Brevet FR2607985A1 — publié le 19880610

CIRCUIT OSCILLATEUR A QUARTZ La présente invention concerne de façon générale les oscillateurs à quartz, et elle porte plus particuliè- rement sur un circuit perfectionné destiné à garantir qu'un oscillateur à quartz commence à osciller et à dimi- nuer le temps que met l'oscillateur à quartz pour attein- dre son amplitude d'oscillation maximale. On utilise depuis longtemps des oscillateurs à quartz dans des dispositifs qui exigent des horloges de précision, comme des microprocesseurs ou des dispositifs analogues. Il existe cependant un problème courant associé à des oscillateurs à quartz connus, qui consiste en ce que le démarrage de leur oscillation ne se produit pas du tout ou ne se produit pas en une durée suffisamment courte pour être acceptable. De plus, des oscillateurs connus ont besoin d'une durée importante pour atteindre leur amplitu- de d'oscillation maximale après la mise en fonction de l'alimentation du circuit, ce qui impose une durée élevée pour le démarrage des dispositifs dans lesquels ils sont utilisés. En technologie MOS, on réalise de façon caracté- ristique des oscillateurs à quartz avec un circuit tel que celui représenté sur la figure 1. Un quartz 30 est connec- té en parallèle sur un inverseur CMOS à gain élevé, 32, qui est formé par un transistor à canal P, 42, et un tran- sistor à canal N, 44. Il existe des condensateurs de sta- bilisation 34 et 36 qui sont connectés à la masse et res- pectivement à l'entrée 38 et la sortie 40 de l'inverseur 32. En fonctionnement, au moment de l'application de la tension d'alimentation Vcc du circuit, le transistor 42 est conducteur, ce qui fait apparaître une tension Vs à la sortie 40 de l'inverseur. La tension Vs charge alors le condensateur 36 et fait apparaître une tension aux bornes du quartz 30, ce qui fait que celui-ci commence à osciller avec une faible amplitude. Ceci produit une tension V à e l'entrée 38 de l'inverseur et charge le condensateur 34. La tension Ve croissante déplace lentement le point de fonctionnement de l'inverseur vers sa région à gain élevé, ce qui permet une augmentation de l'amplitude des oscilla- tions du quartz. Une réaction répétée de cette manière établit aux bornes du quartz 30 une tension qui varie dans le temps, comme le montre la figure 2. L'entrée en oscillation du quartz 30 dépend de plusieurs facteurs, parmi lesquels le temps de montée et la forme de la tension d'alimentation. De plus, l'absence de bruit peut conduire à l'incapacité de l'oscillateur à démarrer. Dans la plupart des circuits, le bruit est indé- sirable. Cependant, dans le circuit de la figure 1, la présence de bruit à l'entrée de l'inverseur aide effecti- vement le circuit à démarrer. Si le quartz 30 commence à osciller, plusieurs facteurs influent sur le temps nécessaire à l'oscillateur pour atteindre des oscillations d'amplitude maximale. Ces facteurs comprennent, de façon non limitative, le gain de l'inverseur 32 et le niveau de bruit passant par l'inver- seur 32. Un amplificateur à gain élevé amplifiera davanta- ge le bruit existant pour atteindre ainsi une variation d'amplitude maximale à la sortie plus rapidement que ne le fera un inverseur à gain faible. De plus, un niveau de bruit élevé n'exigera qu'une amplification moindre pour atteindre la variation d'amplitude nécessaire pour entre- tenir l'oscillation, en comparaison avec un niveau de bruit plus faible. L'inverseur connu 32 possède une caractéristi- que de tension qui est représentée par la ligne 45 de la figure 3. La pente de cette courbe, dVs/dVe, est le gain en tension de l'inverseur. Le but souhaitable consistant à obtenir un gain maximal (et donc une durée de démarrage minimale pour l'oscillateur) peut être atteint dans l'in- verseur lorsque Vs est égale à Ve, et on peut réaliser cette condition dans le circuit en plaçant une résistance 46 en parallèle avec l'inverseur 32 pour contribuer à la charge du condensateur 34. La ligne 48 tracée sur la caractéristique de tension de la figure 3 représente la relation Ve=Vs qu'on obtient lorsque la résistance 46 est connectée en parallèle avec l'inverseur 32. La résistance 46 polarise l'inverseur de façon à le faire fonctionner au point de gain maximal 50 de la courbe 45, ce qui réduit le temps nécessaire au circuit oscillateur pour atteindre une amplitude de tension maximale. On peut minimiser la durée de démarrage du cir- cuit en chargeant le condensateur 34 aussi rapidement que possible, pour placer l'inverseur dans sa région à gain élevé. On peut effectuer ceci en choisissant une valeur aussi faible que possible pour la résistance 46, ce qui permet à la tension V de charger rapidement le condensa- teur 34. Il existait cependant dans le passé une con- trainte importante concernant la valeur minimale qu'on peut choisir pour la résistance 46. Les quartz oscillants ne transmettent de façon caractéristique que des signaux ayant des fréquences sélectionnées, et ils empêchent le passage de toutes les autres fréquences. Le concepteur doit donc tenter d'éliminer du circuit toutes les fréquen- ces non sélectionnées, de façon qu'elles ne dégradent pas le niveau du signal à la fréquence sélectionnée. Cepen- dant, lorsqu'on ajoute la résistance 46 au circuit pour obtenir un gain élevé, un chemin de réaction supplémentai- re 52 est créé entre l'entrée 38 et la sortie 40 de l'in- verseur 32, et ce chemin établit une dérivation par rap- port au quartz 30. Du bruit à des fréquences indésirables, présent à la sortie 40 de l'inverseur 32, peut ainsi se propager par ce chemin de réaction supplémentaire 52 jusqu'à l'entrée 38 de l'inverseur 32, et être amplifié, dégradant ainsi les performances globales de l'oscilla- teur. Les concepteurs ont donc sélectionné dans le passé une valeur relativement élevée pour la résistance 46, afin d'empêcher la plupart des fréquences de bruit de se propager par le chemin de réaction 52, pour éviter ainsi une dégradation des performances de l'oscillateur. Les concepteurs ont donc du rechercher précédem- ment un compromis entre le désir d'un fonctionnement exempt de bruit pendant l'oscillation, en donnant une valeur élevée à la résistance 46, et le désir d'obtenir un démarrage rapide, en donnant à la résistance une valeur faible. Le désir d'obtenir une oscillation exempte de bruit a généralement été prédominant, conduisant ainsi dans le passé à des durées de démarrage non satisfaisantes pour des circuits oscillateurs. Ainsi, outre le fait qu'ils ont quelquefois été incapables de commencer à osciller, des circuits oscilla- teurs à quartz connus réalisés dans le passé ont en outre présenté des contraintes concernant la vitesse à laquelle l'amplitude d'oscillation maximale pouvait être obtenue si l'oscillation pouvait commencer. L'invention vise à permettre un démarrage rapide et sûr d'un circuit oscillateur à quartz, sans l'inconvé- nient associé de la présence d'un bruit indésirable une fois que le démarrage a eu lieu. L'invention atteint ce but en employant un quartz connecté en parallèle sur un inverseur amplificateur comportant une entrée et une sor- tie. Des condensateurs reliés à la masse sont respective- ment connectés à l'entrée et à la sortie de l'inverseur, pour assurer la stabilité pendant le démarrage. Un premier chemin de réaction à résistance élevée est établi entre la sortie et l'entrée de l'inverseur. Un second chemin de réaction à résistance faible est également établi entre la sortie et l'entrée de l'inverseur. Des moyens de commuta- tion sont prévus pour connecter sélectivement l'inverseur au chemin à résistance faible. Pendant le fonctionnement du circuit, les moyens de commutation sont fermés pour permettre au con- densateur d'entrée de se charger rapidement jusqu'à la tension du condensateur de sortie, afin de faire fonction- ner l'inverseur dans sa région à gain élevé. Une fois que l'inverseur a atteint le gain maximal, les moyens de com- mutation s'ouvrent pour isoler l'inverseur du chemin à résistance faible, ce qui crée un saut de tension aux bor- nes de l'inverseur. Le saut de tension produit un bruit de niveau élevé qui est fortement amplifié par l'inverseur, pour aider au déclenchement de l'oscillation. En outre, le fait de déconnecter de l'inverseur le chemin à résistance faible évite la présence d'un niveau de bruit indésirable pendant l'oscillation normale. Un avantage de l'invention consiste en ce qu'elle procure un circuit oscillateur à quartz qui commence à osciller de façon sûre au moment du démarrage. Un avantage supplémentaire de l'invention con- siste en ce qu'elle procure un oscillateur à quartz qui commence à osciller de façon sure pendant le démarrage, indépendamment du temps de montée ou de la forme de la tension d'alimentation, ou de l'environnement de bruit du circuit dans lequel l'oscillateur est utilisé. Un avantage supplémentaire de l'invention con- siste en ce qu'elle procure un circuit oscillateur à quartz ayant une courte durée de démarrage. Un avantage supplémentaire de l'invention con- siste en ce qu'elle procure un circuit oscillateur à quartz ayant une courte durée de démarrage, tout en ayant un fonctionnement à faible bruit après le démarrage. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, don- nés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'un circuit oscilla- teur à quartz de l'art antérieur. La figure 2 est une représentation graphique de la tension en fonction du temps pour l'oscillateur à quartz de l'art antérieur de la figure 1, pendant le démarrage. La figure 3 est un schéma de la caractéristique de tension de l'inverseur de la figure 1. La figure 4 est un schéma du circuit de l'inven- tion. La figure 5 est une représentation graphique de la tension d'alimentation en fonction du temps dans le circuit de l'invention. La figure 6A est une représentation graphique de la tension en fonction du temps aux bornes d'un interrup- teur qui fait partie du circuit de l'invention. La figure 6B est une représentation graphique de la tension en fonction du temps pour l'oscillateur à quartz de l'invention, pendant le démarrage. La figure 7 est un schéma d'un autre mode de réalisation du circuit de l'invention. La figure 4 représente la structure de circuit fondamentale de l'oscillateur à quartz 60 de l'invention. Le circuit contient un quartz 62, un inverseur CMOS 64 connecté en parallèle sur le quartz 62 et comportant une entrée 66 et une sortie 68, un premier condensateur de stabilisation 70, connecté à la masse et à l'entrée 66 de l'inverseur 64, et un second condensateur de stabilisa- tion 72, connecté à la masse et à la sortie 68 de l'inver- 260?985 seur 64. Il existe également une résistance 74 de valeur relativement élevée qui est connectée en parallèle sur l'inverseur 64 pour former un chemin à résistance élevée entre la sortie 68 et l'entrée 66. Il existe en outre une résistance 78 de valeur relativement faible qui est con- nectée en parallèle sur l'inverseur 64 par l'intermédiaire d'un interrupteur 76, pour former un chemin à résistance faible entre la sortie 68 et l'entrée 66. Le circuit oscillateur à quartz 60 de l'inven- tion est conçu de façon à fonctionner de la manière sui- vante. Initialement, l'interrupteur 76 est fermé, ce qui connecte électriquement la résistance de faible valeur 78 à la fois à l'entrée 66 et à la sortie 68 de l'inverseur 64. Dans cette position, il existe un chemin à résistance faible par lequel la tension V peut 8tre transmise au s condensateur 70 à partir de la sortie 68 de l'inverseur, pour assurer une charge rapide au moment de la mise sous tension du circuit, c'est-à-dire au moment de l'applica- tion de la tension d'alimentation Vcc. Lorsque la tension Vcc est appliquée, un transistor à canal P, 65, de l'in- verseur 64 est conducteur, et la tension sur la sortie 68 de l'inverseur suit Vcc. Du fait que le condensateur 70 se charge rapidement, la tension Ve sur l'entrée 66 de l'in- verseur 64 s'élève rapidement jusqu'à un niveau auquel elle est approximativement égale à la tension Vs sur la sortie 68 de l'inverseur 64, c'est-à-dire jusqu'au point de gain maximal de l'inverseur 64. Le temps nécessaire pour atteindre le gain maximal de l'inverseur est donc raccourci en comparaison avec le temps qui aurait été nécessaire si seul le chemin à résistance élevée avait été disponible entre l'entrée 66 et la sortie 68 de l'inverseur 64. A l'instant ou Vs devient approximativement égale à Ve et o l'inverseur atteint la gain maximal, l'inter- rupteur 76 est commuté à l'état ouvert, ce qui produit deux effets souhaitables. Premièrement, l'ouverture sou- daine de l'interrupteur 76 crée une transition de tension entre le noeud 80 et le noeud 82 du circuit. Cette tran- sition de tension produit avantageusement un bruit de niveau élevé à l'entrée de l'inverseur 64. Ce bruit est amplifié par l'inverseur, qui fonctionne avec le gain maximal. Ceci a pour effet d'augmenter rapidement l'ampli- tude d'oscillations dans le quartz 62. On obtient donc un démarrage rapide en polarisant rapidement l'inverseur à son point à gain élevé, et en produisant un bruit à l'en- trée de l'inverseur. Le second effet souhaitable qui est créé au moment de l'ouverture de l'interrupteur 76 est l'élimina- tion du chemin à faible résistance entre l'entrée 66 et la sortie 68 de l'inverseur, passant par la résistance 78 de valeur faible. Ceci évite que le bruit ne dégrade les per- formances de l'oscillateur après que le démarrage a été obtenu. Cependant, du fait de l'existence du chemin à résistance élevée entre la sortie et l'entrée de l'inver- seur, ce dernier continue à être polarisé de façon à fonc- tionner avec un gain élevé. La figure 5 montre une représentation graphique en fonction du temps de la tension Vcc de l'alimentation du circuit. La tension atteint une valeur maximale Vcc cc assez rapidement après la mise en fonction et elle conser- ve cette valeur au cours du temps. La figure 6A montre l'état au cours du temps de l'interrupteur 76 qui est utilisé dans le circuit de l'in- vention. L'interrupteur 76 est commandé de façon à rester dans un état fermé pendant une durée prédéterminée t1, après quoi il s'ouvre automatiquement. L'interrupteur 76 peut être par exemple un interrupteur à transistor à effet de champ attaqué par la tension d'alimentation Vcc, ce qui permet à l'interrupteur 76 d'être actionné presque immé- diatement au moment de l'application de la tension d'ali- mentation. La figure 6B représente la caractéristique, en fonction du temps,de la tension Vs à la sortie 68 de l'in- verseur 64. Pendant la durée t1, l'interrupteur 76 reste fermé, le condensateur 70 se charge rapidement et la ten- sion Ve augmente jusqu'à approximativement Vs. Il en résulte que l'inverseur 64 atteint très rapidement un point auquel il procure un gain élevé. Lorsque la durée prédéterminée t1 s'est écoulée, l'interrupteur 76 s'ouvre automatiquement, ce qui crée une pointe de bruit à l'en- trée de l'inverseur. Sous l'effet du bruit, la tension de sortie de l'inverseur tombe rapidement, ce qui permet à l'oscillateur d'augmenter son amplitude. L'ouverture de l'interrupteur 76 élimine également le chemin à résistance faible entre l'entrée et la sortie de l'inverseur 64, ce qui fait que la tension de sortie Vs de l'inverseur 64 doit obligatoirement passer par le quartz 62 ou par la résistance de valeur élevée 74. Chacun des deux chemins ne transmet cependant que les fréquences sélectionnées souhaitables. Il en résulte qu'on obtient rapidement l'am- plification maximale et l'oscillation maximale du quartz, tout en éléminant simultanément le bruit indésirable pen- dant l'oscillation normale. En outre, le démarrage de l'oscillation du quartz est parfaitement assuré. Il n'est pas nécessaire qu'un bruit aléatoire de niveau élevé soit initialement présent dans le circuit pour que le démarrage ait lieu, du fait qu'un bruit de niveau élevé est produit par le circuit lui-même au moment de l'ouverture de l'in- terrupteur. Le commencement de l'oscillation du quartz est également indépendant du temps de montée et de la forme de la tension d'alimentation, puisque l'oscillation ne com- mence pas avant qu'un gain de valeur élevée soit obtenu. Comme la description ci-dessus le montre de façon évidente, on peut obtenir des durées de démarrage plus courtes en ouvrant l'interrupteur 76 dès qu'un gain de valeur élevée est obtenu pour l'inverseur (lorsque Ve est approximativement égale à Vs). Ceci conduira à l'am- plification avec un gain élevé d'un bruit de niveau élevé, conduisant à une oscillation rapide et sûre du quartz. Il entre cependant également dans le cadre de l'invention d'ouvrir l'interrupteur 76 un peu avant ou un peu après l'instant auquel l'inverseur atteint le gain maximal. On pourrait par exemple ouvrir l'interrupteur 76 un peu après l'expiration de la durée t1, et obtenir néanmoins une durée de démarrage améliorée en comparaison avec les cir- cuits de l'art antérieur, du fait qu'un bruit de niveau élevé sera toujours amplifié avec un gain élevé. De façon similaire, on pourrait ouvrir l'interrupteur 76 avant que l'inverseur atteigne le gain maximal. Bien que l'inverseur ait alors un gain inférieur au gain maximal, ce gain peut néanmoins être suffisant pour amplifier jusqu'à l'amplitu- de maximal le bruit de niveau élevé, en une durée infé- rieure à celle qu'exige le dispositif de l'art antérieur représenté sur la figure 1. La figure 7 représente un mode de réalisation spécifique de l'invention dans lequel la résistance de valeur élevée 74 est constituée par un transistor à effet de champ 75, et l'interrupteur 76 et la résistance de valeur faible 78 sont constitués par un transistor à effet de champ 79. Le transistor à effet de champ 75 est dimensionné de façon appropriée et il est polarisé (par une tension d'alimentation VDD) de façon à procurer la résistance désirée. Le transistor à effet de champ 79 est commandé par un circuit d'interrupteur de restauration à la mise sous tension, qui bloque automatiquement ce tran- sistor lorsqu'une durée prédéterminée s'est écoulée. Le circuit d'interrupteur de restauration à la mise sous ten- sion comprend un ensemble de transistors à effet de champ à canal P, 84, 86 et 88, un condensateur 90 et un inver- seur 92. Au moment de l'application de la tension d'ali- il mentation Vcc, la sortie de l'inverseur 92 passe à l'état haut, ce qui débloque le transistor à effet de champ 79, de façon que ce dernier puisse remplir la fonction d'une résistance de faible valeur. Simultanément, l'application de la tension d'alimentation Vcc au transistor 84 crée une source de courant dont la valeur est limitée par les tran- sistors 86 et 88. Le courant provenant de la source de courant charge le condensateur 90, ce qui fait apparaître une tension à l'entrée de l'inverseur 92. Lorsque le con- densateur 90 se charge, la tension à l'entrée de l'inver- seur 92 augmente jusqu'au seuil de cet inverseur, ce qui a pour effet de débloquer le transistor à canal N 96 et de bloquer le transistor à canal P 94 à l'expiration de la durée t1. Le transistor à effet de champ 79 est ainsi blo- qué, ce qui déconnecte électriquement l'inverseur 64 et le chemin à résistance faible. La durée nécessaire pour ouvrir l'interrupteur de restauration à la mise sous ten- sion peut ainsi être modifiée et/ou commandée de façon appropriée par le réglage de divers paramètres. Première- ment, on peut faire varier la longueur de grille et la largeur de canal du transistor 84 de façon à modifier la valeur du courant qui est produit lorsque la tension d'alimentation Vcc lui est appliquée, ce qui fait varier cc la vitesse à laquelle le condensateur 90 se charge et la vitesse à laquelle l'inverseur atteint son seuil de ten- sion. Secondement, on peut faire varier la valeur du con- densateur 90 de façon à augmenter ou à diminuer le temps nécessaire pour que l'inverseur 92 atteigne sa fonction de seuil. Enfin, on peut modifier la tension de seuil de l'inverseur 92, pour augmenter ou diminuer ainsi la ten- sion nécessaire pour bloquer le transistor à effet de champ 79. L'interrupteur de restauration à la mise sous tension peut donc être modifié ou adapté de façon à s'ouvrir lorsque l'inverseur atteint une valeur de gain sélectionnée quelconque. On vient de décrire l'invention en considérant un mode de réalisation spécifique, mais celui-ci peut faire l'objet de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit oscillateur à quartz, caractérisé en ce qu'il comprend: un quartz (62); un inverseur (64) connecté en parallèle avec le quartz (62), cet inverseur comportant une entrée (66), une sortie (68) et une connexion d'alimentation (Vcc); un premier condensateur (70) connecté à la masse et à l'entrée (66) de l'inver- seur; un second condensateur (72) connecté à la masse et à la sortie (68) de l'inverseur; un premier chemin résis- tif (74, 75) entre l'entrée et la sortie de l'inverseur (64); et un second chemin résistif (76; 78, 79) pouvant être mis en circuit de façon sélective, placé entre l'en- trée (66) et la sortie (68) de l'inverseur (64) et ayant une résistance inférieure à celle du premier chemin résis- tif (74, 75), le second chemin résistif (76, 78, 79) pou- vant être mis en circuit de fagon sélective permettant une charge rapide des premier et second condensateurs (70, 72) au moment de la mise sous tension de l'inverseur (64). 2. Circuit oscillateur à quartz selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que le second chemin résis- tif pouvant être mis en circuit de fagon sélective com- prend un transistor MOS (79). 3. Circuit oscillateur à quartz selon la reven- dication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un interrup- teur (76, 79) dans le second chemin résistif. 4. Circuit oscillateur à quartz selon la reven- dication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de restauration (84-94) destinés à commander l'interrup- teur (76,79) pour qu'il reste fermé pendant une durée déterminée après la mise sous tension du circuit oscilla- teur, et qu'il s'ouvre lorsque la durée déterminée est écoulée, en déconnectant électriquement l'inverseur et le second chemin résistif (76, 78, 79). 5. Circuit oscillateur à quartz, caractérisé en de qu'il comprend: un quartz (62); un inverseur (64) connecté en parallèle avec le quartz (62); une première résistance (74, 75) connectée en parallèle l'inverseur (64); une seconde résistance (78, 79) connectée en paral- lèle avec l'inverseur (64), la seconde résistance ayant une valeur inférieure à celle de la première résistance (74, 75); et des moyens de commande (76, 79, 84-94) des- tinés à déconnecter électriquement de façon sélective la seconde résistance (78, 79)et l'inverseur (64). 6. Circuit oscillateur à quartz selon la reven- dication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent un interrupteur (76, 79). 7. Circuit oscillateur à quartz selon la reven- dication 6, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent des moyens (84-94) destinés à faire en sorte que l'interrupteur (76,79) reste fermé pendant une durée déterminée et s'ouvre automatiquement lorsque la durée prédéterminée est écoulée, en déconnectant ainsi électri- quement la seconde résistance (79) et l'inverseur (64). 8. Circuit oscillateur à quartz, caractérisé en ce qu'il comprend: un quartz (62); un inverseur (64) connecté en parallèle avec le quartz (62), cet inverseur ayant une entrée (66) et une sortie (68); une source d'alimentation (Vcc); un premier condensateur (70) con- necté à la masse et à l'entrée (66) de l'inverseur (64); un second condensateur (72) connecté à la masse et à la sortie (68) de l'inverseur (64); un premier chemin résis- tif entre la source d'alimentation (Vcc) et le second con- cc densateur connecté à la masse (72); et un second chemin résistif pouvant être mis en circuit de façon sélective, entre la source d'alimentation (Vcc) et le second conden- sateur connecté à la masse (72), le second chemin résistif pouvant être mis en circuit de façon sélective ayant une résistance inférieure à la résistance du premier chemin résistif.