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

Pratiquement chaque circuit imprimé fabriqué récemment possède un oscillateur sous une forme ou une autre, et la plupart des circuits intégrés contiennent également des oscillateurs. Vous vous demandez peut-être, qu'est-ce qu'un oscillateur ? Les oscillateurs sont des composants essentiels qui produisent un signal électronique périodique, typiquement une onde sinusoïdale ou carrée. Les oscillateurs convertissent le signal DC en signaux AC périodiques qui peuvent être utilisés pour définir la fréquence, être utilisés pour des applications audio, ou utilisés comme signal d'horloge. Tous les microcontrôleurs et microprocesseurs nécessitent un oscillateur pour définir le signal d'horloge afin de fonctionner. Certains dispositifs en possèdent un intégré, et d'autres nécessitent un oscillateur externe - ou les deux, ayant un oscillateur interne de faible précision avec la possibilité de fournir un signal externe.

Les dispositifs électroniques utilisent le signal d'horloge comme référence temporelle, permettant d'effectuer des actions de manière cohérente. D'autres dispositifs utilisent le signal de l'oscillateur pour générer d'autres fréquences qui peuvent fournir des fonctions audio ou générer des signaux radio.

Comprendre les différents types d'oscillateurs et leur fonctionnement peut vous permettre de choisir l'oscillateur correct pour votre projet. Si vous essayez de créer un signal radio, vous aurez besoin d'un oscillateur beaucoup plus précis que ce dont vous pourriez avoir besoin pour d'autres dispositifs. Les oscillateurs sont quelque chose qui peut être facilement négligé dans un projet, avec l'attitude de simplement prendre n'importe quel vieux oscillateur qui est dans la plage de fréquence spécifiée dans la fiche technique qui convient à l'espace sur le circuit imprimé et aux exigences de coût. Cependant, le choix peut être substantiellement plus complexe, en fonction des besoins en puissance pour le PCB, de l'espace disponible sur le circuit et de la précision de fréquence requise. Certains oscillateurs fonctionnent avec des microampères ou moins d'énergie, tandis que d'autres ont besoin de plusieurs ampères pour fonctionner.

Les oscillateurs se répartissent en deux grandes catégories : harmoniques et de relaxation. Les oscillateurs harmoniques créent une forme d'onde sinusoïdale, les circuits RC, LC, les circuits à résonance, les résonateurs céramiques et les oscillateurs à quartz entrent tous dans cette catégorie.

Dans cet article, nous allons examiner :

• Oscillateurs à Résistance-Condensateur (RC)
• Oscillateurs à Inductance-Condensateur (LC)
• Résonateurs Céramiques
• Oscillateurs à Quartz
• Modules d'Oscillateur à Cristal
• Oscillateurs MEMS
• Oscillateurs en Silicone

Bien que vous ne cherchiez pas nécessairement à construire vous-même un oscillateur RC ou LC, mais que vous lisiez cet article pour obtenir des informations sur les oscillateurs emballés que vous pouvez simplement ajouter à un circuit - je vais commencer par parler des oscillateurs RC et LC. Il est essentiel de comprendre comment ils fonctionnent et quels peuvent être leurs inconvénients, car de nombreux CI avec oscillateurs intégrés utilisent un circuit RC ou LC. 

En comprenant comment ils fonctionnent, vous pouvez mieux comprendre quand il est approprié d'utiliser l'oscillateur intégré, et quand il est approprié d'ajouter une source d'horloge externe. Si vous cherchez à en savoir plus sur les oscillateurs et les horloges, vous pouvez facilement construire un oscillateur RC ou LC sur une plaque d'essai et le tester avec un oscilloscope. Avant de plonger là-dedans, jetons un coup d'œil rapide à une comparaison entre chaque type d'oscillateur.

Comparaison des Performances des Oscillateurs

Il est important de noter pour le tableau ci-dessous que chaque option dispose d'une grande variété de dispositifs différents disponibles sur le marché. Lorsqu'on examine les oscillateurs MEMS à fréquence fixe, par exemple, les options régulièrement en stock chez DigiKey varient entre 150 parties par million à 50 parties par milliard en termes de stabilité de fréquence. Cette énorme gamme de stabilité de fréquence s'accompagne également d'une vaste gamme de prix, donc là où un type d'oscillateur pourrait offrir des options pour une stabilité ou une précision extrêmement élevées sur une large plage de températures, cela ne signifie pas qu'une autre option ne pourrait pas être moins chère pour vos besoins de précision. 

En tant qu'exemple extrême de cela, l'oscillateur à cristal Connor-Winfield OX200-SC-010.0M 10MHz VCOCXO présente une stabilité de fréquence de seulement +/- 1,5 parties par milliard. L'oscillateur atomique IQD Frequency Products LFRBXO059244BULK 10MHz est plus de dix fois plus cher en quantités unitaires pour la même stabilité de fréquence de +/- 1,5ppb. Malgré cela, il y aura des moments où l'oscillateur atomique à 2000 $ sera le choix supérieur pour un oscillateur extrêmement précis. IQD Frequency Products fabrique également un VCOCXO qui présente une stabilité de fréquence stupéfiante de +/- 1ppb sur une plage de température plus large que l'oscillateur atomique. À moins de deux fois le prix de l'appareil Connor-Winfield en volumes de quantité unitaire, et toujours moins de dix fois moins cher que l'option atomique. Il est incroyable pour moi que nous puissions avoir des sources d'horloge atomique facilement sourceables aujourd'hui, et encore plus fou que nous puissions avoir un oscillateur à cristal qui est plus précis pour une fraction du prix.

Oscillateurs RC=rc>

Maintenant que nous avons eu un aperçu général des options, plongeons directement dans l'oscillateur le plus basique et les principes qui le sous-tendent - l'oscillateur RC est un dispositif que vous pouvez facilement construire sur une breadboard avec des composants électroniques très basiques. Un oscillateur RC (résistance-condensateur) est un type d'oscillateur à rétroaction qui est construit en utilisant des résistances et des condensateurs, ainsi qu'un dispositif d'amplification tel qu'un transistor ou un amplificateur opérationnel. Le dispositif d'amplification se réinjecte dans le réseau RC, ce qui provoque une rétroaction positive et génère des oscillations répétées.

La plupart des microcontrôleurs et de nombreux autres circuits intégrés numériques qui nécessitent un signal d'horloge pour effectuer des actions contiennent un réseau d'oscillateur RC en leur sein pour créer leur source d'horloge interne.

Principe de fonctionnement

Le réseau RC d'un oscillateur RC décale la phase du signal de 180 degrés.

Le retour positif est nécessaire pour décaler la phase du signal de 180 degrés supplémentaires. Ce décalage de phase nous donne alors 180 + 180 = 360 degrés de décalage de phase, ce qui est effectivement la même chose que 0 degré. Par conséquent, le décalage de phase total du circuit doit être de 0, 360, ou un autre multiple de 360 degrés. 

Nous pouvons utiliser le fait qu'un décalage de phase se produit entre l'entrée d'un réseau RC et la sortie du même réseau, en utilisant des éléments RC interconnectés dans la branche de retour. Dans l'image ci-dessus, nous pouvons voir que chaque réseau RC en cascade fournit un retard de tension de phase de 60 degrés. Trois réseaux ensemble produisent un décalage de phase de 180 degrés.

Pour les réseaux RC idéaux, le décalage de phase maximum peut être de 90 degrés. Par conséquent, pour créer un décalage de phase de 180 degrés, les oscillateurs nécessitent au moins deux réseaux RC. Cependant, il est difficile d'atteindre précisément 90 degrés de décalage de phase avec chaque étage de réseau RC. Nous devons utiliser plus d'étages de réseau RC en cascade pour produire la valeur requise et la fréquence d'oscillation souhaitée.

Un réseau RC simple ou idéal produirait un décalage de phase maximal de précisément 90 degrés. Pour l'oscillation, nous avons besoin de 180 degrés de décalage de phase, donc, pour créer un oscillateur RC, nous devons utiliser au moins deux réseaux à un seul pôle. 

Le décalage de phase réel du réseau RC dépend de la valeur de la résistance et du condensateur choisies pour la fréquence désirée.

En cascade plusieurs réseaux RC, nous pouvons obtenir 180 degrés de décalage de phase à la fréquence choisie. Cette cascade de réseaux forme la base de l'oscillateur RC, autrement connu sous le nom d'Oscillateur à Déphasage. En ajoutant un étage d'amplification utilisant un transistor à jonction bipolaire ou un amplificateur inverseur, nous pouvons produire un décalage de phase de 180 degrés entre son entrée et sa sortie pour fournir le décalage complet de 360 degrés retour à 0 degré que nous exigeons, comme mentionné ci-dessus.

Schéma Basique de l'Oscillateur RC

Le circuit principal de l'Oscillateur RC produit un signal de sortie en forme d'onde sinusoïdale en utilisant une rétroaction régénérative obtenue à partir du réseau d'échelle RC. La rétroaction régénérative se produit en raison de la capacité du condensateur à stocker une charge électrique.

Le réseau de rétroaction Résistance-Condensateur peut être connecté pour produire un déphasage avancé (réseau à avance de phase) ou peut être connecté pour créer un déphasage retardé (réseau à retard de phase). Un ou plusieurs résistances ou condensateurs du circuit de déphasage RC peuvent être modifiés pour ajuster la fréquence du réseau. Ce changement peut être réalisé en gardant les résistances identiques et en utilisant des condensateurs variables car la réactance capacitive varie avec la fréquence. Cependant, pour la nouvelle fréquence, il pourrait être nécessaire d'ajuster le gain en tension de l'amplificateur.

Si nous choisissons les résistances et les condensateurs pour les réseaux RC, alors la fréquence des oscillations RC serait :

R - Résistance des résistances de rétroaction
C - Capacité des condensateurs de rétroaction
N - Nombre de réseaux RC en cascade

Cependant, la combinaison du réseau oscillateur RC fonctionne comme un atténuateur, et elle réduit le signal d'une certaine quantité à mesure qu'il passe à travers chaque étage RC. Ainsi, le gain en tension de l'étage amplificateur devrait être suffisant pour restaurer le signal perdu. 

Le circuit oscillateur RC le plus courant est un oscillateur RC à avance de phase avec ampli-op.

Le réseau RC doit être connecté à l'entrée inverseuse de l'Op-Amp, le configurant ainsi en amplificateur inverseur. La configuration inverseuse procure un déphasage de 180 degrés en sortie, conduisant à un total de 360 degrés combiné avec les réseaux RC.

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

Oscillateur LC

L'oscillateur LC ou oscillateur à inductance-capacitance est un type d'oscillateur qui utilise un circuit résonant pour produire une rétroaction positive permettant de soutenir l'oscillation. Le schéma contient une inductance, un condensateur, et également un composant amplificateur. 

Principe de fonctionnement

Le circuit résonant est un condensateur et une inductance connectés en parallèle, le diagramme ci-dessus inclut également l'interrupteur et la source de tension pour faciliter la démonstration du principe de fonctionnement lorsque l'interrupteur connecte le condensateur à l'alimentation en tension, le condensateur se charge.

Quand l'interrupteur connecte le condensateur et l'inductance, le condensateur se décharge à travers l'inductance. Le courant croissant à travers l'inductance commence à stocker de l'énergie en induisant un champ électromagnétique autour de la bobine. 

Lorsque l'interrupteur connecte le condensateur et l'inducteur, le condensateur se décharge à travers l'inducteur. Le courant croissant à travers l'inducteur commence à stocker de l'énergie en induisant un champ électromagnétique autour de la bobine. Après avoir déchargé le condensateur, l'énergie de celui-ci a été transférée dans l'inducteur sous forme de champ électromagnétique. À mesure que le flux d'énergie provenant du condensateur diminue, le flux de courant à travers l'inducteur diminue également - cela provoque la chute du champ électromagnétique de l'inducteur. En raison de l'induction électromagnétique, l'inducteur va créer une FCEM (force contre-électromotrice), qui est égale à L(di/dt) en opposition au changement de courant. Cette FCEM commence alors à charger le condensateur. Une fois que le condensateur a absorbé l'énergie du champ magnétique de l'inducteur, l'énergie est à nouveau stockée sous forme de champ électrostatique à l'intérieur du condensateur.

Si nous avions un inducteur et un condensateur idéaux, ce circuit pourrait générer des oscillations pour toujours. Cependant, un condensateur a une fuite de courant, et les inducteurs ont une résistance. Dans la réalité, cependant, les oscillations ressembleraient à ce qui est décrit ci-dessous, car de l'énergie est perdue. Cette perte est appelée amortissement.

Si nous voulons maintenir les oscillations, nous devons compenser la perte d'énergie du circuit résonant par l'ajout de composants actifs au circuit, tels que les transistors à jonction bipolaire, les transistors à effet de champ électrique, ou amplificateurs opérationnels. La fonction principale des composants actifs est d'ajouter le gain nécessaire, d'aider à générer une rétroaction positive et de compenser la perte d'énergie.

Oscillateur à Collecteur Accordé

L'oscillateur à collecteur accordé est un transformateur et un condensateur connectés en parallèle et commutés avec un transistor. Ce circuit est le schéma d'oscillateur LC le plus basique. La bobine primaire du transformateur et le condensateur forment le circuit résonant, avec la bobine secondaire fournissant une rétroaction positive, qui retourne une partie de l'énergie produite par le circuit résonant à la base du transistor.

Oscillateur de Colpitts

Un oscillateur de Colpitts est un oscillateur à circuit LC qui a été très courant dans les applications RF. Il convient pour des applications jusqu'à plusieurs centaines de mégahertz. Ce circuit se compose de deux condensateurs en série, formant un diviseur de tension, qui fournit une rétroaction au transistor, avec un inducteur en parallèle. Bien que cet oscillateur soit relativement stable, il peut être difficile à accorder et est souvent mis en œuvre avec un circuit suiveur d'émetteur afin de ne pas charger le réseau résonant.

Oscillateur de Clapp

Pour surmonter les difficultés d'accordage de l'oscillateur de Colpitts à une fréquence spécifique en production, un condensateur variable en série avec l'inducteur est souvent ajouté, formant un oscillateur de Clapp. Cette modification permet d'accorder le circuit pendant la production et le service à la fréquence spécifique requise. Malheureusement, ce type d'oscillateur LC reste assez sensible aux fluctuations de température et à la capacité parasite.

Résonateur Céramique

Un matériau céramique piézoélectrique avec deux ou plusieurs électrodes métalliques (typiquement 3) constitue la base d'un résonateur céramique. Dans un circuit électronique, l'élément piézoélectrique résonne mécaniquement, ce qui génère un signal oscillant d'une fréquence spécifique - comme un diapason. Les résonateurs céramiques sont peu coûteux ; cependant, la tolérance de fréquence des résonateurs céramiques n'est que d'environ 2500 à 5000 ppm. Cette tolérance de 0,25 % à 0,5 % de la fréquence cible n'est pas adaptée pour des applications de précision, mais ils peuvent représenter une économie de coût considérable lorsque l'exactitude absolue n'est pas requise.

Avec des fréquences allant de moins de 1kHz à plus de 1GHz, il existe une gamme de différents matériaux et modes de vibration que les résonateurs céramiques utilisent. Il peut être essentiel de comprendre la méthode de résonance utilisée dans un dispositif que vous intégrez dans votre conception. Les facteurs environnementaux tels que les vibrations et les chocs pourraient impacter la fonction du résonateur au sein de votre circuit.

Oscillateur à Quartz

L'oscillateur à quartz est le type d'oscillateur à cristal le plus courant sur le marché. Lorsque la précision et la stabilité sont critiques, le choix principal se porte sur les oscillateurs à cristal et leurs variantes. La stabilité d'un oscillateur à cristal est mesurée en ppm (parties par million), et la stabilité peut varier de 0,01 % à 0,0001 % entre -20 et +70 Celsius, selon le dispositif spécifique. La stabilité d'un oscillateur RC peut au mieux être de 0,1 % et celle d'un LC de 0,01 %, mais elles sont plus typiquement autour de 2 % et sont très sensibles aux changements de température. Un cristal de quartz peut osciller avec très peu d'énergie nécessaire pour le maintenir activé par rapport à de nombreux autres oscillateurs, ce qui les rend parfaits pour les applications à faible consommation d'énergie. 

Lorsque le cristal est excité par choc, soit par une compression physique ou, dans notre cas, par une tension appliquée, il va vibrer mécaniquement à une fréquence spécifique. Cette vibration continuera pendant un certain temps, générant une tension alternative entre ses bornes. Ce comportement est l'effet piézoélectrique, le même qu'un résonateur céramique. En comparaison avec un circuit LC, l'oscillation du cristal après l'excitation initiale durera plus longtemps — un résultat de la valeur Q naturellement élevée du cristal. Pour un cristal de quartz de haute qualité, une valeur Q de 100 000 n'est pas rare. Les circuits LC ont typiquement une valeur Q d'environ quelques centaines. Cependant, même avec une valeur Q bien plus élevée, ils ne peuvent pas résonner indéfiniment. Il y a des pertes dues à la vibration mécanique, donc il a besoin d'un circuit d'amplification comme les oscillateurs RC et LC. Pour la plupart des dispositifs qui prendront une source d'horloge externe en cristal, cela sera intégré dans le dispositif, et les seuls composants électroniques supplémentaires nécessaires sont les condensateurs de charge. Les condensateurs de charge sont essentiels ; si la capacité de ceux-ci est incorrecte, l'oscillateur ne sera pas stable. Typiquement, la fiche technique de l'oscillateur contiendra des valeurs suggérées, ou fournira une équation pour calculer la valeur correcte pour votre circuit.

Autres éléments à considérer :

1. Placez les condensateurs et le cristal de quartz aussi près que possible du MCU
2. Utilisez des pistes aussi courtes et larges que possible pour prévenir l'inductance parasite.

Il existe de nombreuses variantes de l'oscillateur à quartz ; cependant, au-delà d'un cristal typique, ou "XO", vous utiliserez généralement les autres options uniquement pour des applications spécialisées. Ces oscillateurs spécialisés peuvent être très coûteux et avoir des oscillations étonnamment stables et précises dans des environnements incroyablement difficiles où une précision absolue est requise. La grande majorité des projets n'auront pas besoin de quelque chose au-delà d'un TCXO de la liste ci-dessous, mais vous pourriez les trouver intéressants à rechercher davantage. 

Cette liste provient de Wikipedia:

• ATCXO — Oscillateur à cristal contrôlé par température analogique
• CDXO — Oscillateur à double cristal calibré
• DTCXO — Oscillateur à cristal compensé en température numérique
• EMXO — Oscillateur à cristal miniature évacué
• GPSDO — Oscillateur discipliné par système de positionnement global
• MCXO — Micro-ordinateur-compensé oscillateur à cristal
• OCVCXO — à contrôle de température par four oscillateur à cristal contrôlé par tension
• OCXO — Oscillateur à cristal contrôlé par four
• RbXO — Rubidium oscillateurs à cristal (RbXO), un oscillateur à cristal (peut être un MCXO) synchronisé avec un étalon de rubidium intégré qui est utilisé seulement occasionnellement pour économiser de 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 adaptation 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 recherchiez une source d'horloge précise pour une application qui n'a pas la circuiterie d'amplification nécessaire pour utiliser un oscillateur à quartz. Dans ce cas, un module oscillateur pourrait être une excellente solution. Ces modules possèdent toute la circuiterie nécessaire intégrée pour fournir une horloge amplifiée et tamponnée pour l'application que vous requérez. Comme avec de nombreux dispositifs entièrement intégrés, vous payez pour la commodité, les prix sont généralement beaucoup plus élevés que l'oscillateur à quartz lui-même, et ils ont une empreinte plus grande. Malgré cela, ils peuvent toujours être plus petits que de construire une circuiterie d'amplification et de tampon pour oscillateur et ne pas avoir à se soucier de la stabilité.

La plupart des modules oscillateurs possèdent un cristal et une porte inverseuse CMOS, utilisant un circuit oscillateur de Pierce. Bien que les inverseurs CMOS soient moins stables et aient une consommation d'énergie plus élevée que les oscillateurs à base de transistors, les portes basées sur des inverseurs CMOS sont faciles et tout à fait utilisables dans de nombreuses applications. 

Oscillateurs MEMS

Les oscillateurs MEMS ou systèmes microélectromécaniques sont des dispositifs de chronométrage précis basés sur la technologie MEMS, et sont une technologie relativement nouvelle. Les oscillateurs MEMS se composent de résonateurs MEMS, d'OpAmps, et de composants électroniques supplémentaires pour régler ou ajuster leurs fréquences de sortie. Les oscillateurs MEMS incluent souvent des boucles à verrouillage de phase qui produisent des fréquences de sortie sélectionnables ou programmables.

Le fonctionnement des résonateurs MEMS est similaire à celui d'un petit diapason qui sonne à des fréquences élevées. Étant donné que les dispositifs MEMS sont petits, ils peuvent sonner à des fréquences très élevées, avec leurs structures résonantes accordées produisant des fréquences allant de dizaines de kHz à des centaines de MHz. 

Les résonateurs MEMS sont mécaniquement entraînés et se divisent en deux catégories : électrostatique et piézoélectrique. Principalement, les oscillateurs MEMS utiliseront la transduction électrostatique, car les résonateurs à transduction piézoélectrique ne sont pas suffisamment stables. Les résonateurs MEMS à transduction piézoélectrique trouvent leur utilisation dans les applications de filtrage.

L'un des principaux avantages des oscillateurs MEMS est qu'ils peuvent être utilisés pour plusieurs charges, remplaçant plusieurs oscillateurs à quartz au sein d'un circuit. Cette caractéristique peut offrir des réductions significatives en termes de prix et d'espace sur le circuit imprimé utilisé par les circuits oscillateurs. Comparés à d'autres circuits oscillateurs, même les oscillateurs à quartz, la consommation d'énergie des dispositifs MEMS est extrêmement faible en raison du faible courant de base nécessaire. La faible consommation d'énergie peut permettre aux appareils fonctionnant sur batterie de fonctionner nettement plus longtemps, ou de supprimer le besoin d'éteindre le circuit oscillateur principal pour économiser de l'énergie. Contrairement à d'autres oscillateurs, les oscillateurs MEMS ne nécessitent aucun composant externe pour fonctionner, offrant ainsi davantage d'économies d'espace et de coût. Les premiers oscillateurs MEMS ont quelque peu lutté avec la stabilité, et il existe sur le marché des options offrant une stabilité de fréquence de +/- 8 parties par milliard, si vous êtes prêt à en payer le prix.  

Oscillateurs au Silicium

Comme mentionné au début de l'article, de nombreux dispositifs intègrent des oscillateurs dans leur silicium. Les oscillateurs en silicium sont pour la plupart identiques, juste dans un boîtier séparé. Ce circuit intégré vous offre un circuit oscillateur RC complet construit à partir de silicium. Il assure une meilleure correspondance et compensation que ce que vous pourriez généralement réaliser pour un coût similaire en utilisant des composants passifs, dans un boîtier plus petit. Les oscillateurs en silicium peuvent être un atout considérable pour les dispositifs qui subiront des chocs ou des vibrations, car ils n'ont pas d'éléments mécaniquement résonnants. Sur la plupart des sites web des fournisseurs, vous les trouverez sous la catégorie Circuits Intégrés plutôt que sous la catégorie Oscillateurs.

En plus des avantages par rapport aux autres oscillateurs dans des environnements difficiles, un oscillateur en silicium est généralement programmable. Les options de programmation dépendent du dispositif spécifique ; cependant, une résistance de réglage de fréquence ou une interface SPI/I2C est courante. Bien que les oscillateurs en silicium aient généralement une erreur de fréquence relativement médiocre d'environ 1-2%, ils sont compacts et nécessitent seulement un condensateur de dérivation pour l'alimentation. Ils peuvent être une alternative à faible coût à d'autres types d'oscillateurs dans des applications non-précises.

Résumé

Choisir la source d'horloge optimale n'est pas facile. De nombreux facteurs entrent en jeu, tels que la stabilité générale, la sensibilité aux variations de température, aux vibrations, à l'humidité, aux interférences électromagnétiques (EMI), au coût, à la taille, à la consommation d'énergie, à la complexité du layout et aux composants supplémentaires. 

Il existe de nombreuses applications où les oscillateurs RC intégrés ou à base de silicium conviennent, car ces applications ne nécessitent pas une précision supplémentaire. Utiliser un oscillateur interne peut permettre d'économiser du temps de conception, de réduire les coûts et de diminuer le risque technique. Cependant, les applications modernes exigent de plus en plus une haute précision, ce qui nécessite l'utilisation d'un oscillateur externe, tel que le quartz, la céramique ou les MEMS.

À titre d'exemple, l'USB à haute vitesse nécessite une précision de fréquence minimale de 0,25%, tandis que certaines autres communications externes peuvent fonctionner correctement avec des sources d'horloge ayant une stabilité de 5%, 10%, ou même 20%. D'autres bus à haute vitesse et applications RF nécessitent souvent une précision de fréquence bien supérieure à celle de l'USB.

La consommation d'énergie des oscillateurs pour microcontrôleurs dépend du courant d'alimentation de l'amplificateur de rétroaction et des valeurs de capacité utilisées. La consommation d'énergie de ces amplificateurs dépend principalement de la fréquence, donc si vous souhaitez concevoir un dispositif à très faible consommation d'énergie, envisagez de réduire votre fréquence d'horloge au minimum auquel votre dispositif peut encore accomplir son travail. Souvent, vous constaterez qu'un microcontrôleur dispose de nombreux cycles d'horloge inutilisés, tous consommant de l'énergie inutilement.

Les circuits de résonateurs céramiques spécifient généralement des valeurs de capacité de charge plus grandes que les circuits à cristal et consomment encore plus de courant qu'un circuit à cristal utilisant le même amplificateur. En comparaison, les modules d'oscillateurs à cristal consomment généralement entre 10mA et 60mA de courant d'alimentation en raison des fonctions de compensation de température et de contrôle incluses.

Il existe de nombreux types d'oscillateurs disponibles sur le marché, chacun avec ses propres avantages et inconvénients. Pour les applications générales où une synchronisation précise n'est pas absolument critique, vous pouvez utiliser presque n'importe quel dispositif ou circuit oscillateur qui répond aux exigences de fréquence. Pour les circuits de plus haute précision, vous voudrez peut-être envisager des dispositifs plus coûteux tels que les oscillateurs MEMS qui peuvent offrir une stabilité de fréquence de l'ordre de quelques parties par milliard même sur une large plage de température, cependant, attendez-vous à payer des dizaines ou des centaines de dollars par oscillateur.

Si vous construisez un contrôleur LED ou des circuits similaires qui nécessitent uniquement un microcontrôleur pour exécuter du code de gestion ou d'interface utilisateur, l'oscillateur RC intégré vous fournira tout ce dont vous avez besoin. Supposons que vous travaillez sur un submersible de grande profondeur capable de suivre précisément sa position. Dans ce cas, un oscillateur qui a une stabilité de seulement quelques parties par milliard sur une large gamme de températures pourrait être le minimum acceptable. Plus vous souhaitez intégrer étroitement les données des capteurs, ou plus étroite est la bande que vous souhaitez utiliser pour les communications radio, plus votre oscillateur doit être stable. Supposons que vous multipliez considérablement votre fréquence, par exemple. Dans ce cas, si vous créez un signal de gigahertz à partir d'un oscillateur de mégahertz, plus l'oscillateur devra être stable car toute erreur va être amplifiée.

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