Brevet FR2621187A1 — publié le 19890331

I OSCILLATEUR PIEZOELECTRIQUE COMPENSE EN TEMPERATURE La présente invention concerne les oscillateurs piézo- électriques compensés en température, c'est-à-dire les oscillateurs piézoélectriques comportant une régulation de fréquence en fonction de la température. Les oscillateurs compensés en température sont constitués, comme les oscillateurs piézoélectriques classiques, d'un amplifi- cateur dont la sortie est connectée à l'entrée à travers un circuit comprenant un cristal piézoélectrique oscillant, le gain du système étant supérieur à l'unité pour satisfaire les conditions d'auto- oscillation. Dans ce cas, la compensation en fréquence est obtenue en connectant en série avec le cristal piézoélectrique un élément qui présente une capacité variable en fonction de la tension élec- trique appliquée à ses bornes tel qu'une diode à capacité variable et en créant la tension électrique à appliquer sur la diode à capacité variable ou tension de compensation dans un circuit de compensation comprenant un élément sensible à la température. Les systèmes de compensation en température permettent d'obtenir une fréquence pratiquement stable quelle que soit la température en sortie de l'oscillateur. Cependant, les oscillateurs piézoélectriques sont soumis à un phénomène de vieillissement, c'est-à-dire que leur fréquence d'oscillation évolue avec le temps. Il est donc nécessaire de réaliser un recalage de l'oscillateur en fonction du temps. Ce recalage consiste à modifier l'impédance en série avec le cristal piézoélectrique de façon à obtenir la fréquence nominale de l'oscillateur. Dans le cas cd'utilisation de diodes à capacité variable, le recalage consiste à modifier la tension à ses bornes. Or, ce recalage modifie la compensation en température. En effet, comme représenté schématiquement sur la figure 1, un mode de réalisation d'un circuit de recalage utilisé dans un oscillateur piézoélectrique compensé en température est constitué par un potentiomètre P monté en série entre la tension d'ali- mentation VA et une borne d'une résistance R dont l'autre borne est à la masse. La borne milieu du potentiomètre P est connectée par l'intermédiaire d'une résistance R' sur la cathode de la diode à capacité variable D. D'autre part, dans le mode de réalisation représenté, l'anode de la diode à capacité variable D est connectée au circuit CT de régulation de fréquence en fonction de la tempé- rature. De manière connue, la diode à capacité variable est montée en série avec le cristal piézoélectrique P et l'amplificateur A dont la sortie est rebouclée sur l'anode de la diode à capacité variable D. Ainsi, lorsque l'on fait varier le potentiomètre pour réaliser le recalage en fréquence de l'oscillateur, on modifie la tension de polarisation de la diode à capacité variable. Or, comme représenté sur les figures 2A et 2B, la caractéristique capacité/tension d'une diode à capacité variable ne permet pas d'obtenir une variation de fréquence linéaire en fonction de sa tension de polarisation. Il en résulte donc une modification de la pente P0 de la fonction de transfert qui devient la pente PI. Cette modification de la pente se traduit par une rotation de la courbe de compensation comme représenté sur la figure 3 concernant un recalage de fréquence de + 5.10-6 de la fréquence nominale F0. De plus, le coefficient de température des diodes à capacité variable varie en fonction de la tension de polarisation (figure 2C), ce qui accentue l'effet de rotation de la courbe de compensation. Sur cette figure, la droite a à F0 représente la compensation - idéale au temps TO, les courbes b et b' représentent la fréquence issue de l'oscillateur après recalage positif ou négatif pour une dérive en fréquence de + 5.106 F0. Cette distorsion de la courbe de compensation présente de nombreux inconvénients. Notamment, l'oscillateur peut être amené à sortir des caractéristiques imposées par la spécification. La présente invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients et elle a pour objet un oscillateur piézoélectrique compensé en température comportant un circuit oscillant constitué d'un amplificateur dont la sortie est rebouchée sur l'entrée à travers un cristal piézoélectrique monté en série avec un élément à capacité variable, un circuit de régulation de la fréquence en fonction de la température délivrant une tension de compensation et un circuit de rattrapage en fréquence délivrant une tension de recalage, caractérisé en ce que le circuit de régulation de la fréquence en fonction de la température est connecté sur une des bornes de l'élément à capacité variable par l'intermédiaire d'un moyen dont le gain varie en fonction de la tension de recalage délivrée par le circuit de rattrapage en fréquence. Selon un mode de réalisation préférentiel, le moyen dont le gain varie en fonction de la tension de recalage est constitué par un amplificateur opérationnel comportant une résistance de contre- réaction et recevant sur son entrée inverseuse la tension de recalage et sur son entrée non-inverseuse la tension de compensation. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaiîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation faite ci-après avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels: - la figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un oscillateur compensé en température selon l'art antérieur; - la figure 2A, déjà décrite, représente la caractéristique capacité/tension d'une diode à capacité variable; - la figure 2B, déjà décrite, représente la caractéristique fréquence/tension de l'oscillateur; - la figure 2C, déjà décrite, représente la variation du coefficient de température d'une diode à capacité variable en fonction de sa tension de polarisation; - la figure 3, déjà décrite, représente la courbe de compen- sation de la fréquence en fonction de la température au temps TO et après un vieillissement à long terme, obtenue avec l'oscillateur de figure 1; - la figure 4 est une représentation schématique d'un oscil- lateur compensé en température conformément à la présente invention; - la figure 5 représente la courbe de compensation de la 262 1 187 fréquence en fonction de la température obtenue avec l'oscillateur de la présente invention. Pour simplifier la description, dans les figures les mêmes éléments portent les mêmes références. Sur la figure 4 on a représenté un oscillateur compensé en température conforme à la présente invention. Cet oscillateur comporte de manière connue un amplificateur A dont la sortie S est rebouclée sur l'entrée par l'intermédiaire d'un résonateur piézo- électrique P monté en série avec une diode à capacité variable D. Conformément à la présente invention, une tension de compensation en température Vs est appliquée sur l'anode de la diode à capacité variable par l'intermédiaire d'un moyen dont le gain varie en fonction de la tension de recalage. De manière plus spécifique, ce moyen comporte un amplificateur opérationnel AI dont l'entrée non- inverseuse reçoit la tension de compensation Vc issue du circuit CT de régulation de fréquence en fonction de la température. D'autre part, son entrée inverseuse reçoit une tension fonction du recalage donné. Cette tension est donnée par un pont diviseur. Ainsi, l'entrée inverseuse est connectée par l'intermédiaire de la résistance R3 à la tension d'alimentation VA. Cette entrée inverseuse est aussi con- nectée à la masse par l'intermédiaire de la résistance R2 et d'une résistance variable R1. L'amplificateur opérationnel A1 comporte de plus une résistance de contre réaction R4 montée entre sa sortie et son entrée inverseuse. De plus, l'amplificateur opérationnel A est connecté à la cathode de la diode à capacité variable D par l'intermédiaire d'une résistance R5. Avec le circuit ci-dessus, la tension V5 en sortie de l'amplificateur opérationnel A1, est donnée par l'équation suivante: R4 R4 R#4 Vs = Vc(l+R+R -.-5=>v R^ V C (l R + R R3') VA RJ3 D'autre part, la tension de recalage est en général obtenue en faisant varier la résistance R1 qui est une résistance extérieure au système et dont la variation est fixée pour un système donné. Avec le circuit ci-dessus, la valeur des résistances sera calculée de manière itérative de façon à ajuster le gain en fonction de la correction que l'on veut appliquer. En effet, dans les oscil- lateurs compensés en température, on s'impose un décalage de fréquence permettant de recaler le produit pendant plusieurs années. Ainsi, les valeurs des résistances R2, R3, R4 seront cal- culées à partir des équations suivantes: - à 25 et à la fréquence nominale F0, nous avons: R4 R4 V1 = VCi 1 + R Ri+) VA R Apres recalage VS1 - VS2 avec l'équation suivante: R4 R4 R4 VS2 = Vci ( 1 R + R2+3) VA R3 R3)VA R3 dans laquelle R'1 est la valeur de la résistance R1 après recalage. D'autre part, une simple observation de la courbe de dérive du résonateur en fonction de la température et de la courbe de rotation de la compensation avec recalage (voir figure 3) montre que les maximums correspondent aux points dinversion du résonateur. On peut donc utiliser comme point d'étalonnage, les points d'in- version du résonateur. Ceci donne un autre couple d'équations représentatif de la tension nécessaire à la température considérée. - au point d'inversion et à la fréquence nominale F0, on a l'équation suivante: R# RQ R VS3 = VC2 (1 + R2+R R A R3 et - au point d'inversion et après recalage (VS3)VS4) on a l'équation suivante: R# R4 R VV 4 + -) v 4- VS4 =C2 (+ R2+R' +) A R3 Comme la valeur de R1 et sa variation R'1 sont imposées, il suffit de résoudre ce système de quatre équations donnant en sortie les tensions V$1, VS2, VS3 et VS4 dans les configurations données pour obtenir les valeurs de R2, R3 et R4. Les tensions V$1 et VS3 sont les tensions nécessaires pour obtenir la fréquence nominale F0 tandis que les tensions VS2 et V54 sont les tensions donnant le même décalage de fréquence. Avec le circuit décrit ci-dessus, on obtient la courbe de variation de fréquence en fonction de la température représentée à la figure 5. On observe sur cette courbe que la fréquence F0 évolue de manière sensiblement identique même après recalage. REVENDICATIONS I. Un oscillateur piézoélectrique compensé en température comportant un circuit oscillant constitué d'un amplificateur (A) dont la sortie est rebouclée sur l'entrée à travers un cristal piézo- électrique (P) monté en série avec un élément à capacité variable (D), un circuit (CT) de régulation de la fréquence en fonction de la température délivrant une tension de compensation et un circuit de rattrapage en fréquence délivrant une tension de recalage, carac- térisé en ce que le circuit de régulation de la fréquence en fonction de la température est connecté sur une des bornes de l'élément à capacité variable par l'intermédiaire d'un moyen (A1, R4) dont le gain varie en fonction de la tension de recalage délivrée par le circuit de rattrapage en fréquence (Ri, R2, R3). 2. Un oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen dont le gain varie en fonction de la tension de recalage est constitué par un amplificateur opérationnel (A1) comportant une résistance de contre-réaction (R4) et recevant sur son entrée inverseuse la tension de recalage et sur son entrée non-inverseuse la - tension de compensation. 3. Un oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension de recalage est délivrée par un pont de résistances montées en diviseur et comportant une résistance (R 1) variable.