Qu'est-ce qu'un oscillateur ? Tout ce que vous devez savoir

Pratiquement chaque circuit imprimé récent embarque un oscillateur sous une forme ou une autre, et la plupart des circuits intégrés en contiennent eux aussi. Mais qu'est-ce qu'un oscillateur, au juste ? C'est un composant essentiel qui produit un signal électronique périodique, le plus souvent une onde sinusoïdale ou carrée. Concrètement, un oscillateur transforme une tension continue (CC) en signaux alternatifs (CA) périodiques, que l'on peut exploiter pour fixer une fréquence, alimenter des applications audio ou servir de signal d'horloge. Tous les microcontrôleurs et microprocesseurs ont besoin d'un oscillateur pour cadencer leur signal d'horloge et fonctionner. Certains en intègrent un, d'autres exigent un oscillateur externe — quand ils ne combinent pas les deux : un oscillateur interne peu précis, complété au besoin par un signal externe.

Les dispositifs électroniques se servent du signal d'horloge comme référence temporelle, ce qui leur permet d'enchaîner leurs opérations de façon cohérente. D'autres exploitent le signal de l'oscillateur pour générer d'autres fréquences, par exemple pour des fonctions audio ou la production de signaux radio.

Bien comprendre les différents types d'oscillateurs et leur fonctionnement vous aidera à choisir celui qui convient vraiment à votre projet. Pour créer un signal radio, par exemple, il vous faudra un oscillateur bien plus précis que pour d'autres usages. On a vite fait de négliger l'oscillateur dans un projet et de se contenter du premier venu, pourvu qu'il couvre la plage de fréquence de la fiche technique, qu'il tienne dans l'espace disponible sur la carte et qu'il respecte le budget. Le choix peut pourtant s'avérer nettement plus subtil, selon les besoins en énergie de la carte, la place disponible et la précision de fréquence recherchée. Certains oscillateurs se contentent de quelques microampères, voire moins, là où d'autres réclament plusieurs ampères.

On distingue deux grandes familles d'oscillateurs : les oscillateurs harmoniques et les oscillateurs à relaxation. Les premiers produisent une onde sinusoïdale : circuits RC, LC, circuits résonants, résonateurs céramiques et oscillateurs à quartz appartiennent tous à cette catégorie.

Dans cet article, nous passerons en revue :

• Les oscillateurs à résistance-condensateur (RC)

• Les oscillateurs à inductance-condensateur (LC)

• Les résonateurs céramiques

• Les oscillateurs à quartz

• Les modules d'oscillateur à cristal

• Les oscillateurs MEMS

• Les oscillateurs au silicium

Même si vous ne comptez pas forcément construire vous-même un oscillateur RC ou LC — et que vous lisez plutôt cet article pour vous renseigner sur les oscillateurs en boîtier, prêts à être posés sur une carte —, je commencerai tout de même par les oscillateurs RC et LC. Comprendre leur fonctionnement et leurs limites est essentiel, car de nombreux CI à oscillateur intégré reposent justement sur un circuit RC ou LC. 

En saisissant leur principe, vous distinguerez mieux les cas où l'oscillateur intégré suffit de ceux qui appellent une source d'horloge externe. Et si vous souhaitez approfondir le sujet des oscillateurs et des horloges, rien ne vous empêche de monter un oscillateur RC ou LC sur une plaque d'essai et de l'observer à l'oscilloscope. Avant d'entrer dans le vif du sujet, comparons rapidement les différents types d'oscillateurs.

Comparaison des performances des oscillateurs

Une remarque sur le tableau ci-dessous : chaque option se décline en une grande variété de modèles sur le marché. Pour les oscillateurs MEMS à fréquence fixe, par exemple, les références régulièrement en stock chez Digi-Key affichent une stabilité de fréquence allant de 150 parties par million à 50 parties par milliard. Cette très large plage de stabilité s'accompagne d'une gamme de prix tout aussi étendue : un type d'oscillateur peut proposer des options d'une stabilité ou d'une précision extrêmes sur une large plage de température, sans pour autant exclure qu'une autre option revienne moins cher pour le niveau de précision dont vous avez réellement besoin. 

Pour prendre un exemple extrême : l'oscillateur à cristal Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10 MHz VCOCXO affiche une stabilité de fréquence de seulement ± 1,5 partie par milliard. L'oscillateur atomique IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10 MHz coûte, lui, plus de dix fois plus cher à l'unité pour la même stabilité de ± 1,5 ppb. Il n'empêche : dans certains cas, l'oscillateur atomique à 2 000 $ restera le meilleur choix lorsqu'une précision extrême s'impose. IQD Frequency Products fabrique d'ailleurs un VCOCXO dont la stabilité atteint le chiffre stupéfiant de ± 1 ppb, sur une plage de température plus large que l'oscillateur atomique, pour moins du double du prix du Connor-Winfield à l'unité et tout de même bien moins cher que la solution atomique. Je trouve déjà remarquable que l'on puisse se procurer aujourd'hui des sources d'horloge atomiques sans difficulté ; plus fou encore : un simple oscillateur à cristal peut se montrer plus précis, pour une fraction du prix.

Oscillateurs RC

Maintenant que nous avons une vue d'ensemble, attaquons l'oscillateur le plus simple et les principes qui le sous-tendent. L'oscillateur RC est un montage que l'on construit facilement sur une plaque d'essai, avec des composants très basiques. Un oscillateur RC (résistance-condensateur) est un oscillateur à rétroaction bâti autour de résistances et de condensateurs, auxquels s'ajoute un élément amplificateur — transistor ou amplificateur opérationnel. La sortie de l'amplificateur est réinjectée dans le réseau RC, ce qui crée une rétroaction positive et entretient des oscillations répétées.

La plupart des microcontrôleurs et de nombreux autres circuits intégrés numériques qui ont besoin d'un signal d'horloge embarquent un réseau d'oscillateur RC pour générer leur horloge interne.

Principe de fonctionnement

Le réseau RC d'un oscillateur RC déphase le signal de 180 degrés.

La rétroaction positive est nécessaire pour ajouter 180 degrés de déphasage supplémentaires. On obtient alors 180 + 180 = 360 degrés, ce qui revient à 0 degré. Le déphasage total du circuit doit donc valoir 0, 360, ou tout autre multiple de 360 degrés. 

On met à profit le déphasage qui apparaît entre l'entrée et la sortie d'un réseau RC, en plaçant des cellules RC en cascade dans la branche de rétroaction. Sur l'image ci-dessus, chaque cellule RC introduit un retard de phase de 60 degrés ; trois cellules cumulent donc 180 degrés de déphasage.

Pour un réseau RC idéal, le déphasage maximal est de 90 degrés. Pour atteindre 180 degrés, un oscillateur a donc besoin d'au moins deux cellules RC. En pratique, il est toutefois difficile d'obtenir exactement 90 degrés par cellule : on multiplie donc les cellules RC en cascade pour atteindre la valeur voulue et la fréquence d'oscillation recherchée.

Un réseau RC simple, idéal, fournirait un déphasage maximal d'exactement 90 degrés. Comme l'oscillation réclame 180 degrés, il faut au moins deux cellules à un seul pôle pour réaliser un oscillateur RC. 

Le déphasage réel du réseau RC dépend des valeurs de résistance et de condensateur choisies pour la fréquence visée.

En mettant plusieurs réseaux RC en cascade, on obtient 180 degrés de déphasage à la fréquence choisie. Cette mise en cascade constitue le cœur de l'oscillateur RC, aussi appelé oscillateur à déphasage. En ajoutant un étage d'amplification — transistor bipolaire ou amplificateur inverseur —, on produit 180 degrés de déphasage entre l'entrée et la sortie, ce qui fournit les 360 degrés complets (soit un retour à 0 degré) requis, comme indiqué plus haut.

Schéma de base de l'oscillateur RC

Le circuit de base de l'oscillateur RC produit une onde sinusoïdale grâce à une rétroaction régénérative issue du réseau RC en échelle. Cette rétroaction régénérative vient de la capacité du condensateur à stocker une charge électrique.

Le réseau de rétroaction résistance-condensateur peut être câblé pour produire un déphasage en avance (réseau à avance de phase) ou en retard (réseau à retard de phase). On peut modifier une ou plusieurs résistances ou condensateurs du circuit de déphasage RC pour ajuster la fréquence du réseau. Il est possible de conserver des résistances identiques et d'utiliser des condensateurs variables, puisque la réactance capacitive varie avec la fréquence. Pour une nouvelle fréquence, il peut toutefois être nécessaire de réajuster le gain en tension de l'amplificateur.

En choisissant les résistances et les condensateurs des réseaux RC, la fréquence des oscillations RC vaut :

R — résistance des résistances de rétroaction
C — capacité des condensateurs de rétroaction
N — nombre de réseaux RC en cascade

La combinaison du réseau oscillateur RC se comporte cependant comme un atténuateur : elle affaiblit le signal à chaque étage RC traversé. Le gain en tension de l'étage amplificateur doit donc être suffisant pour compenser cette perte. 

Le circuit oscillateur RC le plus répandu est l'oscillateur RC à avance de phase à amplificateur opérationnel.

Le réseau RC doit être relié à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel, qui se trouve ainsi configuré en amplificateur inverseur. Cette configuration apporte un déphasage de 180 degrés en sortie, soit, avec les réseaux RC, un total de 360 degrés.

L'autre configuration de l'oscillateur RC est l'oscillateur à déphasage à amplificateur opérationnel.

Oscillateur LC

L'oscillateur LC, ou oscillateur à inductance-capacité, utilise un circuit résonant pour produire la rétroaction positive qui entretient l'oscillation. Le montage comprend une inductance, un condensateur et un élément amplificateur. 

Principe de fonctionnement

Le circuit résonant se compose d'un condensateur et d'une inductance montés en parallèle. Le schéma ci-dessus comporte aussi un interrupteur et une source de tension, afin d'illustrer le principe : lorsque l'interrupteur relie le condensateur à la source de tension, le condensateur se charge.

Lorsque l'interrupteur relie le condensateur à l'inductance, le condensateur se décharge dans la bobine. Le courant qui s'y établit stocke alors de l'énergie en créant un champ électromagnétique autour de la bobine. 

Une fois le condensateur déchargé, son énergie s'est entièrement transférée dans la bobine sous forme de champ électromagnétique. À mesure que l'énergie fournie par le condensateur diminue, le courant dans la bobine décroît à son tour, et le champ électromagnétique s'effondre. Par induction électromagnétique, la bobine génère alors une force contre-électromotrice (FCEM), égale à L(di/dt) et opposée à la variation de courant. Cette FCEM se met à recharger le condensateur : l'énergie du champ magnétique de la bobine est de nouveau stockée sous forme de champ électrostatique dans le condensateur.

Avec une inductance et un condensateur idéaux, ce circuit oscillerait indéfiniment. Mais un condensateur présente des fuites de courant, et une inductance, une résistance. En réalité, les oscillations ressemblent donc à la courbe ci-dessous, car de l'énergie se perd peu à peu : c'est ce qu'on appelle l'amortissement.

Pour entretenir les oscillations, il faut compenser cette perte d'énergie du circuit résonant en ajoutant des composants actifs : transistors bipolaires, transistors à effet de champ ou amplificateurs opérationnels. Leur rôle est d'apporter le gain nécessaire, de favoriser la rétroaction positive et de combler les pertes.

Oscillateur à collecteur accordé

L'oscillateur à collecteur accordé associe un transformateur et un condensateur montés en parallèle, commutés par un transistor. C'est le montage d'oscillateur LC le plus élémentaire. L'enroulement primaire du transformateur et le condensateur forment le circuit résonant, tandis que l'enroulement secondaire assure la rétroaction positive en renvoyant une partie de l'énergie du circuit résonant vers la base du transistor.

Oscillateur de Colpitts

L'oscillateur de Colpitts est un oscillateur à circuit LC longtemps incontournable dans les applications RF. Il convient jusqu'à plusieurs centaines de mégahertz. Le montage comprend deux condensateurs en série formant un diviseur de tension, qui assure la rétroaction vers le transistor, avec une inductance en parallèle. Plutôt stable, cet oscillateur reste délicat à accorder ; on l'associe souvent à un montage en émetteur suiveur pour ne pas charger le circuit résonant.

Oscillateur de Clapp

Pour contourner les difficultés d'accordage de l'oscillateur de Colpitts à une fréquence précise en production, on ajoute souvent un condensateur variable en série avec l'inductance : on obtient alors un oscillateur de Clapp. Cette modification permet d'accorder le circuit à la fréquence requise, aussi bien en production qu'en service. Ce type d'oscillateur LC reste malheureusement assez sensible aux variations de température et à la capacité parasite.

Résonateur céramique

Un matériau céramique piézoélectrique muni de deux électrodes métalliques ou plus (généralement trois) forme la base d'un résonateur céramique. Dans un circuit, l'élément piézoélectrique entre en résonance mécanique et génère un signal oscillant à une fréquence précise — à la manière d'un diapason. Les résonateurs céramiques sont peu coûteux ; leur tolérance de fréquence n'est cependant que de l'ordre de 2 500 à 5 000 ppm. Cette tolérance de 0,25 % à 0,5 % de la fréquence cible les écarte des applications de précision, mais ils peuvent représenter une belle économie lorsque l'exactitude absolue n'est pas requise.

Avec des fréquences allant de moins de 1 kHz à plus de 1 GHz, les résonateurs céramiques exploitent toute une variété de matériaux et de modes de vibration. Il peut être crucial de connaître le mode de résonance employé par le composant que vous intégrez : des facteurs environnementaux comme les vibrations et les chocs peuvent en effet perturber son fonctionnement au sein de votre circuit.

Oscillateur à quartz

L'oscillateur à quartz est le type d'oscillateur à cristal le plus répandu sur le marché. Dès que la précision et la stabilité sont critiques, le choix se porte avant tout sur les oscillateurs à cristal et leurs variantes. La stabilité d'un oscillateur à cristal se mesure en ppm (parties par million) et s'échelonne, selon le modèle, de 0,01 % à 0,0001 % entre −20 et +70 °C. À titre de comparaison, un oscillateur RC plafonne à 0,1 % et un LC à 0,01 %, mais ils tournent plus souvent autour de 2 % et restent très sensibles aux variations de température. Un cristal de quartz oscille en ne demandant que très peu d'énergie pour rester actif, comparé à bien d'autres oscillateurs, ce qui le rend idéal pour les applications à faible consommation. 

Lorsqu'on excite le cristal par un choc — compression physique ou, dans notre cas, tension appliquée —, il vibre mécaniquement à une fréquence précise. Cette vibration se maintient un certain temps et génère une tension alternative entre ses bornes : c'est l'effet piézoélectrique, le même que pour un résonateur céramique. Par rapport à un circuit LC, l'oscillation du cristal se prolonge bien plus longtemps après l'excitation initiale, grâce à son facteur Q naturellement élevé. Pour un quartz de haute qualité, un facteur Q de 100 000 n'a rien d'exceptionnel, là où un circuit LC plafonne généralement à quelques centaines. Malgré ce facteur Q bien supérieur, le cristal ne peut pas résonner indéfiniment : la vibration mécanique entraîne des pertes, si bien qu'il lui faut, comme aux oscillateurs RC et LC, un circuit d'amplification. Pour la plupart des composants conçus pour recevoir une source d'horloge externe à cristal, cette amplification est intégrée, et les seuls composants à ajouter sont les condensateurs de charge. Ces condensateurs de charge sont essentiels : si leur capacité est incorrecte, l'oscillateur ne sera pas stable. La fiche technique de l'oscillateur indique en général des valeurs conseillées, ou fournit une équation pour calculer la valeur adaptée à votre circuit.

Autres points à considérer :

1. Placez les condensateurs et le cristal de quartz le plus près possible du microcontrôleur (MCU).

2. Utilisez des pistes aussi courtes et larges que possible pour limiter l'inductance parasite.

Il existe de nombreuses variantes de l'oscillateur à quartz ; au-delà du cristal classique, ou "XO", vous ne ferez toutefois appel aux autres options que pour des usages spécialisés. Ces oscillateurs spécialisés peuvent coûter très cher, mais offrent des oscillations étonnamment stables et précises dans des environnements extrêmement difficiles, là où une précision absolue est exigée. La grande majorité des projets n'auront besoin de rien de plus qu'un TCXO de la liste ci-dessous, mais ces composants méritent peut-être que vous vous y attardiez. 

Cette liste provient de Wikipédia :

• ATCXO — Oscillateur à cristal contrôlé en température (analogique)

• CDXO — Oscillateur à double cristal calibré

• DTCXO — Oscillateur à cristal compensé en température (numérique)

• EMXO — Oscillateur à cristal miniature sous vide

• GPSDO — Oscillateur discipliné par GPS

• MCXO — Oscillateur à cristal compensé par micro-ordinateur

• OCVCXO — Oscillateur à cristal contrôlé par tension et thermostaté (four)

• OCXO — Oscillateur à cristal thermostaté (four)

• RbXO — Oscillateur à cristal au rubidium : un oscillateur à cristal (parfois un MCXO) synchronisé sur un étalon au rubidium intégré, utilisé seulement de temps à autre pour économiser l'énergie

• TCVCXO — Oscillateur à cristal compensé en température et contrôlé par tension

• TCXO — Oscillateur à cristal compensé en température

• TMXO — Oscillateur à cristal miniature tactique

• TSXO — Oscillateur à cristal sensible à la température, une variante du TCXO

• VCTCXO — Oscillateur à cristal compensé en température et contrôlé par tension

• VCXO — Oscillateur à cristal contrôlé par tension

Modules d'oscillateur à cristal

Supposons que vous cherchiez une source d'horloge précise pour une application dépourvue des circuits d'amplification nécessaires à un oscillateur à quartz. Un module oscillateur peut alors être une excellente solution : il intègre tous les circuits requis pour fournir une horloge amplifiée et tamponnée. Comme souvent avec les composants entièrement intégrés, cette commodité se paie — les prix sont généralement bien plus élevés que ceux du quartz seul, et l'encombrement est supérieur. Cela dit, un module peut rester plus compact que de bâtir soi-même les circuits d'amplification et de mise en tampon, tout en évitant de se soucier de la stabilité.

La plupart des modules oscillateurs associent un cristal et une porte inverseuse CMOS dans un montage oscillateur de Pierce. Les inverseurs CMOS sont moins stables et plus gourmands en énergie que les montages à transistors, mais les portes à inverseur CMOS sont simples à mettre en œuvre et parfaitement adaptées à de nombreuses applications. 

Oscillateurs MEMS

Les oscillateurs MEMS, ou systèmes microélectromécaniques, sont des dispositifs de chronométrage précis fondés sur la technologie MEMS — une technologie relativement récente. Ils associent des résonateurs MEMS, des amplis-op et d'autres composants destinés à régler ou ajuster la fréquence de sortie. Ils intègrent souvent des boucles à verrouillage de phase (PLL) qui produisent des fréquences de sortie sélectionnables ou programmables.

Un résonateur MEMS fonctionne comme un minuscule diapason vibrant à haute fréquence. Comme les composants MEMS sont petits, ils peuvent vibrer à des fréquences très élevées, leurs structures résonantes accordées couvrant des fréquences de quelques dizaines de kHz à plusieurs centaines de MHz. 

Les résonateurs MEMS sont entraînés mécaniquement et se répartissent en deux familles : électrostatique et piézoélectrique. Les oscillateurs MEMS recourent principalement à la transduction électrostatique, les résonateurs à transduction piézoélectrique n'étant pas assez stables ; ces derniers trouvent surtout leur place dans les applications de filtrage.

L'un des grands atouts des oscillateurs MEMS est de pouvoir alimenter plusieurs charges et donc de remplacer plusieurs oscillateurs à quartz dans un même circuit, ce qui réduit nettement le coût et l'espace occupé sur la carte. Comparée aux autres oscillateurs, y compris à quartz, leur consommation est extrêmement faible, grâce au faible courant de base requis. Cette sobriété peut prolonger sensiblement l'autonomie des appareils sur batterie, voire éviter d'avoir à couper l'oscillateur principal pour économiser l'énergie. Contrairement aux autres oscillateurs, les MEMS ne réclament aucun composant externe, ce qui fait gagner encore de la place et de l'argent. Les premiers oscillateurs MEMS peinaient quelque peu côté stabilité ; on trouve aujourd'hui sur le marché des modèles atteignant ± 8 parties par milliard… à condition d'y mettre le prix. 

Oscillateurs au silicium

Comme indiqué en début d'article, de nombreux composants intègrent un oscillateur directement dans leur silicium. Les oscillateurs au silicium sont pour l'essentiel identiques, simplement proposés dans un boîtier distinct. Ce circuit intégré vous fournit un oscillateur RC complet réalisé en silicium. Il offre une meilleure adaptation et une meilleure compensation que ce que l'on obtient généralement, à coût équivalent, avec des composants passifs, le tout dans un boîtier plus compact. Les oscillateurs au silicium constituent un atout de taille pour les appareils soumis aux chocs ou aux vibrations, car ils ne comportent aucun élément résonant mécanique. Sur la plupart des sites de distributeurs, vous les trouverez d'ailleurs dans la catégorie Circuits intégrés plutôt que dans la catégorie Oscillateurs.

Outre ses avantages en environnement difficile, un oscillateur au silicium est généralement programmable. Les options de programmation varient d'un composant à l'autre, mais une résistance de réglage de fréquence ou une interface SPI/I²C est fréquente. Leur erreur de fréquence reste certes relativement médiocre — de l'ordre de 1 à 2 % —, mais ils sont compacts et ne demandent qu'un condensateur de découplage sur l'alimentation. Ils peuvent constituer une solution économique face aux autres oscillateurs dans les applications peu exigeantes en précision.

Résumé

Choisir la source d'horloge idéale n'a rien d'évident. De nombreux facteurs entrent en jeu : stabilité globale, sensibilité aux variations de température, aux vibrations, à l'humidité et aux interférences électromagnétiques (EMI), mais aussi coût, taille, consommation d'énergie, complexité du tracé et composants additionnels. 

Dans bien des cas, un oscillateur RC intégré ou au silicium fait parfaitement l'affaire, car l'application ne réclame pas de précision supplémentaire. S'appuyer sur l'oscillateur interne permet de gagner du temps de conception, de réduire les coûts et de limiter le risque technique. Les applications modernes exigent toutefois de plus en plus de précision, ce qui impose un oscillateur externe — quartz, céramique ou MEMS.

Par exemple, l'USB haute vitesse réclame une précision de fréquence d'au moins 0,25 %, alors que d'autres communications externes se contentent de sources d'horloge stables à 5 %, 10 %, voire 20 %. D'autres bus rapides et applications RF exigent souvent une précision de fréquence bien supérieure à celle de l'USB.

La consommation des oscillateurs de microcontrôleurs dépend du courant d'alimentation de l'amplificateur de rétroaction et des valeurs de capacité employées. Comme cette consommation varie surtout avec la fréquence, si vous concevez un appareil à très faible consommation, abaissez votre fréquence d'horloge au minimum permettant encore au composant d'accomplir sa tâche. Vous découvrirez souvent qu'un microcontrôleur dispose de nombreux cycles d'horloge inutilisés, qui consomment tous de l'énergie pour rien.

Les circuits à résonateur céramique imposent généralement des capacités de charge plus élevées que les circuits à cristal et consomment davantage de courant à amplificateur identique. Les modules d'oscillateur à cristal, eux, consomment généralement entre 10 et 60 mA, en raison des fonctions de compensation de température et de régulation qu'ils embarquent.

Il existe de nombreux types d'oscillateurs, chacun avec ses avantages et ses inconvénients. Pour les usages courants, où un cadencement précis n'est pas vraiment critique, presque n'importe quel oscillateur respectant la fréquence requise conviendra. Pour les circuits de haute précision, vous pourrez envisager des composants plus onéreux comme les oscillateurs MEMS, capables d'offrir une stabilité de l'ordre de quelques parties par milliard, même sur une large plage de température — mais attendez-vous alors à débourser des dizaines, voire des centaines de dollars par oscillateur.

Pour un contrôleur de LED ou des circuits similaires, où un microcontrôleur se contente d'exécuter du code de gestion ou d'interface, l'oscillateur RC intégré suffira amplement. À l'inverse, imaginez un submersible grand fond capable de suivre sa position avec précision : un oscillateur stable à seulement quelques parties par milliard sur une large plage de température y constituerait le strict minimum. Plus vous cherchez à fusionner finement des données de capteurs, ou plus la bande visée pour vos communications radio est étroite, plus votre oscillateur devra être stable. De même, si vous multipliez fortement votre fréquence — en créant par exemple un signal de l'ordre du gigahertz à partir d'un oscillateur en mégahertz —, l'oscillateur devra être d'autant plus stable, car la moindre erreur s'en trouvera amplifiée.

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