; La figure 4 représente un circuit électrique qui correspond à un mode de réalisation de l'invention; Les figures 5, 6 et 7 représentent des circuits électriques qui correspondent à d'autres modes de réalisa- tion de l'invention La figure 8 représente un circuit électrique destiné à la compensation de température qui correspond à un mode de réalisation de l'invention La figure 9 est un diagramme qui représente des caractéristiques fréquence-température avant et après la compensation de température par le circuit électrique de la figure 8; La figure 10 représente un circuit électrique qui correspond à un autre mode de réalisation de l'invention La figure 11 représente une caractéristique fréquence-température d'un oscillateur en anneau du circuit de la figure 10; La figure 12 représente un circuit électrique correspondant à un autre mode de réalisation de l'invention La figure 13 représente en vue de face et en vue par l'arrière un résonateur piézoélectrique qui correspond à un autre mode de réalisation de l'invention; La figure 14 représente uni circuit électrique qui est destiné à la compensation de température du résonateur piézoélectrique de la figure 13; et La figure 15 est un diagramme qui représente des caractéristiques fréquence- température avant et après la compensation de température par le circuit de la figure 14. En considérant les figures 1 et 2, on voit qu'une électrode E est formée sur une face d'un oscillateur à quartz A et que des électrodes E2, E3 sont formées sur une autre face. L'électrode E1 est connectée à un condensateur de charge C1, l'électrode E3 est connectée au condensateur de charge C2 et l'électrode E2 est connectée à un condensa- teur de charge C2, par l'intermédiaire d'un circuit de commutation S. Un inverseur V1 et une résistance R1 sont connectés entre les condensateurs de charge C1 et C2. Dans le circuit ci-dessus, lorsque le rapport cyclique tp des impulsions de commutation est égal à 1, le circuit de commutation S est maintenu à l'état conducteur si bien que les électrodes E2 et E3 sont connectées. Dans l'état ci-dessus, la fréquence d'oscillation à la températu- re ambiante f1 est prédéterminée de façon à être inférieure à la fréquence désirée fO, comme le montre une courbe l1 qui est représentée sur la figure 3. Lorsque le rapport cyclique tp des impulsions de commutation est 0, le circuit de commutation S est maintenu à l'état bloqué si bien que l'électrode E2 est déconnectée. Dans cet état, la fréquence d'oscillation à la température ambiante f2 est prédéterminée de façon à être supérieure à la fréquence désirée fo, comme le montre une courbe 12 qui est représentée sur la figure 3. La connexion des électrodes E2 et E3 est ensuite commandée par l'application d'impulsions P sur la borne a du circuit de commutation S. Ainsi, l'aire d'électrode effective de l'oscillateur à quartz A est commutée et on peut commander la fréquence d'oscillation par le rapport cyclique des impulsions P. Par exemple, lorsque le rapport cyclique fixé tP est de 1/2, la fréquence d'oscillation à la température ambiante est commandée de façon à correspon- dre à la fréquence f3 qui est comprise entre les fréquences f1 et f2, comme le montre une courbe 13 qui est représentée sur la figure 3. De plus, en fixant approximativement à 3/4 le rapport cyclique tp, la fréquence d'oscillation à la température ambiante est réglée à la fréquence désirée f09 comme le montre une courbe 14 qui est représentée sur la figure 3. On notera que la constante de temps r' des élé- ments passifs de l'oscillateur s'exprime de la manière sui- vante ré - 2Q/uio (avec Q = valeur du Q de l'oscillateur à quartz, et 0 = 21lf, en désignant par f la fréquence d'oscillation). Ainsi, en prédéterminant la fréquence fp des impulsions de commutation P de façon qu'elle soit extrême- ment supérieure à l/lc (fp.l/rc), la fréquence fp est négligeable dans le spectre de la fréquence d'oscillation de l'oscillateur à quartz. Ainsi, le circuit de commutation ne dégrade pas la stabilité de la fréquence d'oscillation de l'oscillateur à quartz A. 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 du Q est d'environ 3 x 105 à x 105, en prédéterminant la fréquence fp des impulsions P de façon qu'elle soit d'environ 10 kHz, cette fréquence fp n'influe pas sur la fréquence d'oscillation mais le rapport cyclique des impulsions P commande la fréquence d'oscilla- tion. On peut donc régler la fréquence d'oscillation par le rapport cyclique des impulsions, sans perte de la stabilité de la fréquence d'oscillation. La figure 4 montre le circuit qui permet de fixer le rapport cyclique des impulsions P. Un diviseur de fré- quence D divise la fréquence d'oscillation et les fréquences de sortie qui apparaissent sur les bornes di, d2 représen- n tent respectivement les fractions 1/2, 1/2m (n>m) de la fréquence d'oscillation. Un circuit différentiateur T différentie la fréquence de sortie qui provient de la borne dl 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, CT qui est un compteur à K bits(K = n-m). Une porte G reçoit les impul- sions qui proviennent de la borne e et les impulsions qui proviennent de la borne d2 traversent la porte G. Un commu- tateur numérique DS permet de fixer la valeur désirée et cette valeur est enregistrée dans une mémoire non volatile M. On va maintenant décrire le fonctionnement des circuits ci-dessous. Sous l'effet de l'impulsion qui pro- vient du circuit différentiateur T, la valeur enregistrée dans. la mémoire M est prépositionnée dans le compteur en sens décroissant CT. De ce fait, la borne e passe à un niveau logique "1"' (qu'on appellera simplement ci-après "'1"), si bien que les impulsions qui proviennent de la borne d2 traversent la porte G et sont appliquées au compteur en sens décroissant CT. En outre, la borne e passe à "0" lorsque le compteur en sens décroissant CT a compté la valeur désirée. Le contenu de la mémoire M est ensuite prépositionné à nou- veau dans le compteur en sens décroissant CT par une impul- sion suivante provenant de la borne d1 et le fonctionnement indiqué ci-dessus se répète. Il apparait ainsi sur la borne d1 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. L'aire d'électrode effective est donc commutée, c'est-à-dire que la fréquence d'oscillation est réglée. Dans le circuit de la figure 4, on peut intégrer les éléments autres que le commutateur numérique DS, les condensateurs C1, C2 et l'oscillateur à quartz, et il n'est pas nécessaire d'utiliser un condensateur d'ajustage, ce qui améliore la stabilité de la fréquence d'oscillation. Les figures 5 à 7 représentent d'autres modes de réalisation permettant de commuter l'aire d'électrode effec- tive, et leur fonctionnement et leur action sont identiques à ceux du mode de réalisation décrit ci-dessus. Sur la figure 5, lorsque le circuit de commutation S devient con- ducteur, les électrodes E1, E2 et E3 constituent l'électrode effective. Sur les figures 6 et 7, l'aire d'électrode effec- tive est commutée par la commutation de l'électrode E1. On va maintenant expliquer un mode de réalisation de la compensation en température. Sur la figure 8, la température est convertie en tension par une thermistance Th et une résistance R2, et la tension obtenue est appliquée à des circuits de comparaison CM1... CMr* Les bornes P1... Pr des circuits de comparai- son CM1... CMr sont prédéterminées de façon à correspondre à des tensions différentielles respectives. Les signaux de sortie des circuits de comparaison CM1... CMr sont conver- tis par un codeur E en données codées en binaire et les données sont appliquées au compteur en sens décroissant CT. On prépositionne ainsi dans le compteur en sens décroissant CT les données qui correspondent à la tempéra- ture, c'est-à-dire qu'on fixe le rapport cyclique des impulsions destinées à commuter le circuit de commutation S. La commutation du circuit de commutation S est donc comman- dée conformément à la température et l'aire d'électrode effective est commutée, ce qui compense la fréquence d'oscil- lation pour donner une courbe en dents de scie 15 qui est représentée sur la figure 9. On peut donc maintenir le taux de la dérive de la fréquence à une valeur inférieure à +iPPM sur une plage de température très étendue allant de -300C à +700C. On va maintenant considérer la figure 10 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 sor- tie est appliquée à un mélangeur MR. Un convertisseur de données DT reçoit une fréquence de différence entre la fré- quence de sortie de l'oscillateur en anneau RG, et la fré- quence qui provient d'une borne d3. La caractéristique fréquencetempérature de l'oscillateur en anneau est presque linéaire, comme le montre la figure 11. Sur la figure 11, l'axe vertical correspond au taux de dérive de la fréquence tf/f25oC (avec f250C =fréquence d'oscillation à 250C; Tf = f 250C T fC - fréquence d'oscillation à TOC). Du fait que la fréquence d'oscillation de l'oscil- lateur en anneau RG dérive selon une fonction linéaire de la température, la fréquence de sortie du mélangeur MR varie en fonction de la température. Cette fréquence est convertie par le convertisseur de données DT en données codées en binaire et les données sont ensuite appliquées au compteur en sens décroissant CT. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur à quartz A est ainsi compensée, comme le montre la figure 9. Le circuit peut en outre être intégré sur une puce de cir- cuit intégré CMOS, à l'exception de l'oscillateur à quartz A et des condensateurs Ci, C2. La figure 12 représente un autre mode de réalisa- tion. Un circuit de comptage de fréquence FC compte la fré- quence d'oscillation d'un oscillateur OS, de type RC, qui est équipé d'une thermistance, et le contenu de ce circuit de comptage est converti par le convertisseur de données DT en données codées en binaire. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur OS, de type RC, dérive en fonction de la tem- pérature, si bien que les données qui proviennent du con- vertisseur de données varient en fonction de la température. On va maintenant expliquer un mode de réalisation qui utilise un oscillateur à quartz B semblable à un diapa- son, représenté sur la figure 13, dont la caractéristique fréquence-température est une courbe du quatrième degré. Des électrodes F1, F2 et F3 sont formées sur une face de l'oscillateur à quartz B et une électrode F4 est formée sur une autre face. Comme le montre la figure 14, l'électrode F3 est commutée par le circuit de commutation S. On prédétermine ensuite les caractéristiques de façon que la fréquence maxi- male d'oscillation soit inférieure à la fréquence désirée fO9 comme le montre une courbe 16 représentée sur la figure 15, lorsque le circuit de commutation S est maintenu à l'état conducteur. On prédétermine en outre les caractéris- tiques de façon que la fréquence d'oscillation soit supé- rieure à la fréquence désirée fo, dans la plage de tempéra- ture de compensation, comme le montre une courbe 17 qui est représentée sur la figure 15, lorsque le circuit de commu- tation est maintenu bloqué. La fréquence d'oscillation de l'oscillateur OS, de type RC, et la fréquence de sortie qui provient de la borne d3 sont appliquées au mélangeur MR et la fréquence de différence est convertie par le convertisseur de données DT en données codées en binaire. On prédétermine la fréquence d'oscillation de l'oscillateur OS, de type RC, de façon qu'elle coïncide avec la fréquence provenant de la borne d3 à 250C, c'està-dire sur l'axe de symétrie de la courbe du quatrième degré 13 qui est représentée sur la figure 15. Ainsi, la fréquence de différence qui provient du mélangeur MR est égale à O à 250C et elle dérive de manière symétrique en fonction de l'augmentation et de la diminution de la tem- pérature. On peut donc compenser la caractéristique fréquen- ce-température à mieux que 1PPM sur une plage de tempéra- ture très étendue, ce qui donne une courbe en dents de scie 18. Conformément à l'invention qu'on vient de décrire, on commute l'aire d'électrode effective au moyen d'impul- sions de commutation ayant un rapport cyclique fixé. On peut donc régler la fréquence d'oscillation en commandant le rapport cyclique des impulsions de commutation, il n'est pas nécessaire d'employer un condensateur d'ajustage et la sta- bilité de fréquence est améliorée. t En outre, du fait que les impulsions de commuta- tion sont produites à partir d'un diviseur de fréquence qui divise la fréquence d'oscillation, ni la fréquence d'oscil- lation ni les impulsions de commutation ne sont 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 sur une plage de température étendue. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Oscillateur caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions qui produit des impulsions ayant un rapport cyclique fixé, et un circuit de commutation qui commute au moyen de ces impulsions une aire d'électrode effective d'un résonateur piézoélectrique. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le générateur d'impulsions comporte un divi- seur de fréquence qui divise la fréquence de sortie du résonateur piézoélectrique, et un circuit de commande qui commande la largeur des impulsions de sortie de ce diviseur de fréquence. 3. Oscillateur, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'impulsions qui produit des impulsions dont le rapport cyclique varie en fonction de la température, et un circuit de commutation qui commute au moyen de ces impulsions une aire d'électrode effective d'un résonateur piézoélectrique. 4. Oscillateur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le générateur d'impulsions comporte un oscillateur en anneau qui est constitué par un nombre impair d'inverseurs CMOS connectés en cercle, un diviseur de fré- quence 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. 5. Oscillateur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le générateur d'impulsions comporte un oscillateur RC équipé d'une thermistance, un diviseur de fréquence qui divise la fréquence d'oscillation du résona- teur 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 RC.