Brevet FR2667742A1 — publié le 19920410

OSCILLATEUR A CRISTAL COMPENSE EN TEMPERATURE. La présente invention se rapporte aux oscillateurs à cristal compensés en température, c 'est-à-dire à fréquence régulée en fonction de la température. Ces oscillateurs se composent d'un amplificateur 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'autooscillation. La régulation de fréquence en fonction de la température est obtenue en connectant en série avec le cristal piézoélectrique un élément qui présente une capacité variable fonction de la tension électrique appliquée à ses bornes. Cet élément peut être une diode à capacité variable. La tension électrique appliquée aux bornes de élément à capacité variable est appellée tension de compensation et est générée par un circuit de compensation contenant au moins un élément thermosensible. Lorsque le cristal piézoélectrique est taillé selon une coupe AT, ce qui est très fréquent, la dérive thermique dF/F de la fréquence F du cristal, affecte la forme d'une courbe algébrique du troisième degré. Pour compenser la dérive thermique de la fréquence du cristal piézoélectrique, il suffit de générer une tension de compensation dont la réponse en fonction de la température est également une courbe du troisième degré. Il est connu de diviser la courbe de la tension de compensation en trois parties et d'utiliser trois cellules distinctes, chacune devant générer une des parties. Chaque cellule comprendra un élément thermosensible tel qu'uns thermistance. Une des cellules agit aux températures froides, une autre aux températures moyennes et la troisième aux températures chaudes. Le brevet français 2 284 219, déposé le 6 septembre 1974, propose un tel circuit de compensation. Ce circuit de compensation comporte deux bornes de sortie, l'une est maintenue à un potentiel fixe par un pont de résistances fixes, monté en diviseur, l'autre est portée à un potentiel variable en fonction de la température par les trois cellules. L'oscillateur décrit dans ce brevet possède une stabilité de fréquence de plus ou moins 1.10 6 dans une gamme de température s'étendant entre -400C et +800C Cependant dans certaines applications les gammes de températures à couvrir doivent être encore plus larges. Il est connu de modifier la structure du circuit de compensation pour élargir son action dans la gamme de températures. Les oscillateurs à cristal de ce type comportent maintenant un circuit de compensation en deux parties, une partie principale comprenant les trois cellules et une partie complémentaire obtenue par substitution du pont de résistances fixes, monté en diviseur, par un pont diviseur de résistance variable en fonction de la température. Ce pont diviseur comprend au moins un élément sensible à la température tel qu'une thermistance. Les valeurs des composants de la partie complémentaire sont choisies de telle sorte qu'elles agissent, pour les températures chaudes, sur la tension de compensation générée par le circuit de compensation et qu'elles ne modifient pas sensiblement la tension de compensation, pour les températures médianes et froides. Cette partie complémentaire du circuit de compensation permet de corriger la dérive en fréquence de l'oscrnateur entre + 700C et + 100 C. Mais ce circuit de compensation a toutefois une action limitée pour les températures très élevées supérieures à 1000C par exemple. Cette limitation est due aux caractéristiques des thermistances et notamment à leur coefficient de sensibilité thermique b. La variation de la résistance d'une thermistance est exponentielle. Sa résistance à température basse est très supérieure à sa résistance à température élevée. Cela signifie que plus la température T augmente, plus la variation dR de la résistance R de la thermistance diminue pour un même écart de température dT. En conséquence, plus la température est élevée, plus la variation relative de la tension de compensation devient faible. La tension de compensation générée par le circuit de compensation sort des limites acceptables pour assurer la stabilité de fréquence de l'oscillateur à ces températures élevées. D'autre part, plus la tolérance de fréquence à tenir dans la gamme de températures est faible plus la gamme de températures doit être réduite. Par exemple, une tolérance de plus ou moins 1.10 6 peut être tenue dans une gamme de températures comprises entre 400 C et +850 C, mais on ne sait réaliser que plus ou moins 0, 8.10 6 dans une gamme de températures comprise entre -400C et + 700C. Il est bien sur possible de donner à la thermistance de la partie complémentaire une valeur plus importante, mais là aussi on est limité par la zone de recouvrement avec les autres cellules. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et propose un oscillateur compensé en température, dans une grande gamme de températures, par exemple entre -550C et +1250C. La présente invention propose un oscillateur piézoélectrique, à fréquence régulée dans une gamme de températures, comportant - un circuit oscillant comprenant un amplificateur dont la sortie est rebouclée sur l'entrée à travers un élément à capacité variable monté en série avec un cristal piézoélectrique, - un circuit de compensation de la fréquence en fonction de la température, connecté à l'une des bornes de l'élément à capacité variable, comprenant d'une part, un circuit principal fournissant en sortie une tension de compensation principale ayant une variation relative décroissante lorsque la température croît, et d'autre part un circuit complémentaire, l'oscillateur est caractérisé en ce que le circuit complémentaire est connecté entre la sortie du circuit principal et la borne de l'élément à capacité variable, le circuit complémentaire possédant un gain croissant dans une partie la plus élevée de la gamme de températures, de manière à ce que le gain du circuit de compensation soit sensiblement constant dans cette partie de la gamme de températures. Selon une réalisation préférée, le circuit principal comporte un amplificateur opérationnel comprenant une résistance de contre-réaction et recevant sur son entrée non inverseuse la tension de compensation principale et sur son entrée inverseuse, une tension variable en fonction de la température. La tension variable en fonction de la température est délivrée, de préférence, par un pont de résistances monté en diviseur, connecté à l'entrée inverseuse de l'amplificateur à travers un élément thermosensible. Le circuit principal peut comporter deux éléments thermosensibles reliés par une de leurs extrémités à la sortie, leur autre extrémité étant respectivement reliée à deux ponts de résistances montés en diviseurs, un des ponts comprenant un troisième élément thermosensible. Une résistance peut être connectée en parallèle aux extrémités de chacun des éléments thermosensibles. De préférence, tous les ponts sont montés entre une même source et une même masse. L'élément à capacité variable peut être une diode à capacité variable. Le circuit de compensation est alors connecté sur la cathode de la diode à capacité variable. Selon une variante, le circuit de compensation peut être connecté à l'élément à capacité variable par l'intermédiaire d'un circuit de recalage en fréquence. Le circuit de recalage en fréquence peut comporter un amplificateur opérationnel ayant son entrée non inverseuse connectée au circuit de compensation et son entrée inverseuse reliée à un pont de résistances monté en diviseur et comprenant une résistance variable. L'amplificateur peut comporter une résistance de contre-réaction. De préférence, une résistance est connectée entre la borne de l'élément à capacité variable et soit le circuit de compensation, soit le circuit de recalage. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemples non limitatifs, illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1 un schéma électrique d'un oscillateur à cristal compensé en température selon l'art connu - la figure 2 un schéma électrique d'un oscillateur à cristal compensé en température selon l'invention; - la figure 3 un graphique donnant la variation relative de la tension de compensation principale dVC/VC du circuit principal de l'oscillateur de la figure 2, en fonction de la température; - la figure 4 un graphique donnant le gain G1 du circuit de complémentaire de l'oscillateur de la figure 2, en fonction de la température;; - la figure 5 un graphique donnant le gain G2 du circuit de compensation de l'oscillateur de la figure 2, en fonction de la température; - la figure 6 un schéma d'une variante d'un oscillateur selon l'invention comportant un circuit de recalage en fréquence en fonction du temps; - la figure 7 un graphique donnant, avec des valeurs mesurées, la dérive thermique en fréquence dF/F d'un oscillateur selon l'art antérieur et d'un oscillateur selon l'invention. La figure i représente un oscillateur à cristal à régulation de fréquence selon l'art connu. Cet oscillateur fonctionne sur une gamme de températures. L'oscillateur comporte d'une part un circuit oscillant et d'autre part un circuit de compensation. Le circuit oscillant comporte un amplificateur A dont la sortie S est rebouclée sur l'entrée par à travers une diode à capacité variable D montée en série avec un résonateur piézoélectrique P. La cathode de la diode à capacité variable D est reliée au résonateur piézoélectrique P tandis qu'un condensateur C est inséré entre son anode et la masse. La sortie S de l'amplificateur A est reliée à l'anode de la diode à capacité variable D. Le circuit de compensation est en deux parties : un circuit principal et un circuit complémentaire. Ce circuit de compensation délivre à ses bornes 10,12 une tension de compensation variable avec la température. Cette tension de compensation est appliquée aux bornes de la diode à capacité variable D. La tension de compensation est destinée à compenser les variations de la fréquence délivrée par ltoscillateur en fonction de la température. Le potentiel présent sur la borne 10 est créé par le circuit principal, le potentiel présent sur la borne 12 est créé par le circuit complémentaire. Ces deux potentiels varient en fonction de la température. La borne 10 est connectée à l'anode de la diode à capacité variable D, la borne 12 est connectée à la cathode de la diode à capacité variable D. Le circuit principal comporte une première thermistance thl et une deuxième thermistance th2 ayant une borne commune il. L'autre borne de la thermistance thl est reliée à un pont de résistances r7, r5 monté en diviseur à travers une résistance r6. La résistance r5 est reliée à la borne positive +V d'une source de tension, tandis que la résistance r7 est reliée à la borne négative de masse, de la source de tension. L'autre borne de la thermistance th2 est reliée à travers une résistance r, à un pont diviseur ri2, rlO, th3 à deux branches. Une des branches du pont diviseur comporte une résistance r10 montée en série avec une thermistance th3. L'autre branche comporte une résistance rl2. La thermistance th3 est reliée à la borne positive +V de la source de tension tandis que la résistance r12 est reliée à la masse. Chacune des thermistances thi, th2, th3 comporte à ses extrémités, respectivement, une résistance r8,r9,rll en parallèle. Une résistance r13 de forte valeur est insérée entre la borne 11 commune et la borne 10. La thermistance thl a une action sur la tension de compensation aux températures basses, la thermistance th2 a une action sur la tension de compensation aux températures moyennes et la thermistance th3 a une action sur la tension de compensation aux températures élevées. Le circuit complémentaire comporte un pont diviseur r15,th4,r14 à deux branches, relié à la borne 12 par l'intermédiaire d'une résistance ri6 de forte valeur. Une des branches du pont diviseur comporte une résistance r15 reliée à la borne positive tV de la source de tension. L'autre branche du pont diviseur comporte une thermistance th4 et une résistance r14 montées en parallèle et reliées à la masse. Le circuit complémentaire a une action sur la tension de compensation pour les températures extrêmes chaudes. Mais plus la température augmente plus l'action du circuit de compensation est limitée. Cette limitation est due aux caractéristiques des thermistances. La loi de variation de la résistance d'une thermistance en fonction de la température est donnée par R RTO e b(l/T - l/TO) I avec R TO résistance à TO, R T: résistance à T, b : coefficient de sensibilité thermique en degrés Kelvin, T : température ambiante en degrés Kelvin, TO : température absolue = 298 degrés Kelvin. Plus la température croit, plus la variation relative de la tension générée par le circuit de compensation est faible et plus la variation relative de la fréquence est importante d'où l'impossibilité de générer la tension nécessaire. La figure 2 représente un oscillateur compensé en température selon l'invention. Cet oscillateur fonctionne dans une gamme de températures. Cet osciliateur comporte toujours, d'une part un circuit oscillant et d'autre part un circuit de compensation en deux parties. Le circuit oscillant comporte un amplificateur AI dont la sortie est rebouclée sur l'entrée à travers un élément à capacité variable. Ici cet élément est une diode à capacité variable D1. Elle est montée en série avec un résonateur piézoélectrique P1. La diode à capacité variable D1 a sa cathode connectée au résonateur piézoélectrique Pi et son anode connectée à la fois à la sortie de l'amplificateur Ai et à la masse. On peut utiliser d'autre type d'élément à capacité variable et notamment tout circuit électronique complexe réalisant cette fonction. Le circuit de compensation est en deux parties : un circuit principal et un circuit complémentaire. Le circuit de compensation délivre une tension de compensation variable avec la température. Cette tension de compensation est appliquée à la cathode de la diode à capacité variable D1. Le circuit principal comporte deux thermistances RT2, RT3 ayant une borne commune 20. L'autre borne de la thermistance RT2 est connectée, à travers une résistance R6, à un premier pont de résistances R5, R7 monté en diviseur. La résistance R5 est reliée à la borne positive + V d'une source de tension et la résistance R7 à la masse. L'autre borne de la thermistance RT3 est connectée à un deuxième pont diviseur (Ri0 > RT4, Ri2) à deux branches à travers une résistance R. Le deuxième pont diviseur comprend dans la première branche reliée à la masse, une résistance R10 connectée avec une thermistance RT4 et dans la seconde branche, une résistance R12 reliée à la borne positive +V de la source de tension. Chacune des trois thermistances RT2, RT3 > RT4 comporte, respectivement, une résistance R8,R9,Rll branchée en parallèle à ses extrémités. Le circuit principal fournit sur la borne 20 une tension de compensation principale VC. Cette tension varie en fonction de la température et comme on l'a vu précédemment, est limitée dans une partie la plus élevée de la gamme de températures. Le circuit complémentaire comprend un amplificateur opérationnel A2 qui reçoit sur son entrée non inverseuse la tension de compensation principale VC présente sur la borne 20. Son entrée inverseuse est reliée à l'une des bornes d'une thermistance RT1. L'autre borne de la thermistance RT1 est reliée à un troisième pont de résistances Ri, R2 monté en diviseur. La résistance Ri est reliée à la borne positive +V de la source de tension. La résistance R2 est reliée à la masse. La borne 21 est située à la sortie de l'amplificateur A2. Cette borne 21 correspond à la sortie du circuit de compensation complémentaire. Elle est connectée à la cathode de la diode à capacité variable Di par l'intermédiaire d'une résistance de forte valeur R13. Une résistance R3 est branchée en parallèle aux extrémités de la thermistance RTI. L'amplificateur A2 comporte, de plus, une résistance de contre-réaction R4 branchée entre sa sortie et son entrée inverseuse. Le circuit complémentaire est maintenant indépendant du circuit principal. Il est disposé entre le circuit principal et le circuit oscillant. La borne 21 correspond aussi à la sortie du circuit de compensation. C'est sur cette borne que l'on obtient la tension de compensation. Le circuit complémentaire est destiné à agir dans une partie la plus élevée de la gamme de températures dans laquelle fonctionne l'oscillateur, car, dans cette partie, la tension de compensation principale VC seule, a de moins en moins d'action sur la fréquence de l'oscillateur. La figure 3 représente la variation relative dVC/VC de la tension VC de compensation principale en fonction de la température. La plage de températures représentée couvre la partie la plus élevée de la gamme de températures dans laquelle fonctionne ltoscillateur. Cette plage s'étend de + 250C à environ + 1050C. Ce n'est qu'un exemple. La courbe représentée est exponentielle, elle décroît plus on monte en température. Pour que la tension de compensation, présente en sortie du circuit de compensation, puisse avoir une action sur la fréquence de l'oscillateur à température élevée, on donne au circuit complémentaire un gain croissant dans la partie la plus élevée de la gamme de températures. Le gain du circuit de compensation sera alors sensiblement constant dans la partie la plus élevée de la gamme de températures. La figure 4 représente le gain G1 du circuit complémentaire en fonction de la température. La plage de températures est la même que celle de la figure 3. La figure 5 représente, sur la même plage de températures, la variation du gain G2 du circuit de compensation. Grâce à l'action du circuit complémentaire, ce gain G2 est sensiblement constant et supérieur à un. Les valeurs des résistances et de la thermistance du circuit complémentaire sont définies de façon à ajuster la variation du gain souhaitée dans la partie la plus élevée de la gamme de températures. La résistance équivalente du troisième pont diviseur est R' : Ri.R2/(Ri+R2) avec par exemple R1=R2 La résistance R" équivalente à R',RT1,R3 est R" = R' + (RT1.R3)/(RT1+R3) RTi est la résistance de la thermistance RT1 telle qu'elle a été définie précédemment. Le gain du circuit complémentaire est alors G1 = 1 + (2R4/R" ) Les résistances R3 > R4 et RT1 déterminent l'action du circuit complémentaire. Le circuit complémentaire a pour but d'agir sur la tension de compensation dans la partie la plus élevée de la gamme de températures dans laquelle fonctionne l'oscillateur. Cette partie peut s'étendre,par exemple entre +250C et +iO50C. Pour des températures inférieures le circuit complémentaire a une action négligeable. La variation du gain du circuit complémentaire est négligeable. 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 nécessaire d'effectuer un recalage de l'oscillateur de temps en temps. Ce recalage consiste à modifier l'impédance en série avec le cristal piézoélectrique de façon à obtenir la fréquence nominale de ltoscillateur. Un Uncircuit de recalage en fréquence, délivrant une tension de recalage a été décrit dans la demande de brevet n0 2 621 187 déposée le 29 septembre 1987. Ce circuit de recalage en fréquence est intercalé entre la sortie du circuit de compensation et la cathode de la diode à capacité variable Di. La figure 6 représente un schéma électrique d'un oscillateur selon l'invention avec circuit de recalage. Le circuit de recalage comporte un amplificateur opérationnel A3 dont l'entrée non inverseuse est connectée à la sortie du circuit complémentaire. Cette entrée non inverseuse reçoit donc la tension de compensation. Son entrée inverseuse reçoit une tension fonction du recalage donné. Cette tension est fournie par un pont de résistances R14, R16, R17, à deux branches, monté en diviseur. La première branche comporte une résistance R14 connectée à la borne +V de la tension d'alimentation. La seconde branche est connectée à la masse et comporte une résistance Ri6 en série avec une résistance variable R17. C'est sur cette résistance Ri7 que l'on agit pour effectuer le recalage. Elle est généralement extérieure au système. De plus, l'amplificateur opérationnel A3 comporte une résistance de contre-réaction R15 connectée entre sa sortie et son entrée inverseuse. La sortie du circuit de recalage en fréquence est connectée à la cathode de la diode à capacité variable D1 par l'intermédiaire d'une résistance de forte valeur R13. La figure 7 représente un graphique donnant, avec des valeurs mesurées, la dérive thermique en fréquence d'un oscillateur selon l'art antérieur et d'un oscillateur selon l'invention. L'oscillateur selon l'art antérieur est conforme au schéma de la figure 1. L'oscillateur selon l'invention est conforme au schéma de la figure 6. La gamme des températures est comprise entre -50 C et + 1050C. La courbe 100 est la courbe de l'osciliateur selon l'art connu. La variation relative de fréquence dF/F est de l'ordre de plus ou moins 4.10-6 sur la plage des températures comprises entre -500C et +700 C. Pour les températures supérieures à +700C la variation relative de fréquence va environ jusqu a plus ou moins 9.10 6 La courbe 200 est la courbe de l'oscillateur selon l'invention. Sur toute la plage des températures, la variation relative de fréquence est inférieure à plus ou moins 2.10 6. L'oscillateur selon l'invention est beaucoup plus stable en fréquence à température élevée que l'oscillateur de l'art connu. REVENDICATIONS i - Oscillateur piézoélectrique, à régulation de fréquence dans une gamme de températures, comportant - un circuit oscillant comprenant un amplificateur (Ai) dont la sortie est rebouclée sur l'entrée à travers un élément à capacité variable (D1) monté en série avec un cristal piézoélectrique (P1), - un circuit de compensation de la fréquence en fonction de la température, connecté à l'une des bornes de l'élément à capacité variable (D1), comprenant d'une part un circuit principal fournissant en sortie (20) une tension de compensation principale ayant une variation relative décroissante lorsque la température croît et d'autre part, un circuit complémentaire, l'oscillateur est caractérisé en ce que le circuit complémentaire est connecté entre la sortie (20) du circuit principal et la borne de l'élément à capacité variable (D1), le circuit complémentaire possédant un gain croissant dans une partie la plus élevée de la gamme de températures, de manière à ce que le gain du circuit de compensation soit sensiblement constant dans cette partie la plus élevée de la gamme de températures. 2 - Oscillateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit complémentaire comporte un amplificateur opérationnel (A2) ayant une résistance de contre-réaction (R4), recevant sur son entrée non-inverseuse la tension de compensation principale et sur son entrée inverseuse une tension variable en fonction de la température. 3 - Oscillateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension variable en fonction de la température est délivrée par un pont de résistances (Ri,R2) monté en diviseur connecté à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel à travers un élément thermosensible (RT1). 4 - Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le circuit principal comporte deux éléments thermosensibles (RT2,RT3) reliés par une de leurs extrémités à la sortie (20), leur autre extrémité étant respectivement reliée à deux ponts de résistances (R7,R5), R5) > (RiO,R12) montés en diviseurs, un des ponts comprenant un troisième élément thermosensible (RT4). 5 - Oscillateur selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce qu'une résistance (R3, R8, R9, Roll) est connectée en parallèle aux extrémités de chacun des éléments thermosensibles (RT1, RT2, RT3, RT4). 6 - Oscillateur selon l'une des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que chacun des ponts diviseurs est monté entre une même source de tension (+V) et une même masse. 7 - Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'élément à capacité variable (Dl) est une diode à capacité variable. 8 - Oscillateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que le circuit de compensation est connecté sur la cathode de la diode à capacité variable (D1). 9 - Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le circuit de compensation est connecté sur la borne de l'élément à capacité variable (D1) par l'intermédiaire d'un circuit de recalage en fréquence. 10 - Oscillateur selon la revendication 9 caractérisé en ce que le circuit de recalage en fréquence comporte un amplificateur opérationnel (A3) dont l'entrée non inverseuse est connectée au circuit de compensation et dont l'entrée inverseuse est reliée à un pont de résistances (R14,R16) monté en diviseur, le pont de résistances comprenant une résistance variable (R17). il - Oscillateur selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'une résistance (R13) est connectée entre la borne de élément à capacité variable (D1) et soit le circuit de recalage soit le circuit de compensation.