Brevet FR2544929A1 — publié le 19841026

- OSCILLATEUR A QUARTZ A FAIBLE BRUIT. L'invention se rapporte aux oscillateurs pilotés par quartz. Elle concerne plus particulièrement un oscillateur à quartz destiné à être utilisé comme référence de fréquence dans des domaines tels que ceux des télécommunications et de l'instrumentation électronique et doué d'une très bonne stabilité à court terme de sa fréquence d'oscillation (c'est-à- dire d'une pureté spectrale élevée), sans pour autant que la stabilité à long terme soit dégradée. L'oscillateur suivant l'invention est, à cet effet, agencé de manière que le bruit parasite introduit par les compo- sants électroniques qu'il comporte soit aussi réduit que possible; sans pour cela que l'on ait dû augmenter la puis- sance dissipée dans le quartz, tout au moins, au-delà d'une valeur choisie et qui reste compatible avec l'obtention d'une bonne stabilité à long terme. Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un montage caractérisé en ce qu'il comprend un organe de couplage actif excitant la résonance en mode série d'un cristal de quartz piézo-électrique proportionnellement à une tension de réaction, caractérisé en ce que ledit organe 2 - est suivi d'un transformateur multiplicateur de courant, dont l'enroulement secondaire est connecté, d'une part à un amplificateur de sortie, d'autre part à un amplificateur- écrêteur branché en dérivation sur ledit enroulement secon- daire et lui-même suivi d'un filtre passe-bande qui fournit à l'organe de couplage ladite tension de réaction. D'autres particularités, ainsi que les avantages de l'inven- tion apparaîtront clairement à la lumière de la description ci-après. Au dessin annexé: La figure 1 est le schéma d'un oscillateur conforme à un mode d'exécution préféré; et La figure 2 est un schéma simplifié, destiné à facili- ter la compréhension du fonctionnement. A la figure 1, on a représenté un cristal de quartz piézo- électrique 1 utilisé dans le mode résonance série et associé à un organe de réglage de fréquence 10 Celui-ci, symbolisé par une capacité, est en réalité constitué de un ou plusieurs condensateurs fixes et ajustables, et/ou d'une ou plusieurs diodes à capacité variable permettant un réglage électrique de la fréquence d'oscillation. Un organe de couplage actif 2 est essentiellement constitué par un transistor bipolaire 20, dont la composante alterna- tive de la tension d'émetteur suit la tension alternative de la base. Le courant oscillant du quartz traverse l'espace émetteur- collecteur pour alimenter le primaire d'un tranformateur 3. Une source de courant continu 21, constituée par exemple par une résistance de valeur élevée par rapport à la résistance dynamique du quartz, fournit le courant de polarisation moyen du transistor 20. 3- Le secondaire du transformateur 3 est chargé par une résis tance 40 et un transistor bipolaire 41, monté en configura- tion "base commune". La composante alternative du courant de collecteur de 15 est dirigée vers l'utilisation à travers un amplificateur de sortie éventuel 42 1 L'ensemble 4 (éléments 41-42) constitue un amplificateur de sortie à faible bruit et à résistance d'entrée prédéter- minée, qui délivre le signal de sortie utile du montage. Un amplificateur-écrêteur symétrique 5 est connecté en déri- vation du secondaire du transformateur Il délivre à sa sor- tie une onde de forme trapézoïdale ayant une valeur de crête à crête régulée Cet amplificateur est avantageusement dif- férentiel et constitué d'un couple de transistors 50-51 La résistance 52 qui relie les émetteurs est dimensionnée de façon à provoquer alternativement le blocage de ces transis- tors, donc à assurer l'écrêtage du courant issu du collec- teur de 50. Un filtre passe-bande de liaison 6, à faible -surtension et centré sur la fréquence d'oscillation du quartz, délivre à l'organe de couplage 2 la tension alternative nécessaire pour l'entretien de l'oscillation Il peut être constitué, comme le montre la figure 1, d'un simple réseau de Wien composé de condensateurs 60-61 et de résistances 62-63. Les courants de polarisation des différents organes actifs du montage que l'on vient de décrire sont déterminés par des réseaux convenables, de façon connue en soi Les différentes tensions nécessaires sont régulées, également de façon connue en soi, vis à vis des variations de la source d'éner- gie primaire. L'ensemble oscillateur proprement dit 1-2-3-5-6 est avanta- geusement logé dans une enceinte thermo-régulée 7 assurant une température constante choisie de préférence au voisinage de la température pour laquelle le coefficient fréquence/ température du quartz s'annule. Le fonctionnement du montage que l'on vient de décrire sera mieux compris en se référant au schéma simplifié de la figure 2. L'organe de couplage actif 2 excite la résonance en mode série du quartz, en lui appliquant une tension de réaction prélevée au secondaire du transformateur 3, amplifiée par l'amplificateur-écrêteur 5 et filtrée par le filtre passe- bande 6. La tension alternative ainsi imposée par l'organe de couplage 2 aux bornes du quartz est égale ou un peu infé- rieure à celle qui est issue du filtre 6 L'organe 2 trans- met au primaire du transformateur un courant oscillant sensiblement égal à celui qui traverse le quartz Le trans- formateur joue le rôle d'un diviseur de tension et, corréla- tivement, d'un multiplicateur de courant Le courant alter- natif qui traverse le transistor 41, est ainsi nettement supérieur au courant du quartz (en pratique, deux à quatre fois) Il en résulte que la contribution du transistor 41 au bruit engendré par le montage est minimisée Par ailleurs, comme c'est le courant du quartz qui est directement trans- mis au circuit de sortie (amplificateur 42), à travers le transistor 20, le transformateur 3 qui le multiplie, et le transistor 41, aucune source de bruit supplémentaire n'est introduite par les organes d'écrêtage ou de filtrage. Le circuit écréteur 5 d'entretien de l'oscillation est en effet monté en dérivation, si bien que son bruit propre n'est pas amplifié en dehors de la bande passante du quartz. On notera que le gain du transistor 20 est très inférieur à l'unité en dehors de cette bande, du fait de l'impédance dynamique élevée de la source 21 ou de la résistance de valeur élevée qui en tient lieu. En définitive, ce montage procure une grande pureté spec- trale, d'o une stabilité à court terme de la fréquence du montage voisine de celle du quartz lui-même Cette stabilité est obtenue sans pour cela dissiper une puissance excessive, qui nuirait à la stabilité à long terme Le niveau de puis- sance d'oscillation du montage est, en effet, parfaitement maîtrisé, car l'organe de couplage actif 2 impose aux bornes du quartz une tension alternative qui suit celle de la base du transistor 20, c'est-à-dire est égale ou un peu infé- rieure à celle qui est issue du filtre 6, lui-même alimenté par le signal régulé issu de l'amplificateur 5. Un choix judicieux des composants permettra d'optimiser les performances En particulier: le gain de courant en émetteur commun du transistor 20 sera avantageusement grand, pour minimiser le bruit dit de "répartition"; l'impédance au secondaire du transformateur 3 sera de pré- férence grande vis à vis de la résistance 40, pour rendre sans effet le bruit de tension de cette dernière; l'impédance du filtre 6 sera avantageusement aussi faible que possible. le quartz présentera avantageusement une surtension propre importante et une résistance série à la résonance supérieure à l'inverse de l'admittance d'entrée, en configu- ration "base commune", du transistor 20, de façon à ne pas réduire la surtension du quartz en charge. A titre d'exemple, un oscillateur conforme à l'invention, en imposant au quartz une puissance de 25 microwatts, délivre un signal de sortie dont le bruit de phase parasite est typiquement 164 d Bc à 1 K Hz de la fréquence principale, qui est ici de 10 M Hz. Il doit être bien compris que diverses modifications pour- ront être apportées au montage décrit et représenté, sans s'écarter de l'esprit de l'invention. En particulier, les transistors bipolaires 20, 41 et 50-51 pourraient être de polarité opposée à celle représentée, ou même remplacés par des transistors à effet de champ Le filtre 6 pourrait être constitué par un réseau plus sélectif 6 - que le réseau de Wien, en particulier dans le cas o le quartz présenterait des modes parasites d'oscillation, à des fréquences voisines de la fréquence de fonctionnement nominale, ou dans le cas o l'oscillation s'effectuerait en mode partiel de rang élevé. 7- Revendications de brevet 1 Oscillateur à quartz comprenant un organe de cou- plage actif ( 2) excitant la résonance -en mode série d'un cristal de quartz piézo-électrique ( 1) proportionnellement à une tension de réaction, caractérisé en ce que ledit-organe ( 2) est suivi d'un transformateur multiplicateur de courant ( 3), dont l'enroulement secondaire est connecté, d'une part à un amplificateur de sortie ( 4), d'autre part à un amplificateur-écrêteur ( 5) branché en dérivation sur ledit enroulement secondaire et lui-même suivi d'un filtre passe-bande ( 6) qui fournit à l'organe de couplage ( 2) ladite tension de réaction. 2 Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de couplage comprend un tran- sistor ( 20). 3 Oscillateur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'amplificateur-écrêteur est du type différentiel et comprend deux transistors agencés de façon à être alternativement bloqués. 4 Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le filtre passe-bande est un réseau de Wien ( 60-63). Oscillateur selon l'une des revendications 1-à 4, caractérisé en ce que l'amplificateur de sortie comprend un préamplificateur à transistor en configuration "base com- mune" ou "porte commune"