Brevet FR2542929A1 — publié le 19840921

CIRCUIT RESONANT POUR L'EXTRACTION D'OSCILLATIONS A FREQUENCE D'HORLOGE La présente invention a pour objet un circuit résonant pour l'ex- traction à partir d'un flux de données (par exemple un code de modulation par impulsion P C M) d'oscillations à fréquence d'horloge, ce circuit garantissant un bon niveau de performances en ce qui concerne la sélectivité en fréquence et la stabilité vis-à-vis des variations des conditions ambiantes et en particulier de la température Le circuit résonant selon l'invention consiste en un élément de ligne en court- circuit sur un substrat de quartz Dans le système complet d'extraction, ce circuit est précédé par un circuit d'entrée du flux de données et est suivi par un circuit de sortie d'amplification du signal issu du circuit résonant. Il est bien connu qu'un élément de ligne de transmission fermé en court-circuit a des caractéristiques de résonance et constitue, par conséquent, un circuit de filtre passe-bande vis-à-vis de la composante de signal qui se présente à l'entrée à la fréquence fo, correspondant à la longueur d'onde "x" égale à quatre fois la longueur "'" dudit élément ou segment de ligne En d'autres termes, les oscillations filtrées par le résonateur ou circuit résonant avec une longueur de lignes de " 1 " battent à la fréquence: fo = Vp/x = Vp/4 1, o: Vp est la vitesse de propagation des ondes électromagnétiques trans- mises par la ligne qui dépend essentiellement du matériau utilisé comme substrat diélectrique. A l'inverse, quant on désire que le segment de ligne permette l'extrac- tion d'une composante ayant la fréquence fo, sa longueur " 1 " doit être égale à: 1 = Vp/4 fo En pratique, ces propriétés peuvent être utilisées quand elles ne mettent pas en jeu de valeurs trop élevées de " 1 ", c'est- a-dire quand fo est très élevée; en fait, l'usage de ligne résonante est jusqu'à ce jour limité au domaine des micro-ondes c'est-à-dire dans les très hautes fréquences correspondant aux très courtes longueurs d'ondes. Cependant, il existe des systèmes de transmission de données du type P.C M qui travaillent dans des gammes de fréquence correspondant aux longueurs d'ondes situées bien au-dessous des longueurs des micro-ondes et ces systèmes sont de plus en plus utilisés; l'extraction des signaux d'horloge (ou de temporisation) doit donc être habituellement effectuée en employant des circuits résonateurs du type LC à composants concentrés et, éventuellement, avec des inductances L réparties-(bobines en forme spirale) Ces résonateurs classiques présentent différents inconvénients parmi lesquels on peut mentionner ceux causés par la faible sélectivité due aux facteurs de qualité Q limités des composants, et par le rayon- nement de signaux dans l'air principalement lorsqu'ils travaillent à fréquences assez élevées (mais néanmoins nettement en-dessous des fré- quences dé micro-ondes) telles que la fréquence utilisée dans un système de ligne à 565 Mbit/s. Un premier objet de la présente invention est un circuit résonant pour l'extraction des oscillations à fréquence d'horloge ou de tempori- sation bien inférieure aux fréquences du domaine des micro-ondes consis- tant en un élément ou segment de ligne de longueur réduite à des valeurs acceptables. Un autre objet de l'invention est un circuit résonant à segment de ligne de longueur acceptable pour l'extraction des fréquences élevées (mais de longueur inférieure à celle des micro-ondes) qui ne présente pas les inconvénients des résonateurs classiques et, plus particulière- ment, qui ait un facteur de qualité Q élevé et de ce fait de hautes caractéristiques de sélectivité. Un autre objet de l'invention est un circuit résonant du type précisé cidessus, c'est-à-dire avec un segment de ligne appliqué sur un substrat diélectrique de façon à obtenir avec une longueur réduite de segment de ligne, non seulement un facteur Q et en conséquence une sélec- tivité élevés mais également une grande stabilité dans les performances vis-à-vis des variations des conditions ambiantes et en particulier de la température. Ces objets et d'autres encore sont atteints grâce au circuit résonant conforme à la présente invention, caractérisé par le fait qu'il 254292 9 consiste en un segment de ligne en forme de ruban qui est ouvert à une extrémité et fermé en court-circuit à l'autre extrémité et qui présente une longueur réduite dans des limites acceptables et qui est appliqué sur un substrat-de quartz De préférence, le substrat est une plaquette de forme parallélipipédique ayant une épaisseur "h": la ligne en forme de ruban est appliquée sur l'une des faces principales externes tandis qu'une couche de métallisation est appliquée sur l'autre face princi- pale. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'in- vention, le ruban s'étend le long de l'axe longitudinal le plus long de la face externe de la plaquette et son extrémité libre est proche de et parallèle à l'un des bords externes de ladite face, l'autre extrémité s'étendant jusqu'au bord transversal opposé d'o il continue sur toute l'épaisseur de la plaque pour être connecté à la couche de métallisation de l'autre face principale. Selon un autre aspect de l'invention, la face principale dudit ruban comprend deux segments conducteurs qui sont orthogonaux à l'axe du ruban, sont décalés le long dudit axe l'un par rapport à l'autre et s'étendent chacun depuis le ruban sur un bord différent longitudinal de ladite face principale qui les supporte, le signal d'entrée étant appli- qué sur un premier bord longitudinal entre l'extrémité libre de l'un desdits segments et la métallisation sous-jacente, le signal de sortie étant prélevé sur le second bord longitudinal opposé entre l'extrémité libre du second segment conducteur et la couche de métallisation-sous- jacente. Selon une forme d'exécution particulièrement avantageuse, la ligne est constituée par des segments parallèles raccordés entre eux, la distance entre les segments les plus proches étant telle qu'elle évite des couplages, les circuits d'entrée-et de sortie étant constitués par deux rubans etroits. Les divers aspects et avantages de l'invention apparaîtront mieux de la description de différentes formes de réalisation préférées et non- limitatives telles que représentées à titre essentiellement illustratif dans les dessins joints, o: la figure 1 est un schéma synoptique du système d'extraction; la figure 2 est une vue schématique partielle et en perspective d'un circuit résonant selon l'invention; et la figure 3 est une vue également partielle, schématique et en perspective d'une forme de réalisation particulière- ment avantageuse du circuit de la figure 2. En se référant au schéma de la figure 1, le système d'extraction comprend dans son ensemble un circuit d'entrée ( 1) pour le flux de don- nées (FD) arrivant dont on veut extraire le signal à la fréquence de bit voulu, le circuit résonant (CR) lui-même et un circuit de sortie (U) du signal de sortie extrait (SE), dont on amplifie de préférence l'amplitude au niveau voulu au-dessus de la valeur dé l'impédance en aval (non représentée). Tandis que les circuits d'entrée ( 1) et de sortie (U) peuvent être classiques, le circuit résonant (CR) selon l'invention est consti- tué (figure 2) d'un substrat diélectrique (SQ) sur lequel est fixé une ligne (LS) en court-circuit Selon un premier aspect de l'invention, le substrat (SQ) (défini par deux faces-principales orthogonales au plan du dessin respectivement supérieure 10 et inférieure 10 ' et par quatre faces latérales moins importantes 11-11 ' et 12-12 '), présente une ligne (électriquement conductrice) en forme de ruban (LS) qui se développe sur une longueur " 1 " sur la face principale supérieure 10 en s'étendant depuis son extrémité libre (EA) jusqu'à son extrémité (EC) sur l'arête entre les faces 10 et il'; l'extrémité (EC) est en court-circuit par le segment (ECC) sur la face Il' avec la couche de métallisation inférieure (ME) sur la face principale inférieure 10 ' Le signal d'entrée (FD) est. appliqué entre 1 et 2, o 1 est un second ruban extrêmement étroit de métallisation (MI) appliqué sur la face supérieure, de façon analogue, le signal de sortie (U) est prélevé entre 3 et 4. S'il l'on tient compte du fait que le facteur de qualité Q d'un résonateur réalisé sous forme d'une ligne (CR selon la figure 2) croit de façon idéale, de façon approximativement proportionnelle à la racine carré de la fréquence, on voit que l'on peut obtenir ainsi avec une fré- quence de travail élevée des caractéristiques de sélectivité améliorées par rapport à celles des circuits résonants traditionnels; les limita- tions des valeurs théoriques dépendent essentiellement de la manière par laquelle le résonateur est relié aux circuits d'entrée et de sortie comme c'est habituellement le cas dans tous les types de circuits réso- nants Les dimensions réduites (largeur "W", longueur " 1 ") du segment de ligne (LS) à des valeurs acceptables et la stabilité des performances du système sont obtenues grâce à une heureuse sélection du matériau du substrat (SQ) en fonction de la stabilité de sa constante diélectrique vis-à-vis de la température et de ses coefficients mécaniques de dilata- tion thermique. Si le substrat sélectionné (SQ) est caractérisé par une valeur de perte diélectrique basse, on assure une valeur optimale du facteur de qualité Q du résonateur Enfin, dépendra du choix du matériau du sub- strat, et du type de technique à utiliser pour le dépôt de métallisation (ME) sur ledit substrat Par exemple, dans l'application particulière à l'extraction de signaux d'horloge d'un flux de données PCM à 565 Mbit/s, l'utilisation pour le substrat (SQ) d'alumine (A 1203, Er 10,1, Tg 6 = 10) ou de GIO("verre époxy", 4 r = 4,4 Tg 6 = 80 x 10), n'a plus été prise en considération du fait que même si lesdits matériaux permettent d'obtenir des longueurs acceptables de ligne (LS), ils ne satisfont pas aux spécifications relatives à la stabilité en cas de changement de température et en ce qui concerne le niveau de sélecti- vité Il a été trouvé de façon surprenante qu'en choisissant comme maté- riau pour le substrat (SQ) le quartz amorphe caractérisé par les valeurs suivantes: constante diélectrique relative: Er= 3,826 ( 250 C) * 3,834 ( 100 C), perte diélectrique: Tg 6 = 1 x 10 coefficient de dilatation thermique: a = 0,55 x 10 6 on obtient un résultat optimal en utilisant une longueur " 1 " acceptable. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la métalli- sation (ME) est faite à l'argent déposé sur le quartz au moyen de la technique du film épais Les dimensions "w' et "h" de la ligne en forme de ruban (LS) ont été établies essentiellement en fonction du facteur de qualité Q que l'on entend atteindre une fois données les fréquences du signal à filtrer et une fois que l'on a tenu compte de la compatibilité des dimensions des plaques de quartz disponibles commercialement. Selon un mode de réalisation particulièrement intéressant dans lequel une oscillation de fréquence fo = 564,992 M Hz doit être extraite, on a trouvé de très bons résultats en choississant W = 10 mm et h = 1,2 mm. A titre indicatif, quand f décroît (jusqu'à 140 Mbit/s correspon- dant à 140 M Hz), pour maintenir le même facteur de qualité Q, par exem- ple 600, il serait nécessaire d'accroître "w" et "h" sinon on devrait se contenter d'une valeur de Q plus bas. La vitesse de propagation du signal le long de la ligne (LS), étant donné les caractéristiques physiques du substrat (SQ) et la géomé- trie de la ligne, est d'après les calculs: Vp = 0,58 c, formule dans laquelle "c" est la vitesse de propagation dans le vide. Si la longueur " 1 " égale 78 mm le facteur de qualité Q théorique calculé est égal à Q = 606. Selon la forme de réalisation la plus intéressante sur le plan pratique (figure 3), qui permet de maintenir au haut niveau possible la sélectivité du filtre autour de la fréquence intéressée, une fois que le résonateur est inséré dans le système d'extraction de la figure 1, on a trouvé avantageux de ne pas le relier directement avec les circuits d'entrée (I) et de sortie (U) mais de l'accoupler à ces derniers à tra- vers une ligne d'entrée (MI) sur la face 10, terminée en court-circuit vers la brasse (ME sur 10 ') pour la fermeture électrique du circuit d'entrée et par des rubans étroits de sortie (MU), qui sont également déposés sur le substrat de ligne (SQ) latéralement par rapport au réso- nateur et qui fonctionnent en antennes pour l'émission du signal (FD) provenant de (I) et le prélèvement du signal d'extraction (SE) du réso- nateur (CR) De cette façon, on garantit au maximum le fonctionnement du résonateur dans des conditions semblables au fonctionnement à vide (sans charge); la perte par insertion résultant de ce processus est compensée, si besoin est, par l'amplificateur subséquent de sortie (AU). En se reportant aux résultats des mesures des paramètres intéres- sants effectuées sur le système effectivement réalisé selon le schéma de la figure 1, on obtient les résultats suivants: L'élément résonateur employé est celui représenté en configuration réel- le à la figure 3. Mesures à température ambiante ( 20 'C) gain d'ensemble du système _ G = 12 d B perte par insertion du filtre 26 d B fréquence de résonance fo = 564,992 M Hz largeur de bande à -3 d B B = ( 563,952 566,022) M Hz facteur Q Q = 270 Mesures à des températures comprises entre -10 %C et + 60 'C variations de gain 1,1 d B variation totale des fréquences de résonance variations du facteur Q fo = 370 K Hz égal à 9,5 ppm/0 C Q (-10 %C) = 287 Q (+ 60 %C) = 258 En variante, le même circuit résonant peut être réalisé en utili- sant comme matériau de substrat du quartz mono-cristallin avec une cons- tante diélectrique er = 4,6. Ceci entraîne une vitesse de propagation légèrement inférieure et donc une longueur de ligne plus faible d'une quantité peu significative par rapport à la ligne réalisée en quartz amorphe Le dépôt de métal- lisation (Ml) et plus encore (ME) (dans ce cas réalisé en cuivre) néces- site l'application de la technique du film fin En pratique, les perfor- mances de ce résonateur à température ambiante coïncident avec celles-du cas précédemment cité; au contraire, la stabilité de ces performances est légèrement inférieure en cas de changement de température I - Un élément résonateur du même type que celui décrit pour l'appli- cation à 565 Mbit/s peut être utilisé également dans des systèmes qui travaillent à des fréquences plus basses, par exemple pour l'extraction de signaux d'horloge à partir d'un flux de données à 140 Mbit/s. La résonance à ces fréquences demanderait une plus grande lon- gueur de segment de ligne; en tout cas, cet accroissement de longueur peut être limité à des dimensions acceptables en compensant le segment de ligne supprimé par une capacité concentrée (non représentée) montée en parallèle avec la même ligne et ayant une valeur adéquate C. Les performances du système en ce qui concerne le facteur Q et la stabilité par rapport à la température, résultent de la géométrie de la ligne et des caractéristiques de la capacité utilisée et quand on tra- vaille à 140 Mbit/s, on a obtenu des résultats plus que satisfaisants. En revenant à la figure 3, on peut voir clairement que les dimen- sions totales du filtre sont largement réduites en donnant au ruban un développement en forme de boucle ou de crochet, par exemple en forme de G ou équivalente, avec des segments de ligne approximativement paral- lèles l'un à l'autre, à des distances minima les (l et V) sans-cou- plages appréciables. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés; elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 8 154292 ç REVENDICATIONS 1. Circuit résonant pour un système d'extraction à partir d'un flux de données, d'oscillations à' une fréquence d'horloge plus basse que la fréquence des micro-ondes, avec de bonnes performances en ce qui concerne la sélectivité de fréquence et la stabilité par rapport aux changements d'environnement en particulier de températures, caractérisé en ce qu'il consiste en un segment de ligne en forme de ruban (LS) qui est ouvert à une extrémité (EA) et fermé en court-circuit à l'autre (EC), et qui présente une longueur réduite dans des limites acceptables et est appliqué sur un substrat de quartz (SQ). 2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat (SQ) est une plaquette de forme parallélipipédique d'épaisseur "h", la ligne en forme de ruban (LS) étant appliquée sur une face prin- cipale externe ( 10) tandis qu'une couche de métallisation (ME) est appli- quée sur l'autre face principale ( 10). 3. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé en ce que le ruban (LS) court le long de l'axe longitudinal princi- pal de la face externe ( 10) de la plaquette correspondante et présente son extrémité libre (EA) au voisinage et parallèlement à l'un des bords transversaux de ladite face, l'autre extrémité (EC) atteignant le côté transversal opposé ( 11 ') depuis lequel il continue le long de toute l'épaisseur de là plaque pour entrer en relation avec la couche de métal- 1 isation (ME) sur l'autre face principale ( 10 '). 4. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé en ce que la face principale dudit ruban présente deux segments conducteurs qui sont orthogonaux à l'axe du ruban et sont décalés, l'un par rapport à l'autre, le long dudit axe et s'étendent depuis le ruban vers un bord longitu cinal différent de la face principale qui les sup- porte, le signal d'entrée étant appliqué à une première face longitudi- nale entre l'extrémité libre de l'un de ces segments et la couche de métallisation sous-jacente et le signal de sortie étant extrait de la seconde lace longitudinale opposée entre l'extrémité libre du second segment conducteur et la métallisation sous-jacente. 5. Circuit selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé par le fait que la ligne est constituée par des segments parallèles raccordés entre eux, la distance (l,l'o) entre les segments les plus proches étant telle qu'elle évite des couplages. 6. Circuit selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les circuits d'entrée (MI) et de sortie (MU)sont constitués par des rubans étroits.