Brevet FR2501435A1 — publié le 19820910

OSCILLATEUR A ELEMENT PIEZOELECTRIQI;E DU TYPE CLAPP La présente invention se rapporte à un oscillateùr à élément piézoélectrique, du type CLAPP. Dans certaines applications des oscillateurs à élément piézoélectrique, il faut obtenir, en plus d'une très bonne stabilité en fréquence, une grande pureté spectrale du signal produit par ces oscillateurs. La pureté spectrale est directement fonction de la nature des éléments du circuit oscillateur et de l'amplitude du signal délivré par l'oscillateur. La stabilité, et en particulier celle à court terme, est directement fonction de la surtension en charge de l'élément piézoélectrique de l'oscillateur. Quel que soit le type d'oscillateur utilisé, l'élément piézoélectrique subit l'influence de l'impédance d'entrée etlou de l'impédance de sortie du transistor amplificateur constituant l'élément actif de l'oscillateur. Cette influence peut être assimilée à la mise en série avec l'élément piézoélectrique d'éléments réactifs non purs qui dégradent la surtension à vide de cet élément piézoélectrique.De plus, ces éléments réactifs sont sensibles aux fluctuations de la tension d'alimentation du transistor amplificateur, et aux fluctuations de la température et de la charge représentée par l'impédance d'entrée de l'amplificateur branché à la sortie de l'oscillateur, cette dernière impédance d'entrée étant ellemême sensible aux fluctuations précitées. Les fluctuations précitées ont une influence beaucoup plus faible dans un oscillateur entièrement apériodique que dans un oscillateur accordé. L'oscillateur CLAPP est le type d'oscillateur apériodique le plus souvent employé. Cependant, dans ce type d'oscillateur, l'impédance d'entrée du transistor, venant en parallèle sur le condensateur branché entre l'émetteur et la base de ce transistor, n'est jamais très élevée ni purement ohmique. L'effet de cette impédance peut être assimilé à celui d'une impédance en série avec l'élément piézoélectrique. En outre, l'impédance d'entrée du circuit d'utilisation branché en aval de l'oscil lateur et généralement relié à ce dernier par un condensateur produit des effets analogues à ceux de ladite impédance d'entrée du transistor de l'oscillateur.Il en résulte une diminution sensible de la surtension en charge de l'élément piézoélectrique, et par voie de conséquence une dégradation de la stabilité à court terme de ltoscillateur. De plus, dans la mesure où ces impédances ne sont pas stables dans le temps, insensibles aux fluctuations de la tension d'alimentation de la température ou aux variations de la charge de sortie de l'oscillateur, la stabilité à moyen et long terme et la pureté spectrale du signal de l'oscillateur sont détériorées. La présente invention a pour objet un oscillateur à élément piézoélectrique, du type CLAPP, dont la stabilité à court et à long terme, ainsi que la pureté spectrale, soient améliorées par rapport à celles des oscillateurs connus. L'oscillateur de type CLAPP conforme à la présente invention comporte, entre l'émetteur de son transistor et le point commun des deux éléments réactifs reliés en série à sa base, un élément réactif supplémentaire de même nature dont l'impédance est supérieure à celle de chacun des deux éléments réactifs précités. De préférence, l'impédance dudit élément réactif supplémentaire a la valeur la plus élevée possible juste suffisante pour permettre l'entre tien des oscillations de l'élément piézoélectrique. Selon une autre caractéristique de l'invention, on branche sur l'électrode de sortie du transistor oscillateur un pont diviseur réactif à la sortie duquel est disponible le signal de l'oscillateur. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, tous les éléments réactifs précités sont des condensateurs. Selon une variante, tous les éléments réactifs précités sont des inductances. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure I est le schéma d'un oscillateur de type CLAPP de l'art antérieur, - la figure 2 est le schéma de principe d'un mode de réalisation préféré d'un oscillateur conforme à l'invention, - les figures 3 et 4 sont des schémas de variantes, conformes à l'invention, de l'oscillateur de la figure 5 et - la figure S est le schéma détaillé d'un oscillateur semblable à celui de la figure 2 et suivi d'un amplificateur; On a représenté sur la figure 1 le schéma d'un oscillateur de type CLAPP de l'art antérieur. Cet oscillateur comporte un transistor 1 dont le collecteur est directement relié à une borne 2 recevant une tension d'alimentation appropriée.L'émetteur du transistor I est relié à la masse par une résistance 3, et sa base est reliée d'une part à la borne 2 par une résitance 4, et d'autre part à la masse par un circuit parallèle à trois branches. Une première branche comporte une résistance 5, une autre branche comporte deux condensateurs en série, respectivement référencés 6 et 7, et la dernière branche comporte un élément piézoélectrique 8, qui est en général un simple quartz, en série avec un élément 9 présentant une capacité variable, en général une varicap. Le point commun des condensateurs 6 et 7 est relié par un autre conderr sateur 10 à une borne de sortie Il sur laquelle est disponible le signal de sortie de cet oscillateur. Le fonctionnement de l'oscillateur décrit cidessus est bien connu en soi et ne sera pas rappelé ici. Les inconvénients de cet oscillateur ont été cités ci-dessu & On notera seulement que pour obtenir de l'oscillateur un signal le plus pur possible du point de vue spectral, il est nécessaire que cet oscillateur fournisse un signal de sortie de grande amplitude et que l'élément piézoélectrique reçoie une puissance d'excitation la plus faible possible. On a représenté sur la figure 2 le schéma de principe de l'oscillateur conforme à l'invention. Sur cette figure, les mêmes éléments que ceux de l'oscillateur de la figure 1 sont affectés des mêmes références numériques, à savoir les éléments 1 à 9. Selon l'invention, le point commun des condensateurs 6 et 7 est relié à l'émetteur du transistor 1 non pas directement, mais par l'intermédiaire d'un condensateur 12. En parallèle sur la résistance 3, on branche un circuit série se composant de deux condensateurs 13 et 14. Le point commun des condensateurs 13 et 14 est relié à une borne 15 qui est la borne de sortie de cet oscillateur. Le condensateur 12 permet de régler à une valeur assez faible, qui peut même être juste suffisante à l'entretien des oscillations, la puissance d'excitation de l'élément piézoélectrique. Cette valeur limite varie, pour les quartz, de quelques microwatts à quelques dizaines de microwatts. En outre, du fait que Pon utilise un condensateur pour coupler la sortie du transistor 1 à son entrée, on n'introduit qu'une réactance pure dans le circuit oscillateur, et on évite ainsi la dégradation du facteur de surtension en charge de l'élément piézoélectrique 8. Les condensateurs 13 et 14 découplent la résistance 3 et forment un pont diviseur capacitif à la sortie du transistor 1. En agissant sur le rapport des valeurs des condensateurs 13 et 14, on peut facilement adapter l'impédance de sortie du transistor 1 à l'impédance de la charge branchée entre la borne 15 et la masse. Le signal oscillatoire obtenu sur la borne 15 est d'amplitude relativement faible du fait qu'il est prélevé sur l'émetteur du transistor 1. Dans certains cas, on peut avoir besoin d'un signal d'amplitude plus élevée sans avoir à ajouter un étage amplificateur. On peut alors avoir recours au montage de la figure 3 qui diffère de celui de la figure 2 en ce que l'on prélève le signal sur le collecteur du transistor 1. Dans le montage de la figure 3, les éléments 1 à 12 sont identiques à ceux du montage de la figure 2 et branchés de la même façon. Par contre, dans le montage de la figure 3, un condensateur de découplage 16, dont la valeur peut être égale à la valeur équivalente des condensateurs 13 et 14 considérés en série, est branché en parallèle sur la résistance 3. En outre, une résistance 17 est insérée entre le collecteur du transistor 1 et la borne 2. Le collecteur du transistor 1 est relié par un condensateur 18 à une borne 19. La valeur de la résistance 17 est choisie pour s'adapter au mieux à l'impédance de la charge branchée entre la borne 19 et la masse. Le montage de la figure 3 permet d'obtenir un signal de niveau plus élevé que celui de la figure 2, mais il est légèrement plus sensible aux différentes variations ou fluctuations citées ci-dessus. On a représenté sur la figure 4 le schéma d'une variante du circuit de la figure 3 dans laquelle la résistance 17 du circuit de la figure 3 a été remplacée par une inductance 20. Le signal oscillatoire est également prélevé sur le collecteur du transistor I à l'aide d'un condensateur 21 relié à une borne de sortie 22. Un condensateur 23 relie la borne 22 à la masse. L'inductance 20 forme avec les condensateurs 21 et 23 un circuit oscillant que l'on accorde sur la fréquence d'oscillation déterminée par l'élément piézoélectrique 8 et ses circuits associés. Les valeurs des condensateurs 21 et 23 sont déterminées, comme dans le cas du circuit de la figure 2, pour obtenir une adaptation optimale de l'impédance de sortie du circuit oscillant à l'impédance de la charge. On a représenté sur la figure 5 le schéma détaillé d'un circuit oscillant tel que celui de la figure 2, suivi d'un étage amplificateur. Sur la schéma de la figure S, on a détaillé la réalisation de l'élément 9 à capacité variable. Cet élément 9 comporte une varicap 24 en série avec un condensateur d'isolement galvanique 25. Chacune des deux électrodes de la varicap 24 est reliée par une résistance 26, 27 à une borne 28, 29, respectivement. Les bornes 28 et 29 sont reliées à un circuit de commande de fréquence (non représenté). Ce circuit de commande peut être tout circuit connu manuel et/ou automatique permettant de faire varier la tension aux bornes de la varicap 24. Le collecteur du transistor I est relié à la masse par un condensateur de découplage 30. Le point commun des condensateurs 13 et 14 est relié à la base d'un transistor 31. La base du transistor 31 est reliée à la borne 2 par une résistance 32 et à la masse par une résistance 33. L'émetteur du transistor 31 est relié à la masse par une résistance 34 découplée par un condensateur 35. Le collecteur du transistor 31 est relié à une prise de l'enroulement primaire d'un transformateur approprié 36. Un condensateur d'accord 37 est branché en parallèle sur l'enroulement primaire du transformateur 36, l'une des extrémités de ce trans- formateur étant reliée à la borne 2. L'une des extrémités de l'enroulement secondaire du transformateur 36 est reliée à la masse, et l'autre extrémité est reliée par un condensateur d'isolement galvanique 38 à une borne 39 sur laquelle on recueille le signal amplifié de l'oscillateur. Dans un exemple de réalisation pour des fréquences d'oscillation d'environ 5 MHz, les valeurs des différents éléments du circuit de la figure 5 sont les suivantes: Résistances : 3 - 4 - 5 - 32 - 33 et 34 respectivement (en kilohms) 1,2 - 39 - 82 - 33 - 39 et 1,5. Condensateurs: 6 - 7 - 12 - 13 - 14 et 37 : respectivement (en picofarads): 390 - 390 - 120 - 2200 - 2200 et 180. Les condensateurs d'isolation galvanique ou de découplage (référencés 25 - 30 - 35 - 38) ont tous pour valeur 10 nF. L'enroulement primaire du transformateur 36 comprend 20 spires entre l'extrémité reliée à la borne 2 et la prise reliée au collecteur de 31, et 10 spires pour l'autre partie de cet enroulement. L'enroulement secondaire comprend 3 spires. Dans le cas de fréquences d'oscillation d'environ 20 MHz, les résistances et les condensateurs d'isolation galvanique et de découplage ont les mêmes valeurs respectives que dans le cas cité ci-dessus. Les autres condensateurs 6 - 7 - 12 - 13 - 14 - 37 ont pour valeurs respectives (en picofarads) : 220 - 220 - 120 - 470 - 47Q - 82. Le transformateur 36 comprend respectivement 6 - 3 et 1, 5 spires. Avec un circuit tel que celui dont le schéma est représenté sur la figure 5, on a pu obtenir, pour une variation de la tension d'alimentation de + 25 % autour de sa valeur nominale (7,5 volts environ), une variation de fréquence qui n'était que de + 5.10 . La dérive en fréquence, en fonction de la température, n'était que celle due au quartz utilisé. La variation de fréquence était d'environ +S.10 9 pour une variation de charge de + 50 % (dans le cas en question : 50 ohms + 25 ohms). REVENDICATIONS 1. Oscillateur à élément piézoélectrique, du type CLAPP, caractérisé par le fait qu'il comporte, entre l'émetteur de son transistor (1) et le point commun des deux éléments réactifs (6, 7) reliés en série à sa base, un élément réactif supplémentaire (12) de même nature dont l'impédance est supérieure à celle de chacun des deux éléments réactifs précités. 2. Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'impédance dudit élément réactif supplémentaire a la valeur la plus élevée possible juste suffisante pour permettre l'entretien des oscillations de l'élément piézoélectrique. 3. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'on branche sur l'électrode de sortie du transistor oscillateur un pont diviseur réactif (13, 14) à la sortie duquel (ils) est disponible le signal de l'oscillateur. 4. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que tous les éléments réactifs sont des condensateurs. 5. Oscillateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que tous les éléments réactifs précités sont des inductances. 6. Oscillateur selon la revendication 4, pour un fonctionnement à une fréquence d'environ S MHz, caractérisé par le fait que les condensateurs branchés en série sur la base du transistor oscillateur ayant chacun pour valeur 390 pF, le condensateur supplémentaire a pour valeur 120 pF, et les condensateurs dudit pont diviseur ont chacun pour valeur 2200 pF. 7. Oscillateur selon la revendication 4, pour un fonctionnement à une fréquence d'environ 20 MHz, caractérisé par le fait que les condensateurs branchés en série sur la base du transistor oscillateur ayant chacun pour valeur 220 pF, le condensateur supplémentaire a pour valeur 120 pF, et les condensateurs dudit pont diviseur ont chacun pour valeur 470 pf.