1. INTRODUCTION

Le quartz, le symbole chimique Si02 est un matériau piézo-électrique. Il est par-là même possible, en respectant un certain angle de coupe, d’obtenir un phénomène de résonance à une fréquence stable et bien définie. Le haut facteur de qualité et l’insensibilité aux conditions extérieures rendent le quartz apte à stabiliser la fréquence d’un oscillateur.

2. PARAMETRES ELECTRIQUES :

Le schéma électrique équivalent simplifié d’un quartz peut être représenté comme suit :

où L1 est l’inductance dynamique, C1 la capacité dynamique et R1 la résistance série équivalente du quartz. Co représente la capacité parallèle du quartz et de ses connexions.

Le FACTEUR DE QUALITE (Q) peut être calculé selon la formule :

où Fs représente la fréquence de résonance série. Les deux fréquences de résonance (Fp et Fs) sont liées par la relation :

où Fp représente la fréquence de résonance parallèle.

La résonance avec une capacité de charge en série (CL) est donnée par :

La fréquence d’un résonateur à quartz peut être ajustée en changeant la valeur de la capacité de charge du circuit oscillateur ; dans ce cas, la formule suivante s’applique :

où DL représente la variation relative en fréquence entre F1 et Fs. La résistance série équivalente (ESR) est la résistance équivalente du quartz aux alentours de sa fréquence de résonance série (Fs).

3. CARACTERISTIQUES THERMIQUES

La variation relative de fréquence sur l’étendue de la gamme de température peut être exprimée par :

où a1, a2 et a3 représentent respectivement les coefficients de température de 1er, 2ème et 3ème ordre, et To la température ambiante (25°C). La courbe de réponse en température des quartz de basse fréquence (en dessous de 1 MHZ) est une parabole. Celle des quartz haute-fréquence, utilisant la coupe AT bien connue, est une cubique dans la gamme de température usuelle.

4. NIVEAU D’ENTRETIEN

La dissipation de puissance dans une lame de quartz est définie par la relation : W = Re . I² où Re représente la résistance "effective" du quartz en charge à la fréquence de résonance. Une dissipation de puissance trop importante crée des non-linéarités dans les équations caractéristiques du quartz et une dépendance de la fréquence par rapport au niveau d’entretien apparaît. Pour les quartz taillés en coupe AT, un niveau d’entretien de 100 µW est recommandé, mais des valeurs plus faibles peuvent être nécessaires pour des applications demandant un faible vieillissement et une excellente stabilité en température.

Pour les oscillateurs à porte logique, une solution pour réduire le niveau d’entretien est l’utilisation de faibles valeurs de capacité en entrée et en sortie.

Toutefois, des valeurs trop faibles peuvent créer des problèmes de stabilité en température au même titre qu’un niveau d’entretien élevé. Un compromis doit donc être trouvé. Une résistance placée en sortie de porte peut diminuer le problème en limitant le courant traversant le quartz mais elle diminue également le facteur de qualité.

5. MODES PARASITES

En dépit du fait qu’un quartz est taillé pour fonctionner dans un seul mode, il peut encore vibrer, avec des amplitudes moindres, dans d’autres modes non désirables. Ces modes peuvent être réduits en dessous d’un certain seuil, exprimé en dB comparativement au mode de base, par une optimisation de la conception du quartz.

6. VIEILLISSEMENT

La fréquence d’un quartz varie dans le temps. Ce vieillissement dépend de différents facteurs :

  procédé de fabrication,
  type et matériau des électrodes,
  type de boîtier et procédé de fermeture,
  atmosphère à l’intérieur du boîtier,
  niveau d’entretien,
  stabilisation en usine (pré-vieillissement),
  température d’utilisation,

Les stabilisations statiques et dynamiques sont disponibles pour tous nos cristaux.

7. METHODES DE MESURE ACTIVE

La fréquence et les paramètres dynamiques peuvent être mesurés au moyen d’un TEST-SET, qui est le standard dans l’industrie du quartz. Toutefois, cette méthode ne permet d’obtenir qu’une précision limitée et ne peut être utilisée pour les quartz haute-fréquence. De même, les capacités de charge inférieures à 18 pF ne peuvent être mesurées.

Seul un test direct sur le circuit oscillateur client peut fournir une grande précision en haute-fréquence. On évite ainsi un certain nombre de problèmes de compatibilité.

8. METHODES DE MESURE PASSIVE

Cette méthode est décrite dans le standard IEC-444. Le quartz est donné dans un pont de mesure en permettant la mesure de phase. C’est actuellement la procédure de test la plus précise et elle représente la seule solution valable au-dessus de 60 MHz. Les cristaux peuvent également être testés sur analyseur de réseau, mais il n’existe actuellement aucun accord international sur ce procédé.

9. DONNEES DE TEST DISPONIBLES

Plusieurs données de test peuvent être obtenues de MATEL :

  fréquence à la température de référence,
  paramètres dynamiques,
  courbes de température,
  courbes de variation en température de l’ESR,
  courbes de suivi en température,
  réponse aux modes parasites,
  tests de stabilisation (vieillissement),
  données d’environnement.

Les certificats de conformité aux différents standards sont également disponibles.

10. QUARTZ POUR OSCILLATEURS

L’utilisation des quartz dans les applications où une grande stabilité ou des propriétés spéciales sont requises implique la prise en compte de différents paramètres lors du développement de l’oscillateur et de la spécification du quartz.

La stabilité en température, les réactions aux variations de tension d’alimentation et de charge, le temps d’établissement et la stabilité à long terme dépendent dans une large mesure de la prise en compte de ces paramètres lors du développement du circuit.

Une attention particulière devrait être accordée à la spécification des paramètres du quartz en fonction des performances de l’oscillateur.
Pour certaines applications, C1, Co, ESR ou l’atténuation des modes parasites doivent être spécifiés. Des paramètres additionnels tels que les discontinuités de fréquence et la variation de l’ESR en fonction de la température peuvent être nécessaires pour les applications à tolérance serrée. Pour les quartz overtone ou à coupe SC, un circuit d’accord est nécessaire afin de garantir l’oscillation dans le mode de fonctionnement désiré.