Des RC aux horloges atomiques : toutes les sources d'horloge

Dans presque tous les circuits modernes, surtout lorsque la logique numérique est impliquée, vous trouverez une sorte de source d'horloge. Toutes les sources d'horloge présentent une série de compromis concernant la stabilité, la fiabilité, la taille, la consommation d'énergie et le coût.

Heureusement pour nous, ces compromis sont relativement simples et peuvent être expliqués presque entièrement dans cet unique article. Nous discuterons des avantages et des inconvénients de chaque source d'horloge, depuis le RC dans un oscillateur alimenté par un 555, jusqu'à une horloge atomique à Maser à Hydrogène.

Commençons !

Sources de Relaxation et de Délai

Relaxation RC

Les oscillateurs de relaxation sont composés d'un dispositif de commutation (généralement des BJTs, JFETs, Mosfets, ou des portes numériques) et d'un condensateur pour stocker la charge. Le condensateur est chargé jusqu'à un niveau de tension défini, puis l'état du dispositif change et le condensateur se décharge. Le circuit oscille entre l'état de charge et de décharge.

Les oscillateurs de relaxation ne produisent pas de signaux sinusoïdaux. Au lieu de cela, ils produisent des signaux en dents de scie et des ondes carrées.

Un exemple typique de l'oscillateur de relaxation RC est le célèbre NE555. Les paramètres pour ce type d'oscillateur peuvent être trouvés ci-dessous.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-2 à 10^-3
Ajustabilité	plus de 10:1
Plage de fréquences	Hz à dizaines de Mhz
Coût	Extrêmement bas

 

Oscillateurs à délai et à déphasage

 

La condition nécessaire pour faire osciller un circuit analogique est un déphasage de 180 degrés à gain unitaire dans une boucle de rétroaction. Une série d'éléments RC peut décaler la phase d'un signal au déphasage nécessaire de 180 degrés pour obtenir l'oscillation.

Vous pouvez obtenir le même effet avec n'importe quel dispositif qui fournit un retard adéquat dans le signal, par exemple, une série de portes NON en série ou une bobine de fil assez longue pour faire l'affaire.

Les oscillateurs à délai ont généralement une stabilité inférieure par rapport aux autres types d'oscillateurs, à tel point que les fabricants de semi-conducteurs les utilisent pour tester les plaquettes, car leur performance est fortement dépendante de la température.

Souvent, les portes NON connectées en série sont si instables que vous pouvez utiliser les fluctuations de fréquence de l'oscillateur comme un générateur de nombres aléatoires véritable.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-2 à 10^-3
Ajustabilité	10:1 ou moins
Plage de fréquences	10Mhz à des centaines de Mhz
Coût	Extrêmement bas lorsqu'intégré à un autre CI

 

Résonateurs

 

Lorsqu'on considère les sources de relaxation et de délai, plus leur fréquence nominale est élevée, plus le design devient impraticable.

Un résonateur est un dispositif ou système qui présente un comportement résonant, oscillant avec une amplitude plus élevée à certaines fréquences. Dans de nombreux types de résonateurs, ces fréquences tendent à être relativement étroites et stables, ce qui en fait d'excellents oscillateurs.

Les résonateurs peuvent résonner en raison de leurs propriétés électriques (par exemple, les résonateurs LC), électromécaniques (par exemple, céramiques, cristaux et MEMS), de propagation d'ondes électromagnétiques, ou même de propriétés atomiques pour les horloges atomiques.

Presque tout peut être un résonateur, des gratte-ciels à la cavité de vos poumons. Si vous le souhaitez, vous pourriez utiliser un pendule comme votre prochaine source d'horloge, mais pour cet article, nous limiterons le champ d'application aux résonateurs largement utilisés dans l'industrie électronique pour générer un signal d'horloge.

Résonateurs LC

Les résonateurs LC étaient autrefois le type d'oscillateurs le plus largement adopté lorsque le monde fonctionnait avec des radios sans fil opérant sous quelques centaines de mégahertz.

Ils se composent d'une sorte de réseau LC connecté à un amplificateur, l'amplificateur fournissant une rétroaction positive. Les types les plus courants d'oscillateurs LC sont Colpitts et Hartley.

Les résonateurs LC ne sont que modestement accordables. Les radios anciennes utilisaient des inducteurs variables ou des condensateurs variables, mais si votre objectif est de régler la fréquence électroniquement, la seule manière pratique est de changer le ‘C’ dans LC. L'astuce consiste à utiliser une jonction de diode polarisée inversement présentant une capacité de polarisation inverse dépendante de la tension.

Des diodes spécialement conçues, appelées varactors, sont accordées pour couvrir jusqu'à un rapport de 15:1 en capacité. Un varactor peut être transformé en un excellent convertisseur tension-capacité en plaçant un condensateur en série avec lui pour éliminer le courant de polarisation inverse DC.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-3 à 10^-5
Accordabilité	modeste
Plage de fréquence	Khz à 100’s Mhz
Coût	faible

 

Cristaux/XTAL

 

Les oscillateurs RC avec des composants bien sélectionnés peuvent avoir une stabilité de 0,1 %. Les oscillateurs LC se comportent un peu mieux, autour de 0,01 %. Les cristaux peuvent faire beaucoup, beaucoup mieux, comme nous le verrons bientôt.

La fonctionnalité des oscillateurs à cristal est due à l'effet piézoélectrique et à l'effet piézoélectrique inverse résultant. Lorsqu'un matériel piézoélectrique est stimulé mécaniquement, il produit un signal électrique. Inversement, une stimulation électrique dans le même matériel générera des mouvements mécaniques.

Si un matériau piézoélectrique est coupé dans une forme appropriée et que deux électrodes lui sont appliquées, il est possible de créer une onde sonore en le stimulant électriquement. L'onde sonore se propagera d'avant en arrière, générant également une tension. L'effet piézoélectrique a été documenté pour la première fois au milieu du 18e siècle.

Un oscillateur à cristal peut, en général, être modélisé électriquement comme une résistance, une inductance et un condensateur en série, avec un autre condensateur en parallèle à la série RLC en raison de la capacité parasite des contacts plaqués et des fils des composants.

Tous les cristaux n'ont pas un seul mode de résonance, mais deux : série et parallèle.

En mode résonant en série, C1 et L1 résonnent, et C0 n'est pas impliqué dans le processus. En mode résonant parallèle, C0 et C1 résonnent ensemble avec L1.

Lorsque vous utilisez un CI qui nécessite un oscillateur à quartz, vous devriez vérifier si le fabricant a spécifié pour quel mode de résonance la pièce est spécifiée, série ou parallèle. Leurs fréquences de résonance seront différentes.

En mode résonant parallèle, vous pouvez modifier la valeur de C0 en plaçant un second condensateur en parallèle. Les VCXO, ou oscillateurs à quartz contrôlés en tension, sont souvent créés avec un varactor en parallèle au cristal principal.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-5
Ajustabilité	10^-4
Plage de fréquences	De dizaines de Khz à dizaines de Mhz
Coût	moyen

 

Résonateurs Céramiques (à ne pas Confondre Avec les Oscillateurs SAW)

 

De manière similaire aux cristaux, les résonateurs céramiques sont des dispositifs piézoélectriques, mais au lieu d'être faits de quartz, ils sont faits de céramique.

Les résonateurs céramiques ont également des propriétés électriques similaires aux oscillateurs à quartz, mais sont moins précis (précision initiale de la fréquence typiquement de 0,3 %) et ont une stabilité médiocre (0,2 à 1 % au fil du temps et de la température). La bonne nouvelle ? Ils sont extrêmement bon marché !

Les résonateurs céramiques comblent une niche autrement vide entre les oscillateurs à cristal et les circuits RC, et sont souvent électriquement compatibles avec les premiers.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-5
Accordabilité	10^-4
Plage de fréquences	Des dizaines de Khz à des dizaines de Mhz
Coût	faible-moyen

TCXO

 

Les oscillateurs à cristal compensés en température (TCXO) représentent une amélioration par rapport aux cristaux standards et sont souvent nécessaires lorsque vous avez besoin d'une fréquence stable sur une large plage de températures, par exemple sur des plages de températures industrielles ou automobiles, surtout lors de l'utilisation d'une horloge en temps réel (RTC).

Ils incluent un circuit actif qui compense la déviation de la fréquence due à la température, généralement en utilisant le mode de résonance parallèle et en changeant la capacité du condensateur équivalent parallèle C0 avec un varactor, comme décrit précédemment.

Les modèles les plus sophistiqués incluent un microprocesseur, un circuit analogique-numérique et une table de correspondance, et peuvent présenter une variation de fréquence jusqu'à 1ppm sur dix ans.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-6 à 10^-7
Accordabilité	10^-4
Plage de fréquence	Des dizaines de Khz à des dizaines de Mhz
Coût	moyen

 

OCXO

 

Les oscillateurs à cristal contrôlés par four (OCXO), peuvent atteindre la stabilité de fréquence la plus élevée possible avec un oscillateur à cristal, en effet la stabilité de fréquence la plus élevée possible sans recourir à des sources atomiques sous une forme ou une autre.

Dans un OCXO, un type particulier de cristal qui présente un coefficient de température nul à une température spécifique, généralement entre 80 et 90 degrés Celsius, est maintenu chauffé par un four contrôlé électroniquement. De cette manière, le coefficient de température est annulé de deux manières différentes : en stabilisant la température autant que possible et en fonctionnant dans un régime où il est nul en premier lieu.

Les OCXO, en particulier les plus gros qui peuvent se permettre une isolation thermique supplémentaire, sont tellement efficaces pour corriger les écarts de température que l'erreur principale restante est le vieillissement du cristal. Certains OCXO intègrent même un micro-ordinateur pour compenser le vieillissement à l'aide d'algorithmes sophistiqués ; cependant, ils seront toujours sujets à la dérive due aux chocs mécaniques et à d'autres stimuli physiques imprévisibles.

L'inconvénient de l'utilisation des OCXO est le coût élevé et la consommation élevée de température due au chauffage.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-8 à 10^-9
Accordabilité	10^-4
Plage de fréquence	10Mhz typiquement
Coût	élevé

 

MEMs

 

Les MEMs, ou dispositifs micromécaniques, sont généralement fabriqués à partir de silicium en utilisant des procédés similaires à ceux utilisés dans la fabrication de circuits intégrés.

Actuellement, le plus petit oscillateur à cristal est le FCX-08 de River Electronics, mesurant 1.2×1.0mm. Même si le cristal à l'intérieur est plus petit, pour maintenir de bonnes spécifications dans le temps, les cristaux nécessitent une protection contre la contamination environnementale et l'air à travers un emballage scellé, soit par soudure (pour les modèles "grands et bon marché") soit par soudage par faisceaux d'électrons (plus petits mais plus chers).

Les oscillateurs MEMs peuvent être beaucoup plus petits que les oscillateurs à quartz. Les dernières générations d'iPhone utilisent des oscillateurs MEMs fabriqués par SiTime, mesurant seulement 0,42x0,42mm et disponibles en boîtiers de niveau wafer.

Les MEMs ont souvent une consommation d'énergie inférieure à celle des oscillateurs à quartz également.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-5
Accordabilité	10^-4
Plage de fréquences	Des dizaines de Khz à des dizaines de Mhz
Coût	élevé

 

SAW

 

Les oscillateurs à ondes acoustiques de surface (SAW) fonctionnent de manière quelque peu similaire aux oscillateurs à quartz. Au lieu d'une onde volumique qui fléchit et déplace tout le cristal, les oscillateurs SAW utilisent des ondes de surface. Ils ont généralement un transducteur d'entrée et un transducteur de sortie, et se comportent quelque peu comme des lignes de retard analogiques.

Les SAW sont généralement fabriqués en céramique et non en quartz, bien que des modèles en quartz soient connus pour exister également.

Les SAW peuvent atteindre des fréquences allant jusqu'à des centaines de MHz, bien plus élevées que les dizaines de mégahertz des cristaux.

Les SAWs peuvent être une source d'horloge à faible coût viable pour les fréquences RF courantes telles que 433Mhz. Les valeurs moins courantes tendent à être plus chères, souvent plus qu'un cristal et un IC PLL.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-4
Accordabilité	10^-4
Plage de fréquence	Centaines de Mhz
Coût	moyen

Résonateurs à cavité

 

Les résonateurs à cavité sont typiquement utilisés à des fréquences micro-ondes, et l'exemple le plus courant est le magnétron à cavité présent dans les micro-ondes.

Leur utilisation est restreinte aux applications RF de haute puissance, donc nous n'en discuterons pas davantage.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-5
Accordabilité	uniquement mécanique
Plage de fréquence	Ghz à dizaines de Ghz
Coût	élevé

 

Résonateurs diélectriques

 

Les résonateurs diélectriques sont des pièces de matériaux diélectriques, généralement du titanate de baryum ou une céramique similaire, et sont utilisés pour remplacer les oscillateurs à cavité. Vous pouvez coller les résonateurs diélectriques sur des PCB RF de manière similaire aux composants montés en surface. Ils sont utilisés, par exemple, dans le module Doppler HB100 populaire.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus faible est mieux)	10^-4
Ajustabilité	uniquement mécanique
Plage de fréquence	Ghz à des dizaines de Ghz
Coût	moyen

Horloges Atomiques

 

Si un oscillateur à cristal OCXO ne suffit pas en termes de stabilité et de précision, les horloges atomiques peuvent être plus petites et plus abordables que vous ne le pensez.

Rubidium

Les horloges atomiques au rubidium sont les horloges atomiques les plus abordables disponibles. Une lampe à décharge de rubidium (similaire à une petite lampe au mercure, comme celles qui éclairent la rue) verra sa sortie lumineuse diminuer d'environ 0,1% lorsque sa vapeur de rubidium est exposée à un champ électromagnétique à une fréquence proche de celle de sa transition hyperfine, 6,834,682,612 GHz.

La fréquence du champ micro-ondes est synthétisée à partir de l'oscillateur à cristal de 10Mhz présent dans chaque horloge au rubidium. Lorsque la lumière diminue, le microcontrôleur sait que la fréquence est précisément de 6,834,682,612 GHz et peut corriger l'oscillateur à cristal en conséquence.

Les horloges au rubidium sont devenues de plus en plus petites au fil des ans, et sont maintenant disponibles dans des boîtiers similaires aux convertisseurs DC-DC et avec des poids de juste un peu plus de 30g.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-10
Accordabilité	-
Plage de fréquences	10Mhz uniquement
Coût	200-2000USD

 

Oscillateurs disciplinés par GPS/GNSS

 

Le récepteur GPS présent dans vos téléphones fonctionne en comparant soigneusement le temps d'arrivée des signaux de différents satellites et en triangulant sa propre position.

Pour réaliser une telle prouesse, les satellites doivent avoir à bord des horloges atomiques extrêmement précises. Les satellites GPS ont généralement des Horloges Atomiques au Rubidium, tandis que le système Galileo plus moderne dispose d'une combinaison d'Horloges Atomiques au Rubidium et de Masers à Hydrogène redondants, et peut atteindre une stabilité encore plus élevée.

Dans les deux cas, les signaux des satellites sont comparés par des équipes d'experts à des réseaux d'horloges atomiques au sol et corrigés plusieurs fois par jour.

En conséquence, le système GPS présente une incroyable stabilité à long terme. Malheureusement, en raison des interférences atmosphériques, la stabilité à court terme n'est pas aussi bonne.

TXCO et OCXO, souvent avec un secours au rubidium, peuvent être synchronisés au signal GPS pour atteindre une combinaison de stabilité à court et à long terme, à un coût raisonnablement bas.

De plus, le GPS vous fournira la date et l'heure, et pas seulement le signal d'horloge pour la mesure du temps, fonctionnant ainsi à la fois comme une horloge et une RTC (Horloge Temps Réel).

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-13 (à long terme)
Ajustabilité	-
Plage de fréquence	Seulement 10Mhz
Coût	50-2000USD

Césium, Maser à Hydrogène et Autres Horloges Atomiques Coûteuses

 

Un Maser à Hydrogène vous coûtera probablement plus de cent mille dollars, mais les horloges atomiques au Césium sont devenues moins chères et se trouvent maintenant couramment dans de nombreux centres de données de taille raisonnable. Beaucoup de centres de données ne peuvent pas utiliser d'oscillateurs disciplinés par GPS, car ils sont sensibles au brouillage et pourraient cesser de fonctionner si les États-Unis déclaraient la guerre.

L'Hydrogène Maser est le seul oscillateur « réel et direct » parmi tous les horloges atomiques disponibles commercialement, et en tant que tel, ils sont extrêmement fiables à court terme également, tandis que le Césium et l'Hydrogène doivent encore avoir une sorte d'oscillateur secondaire à l'intérieur synchronisé à la référence temporelle principale.

Paramètre	Valeur
Stabilité (plus bas est mieux)	10^-14 pour H Maser
Accordabilité	-
Plage de fréquences	Seulement 10Mhz
Coût	5000-500000USD

Conclusions

 

Nous avons discuté de toutes les sources d'horloge disponibles sur le marché. Espérons que cet article vous a donné une meilleure compréhension des avantages et inconvénients de chaque solution.

Les sources d'horloge sont le type rare de composants dont le choix peut avoir des implications profondes sur la stabilité et la performance de votre système, surtout lorsque vous intégrez plusieurs sous-circuits à partir d'un seul signal d'horloge, ou que vous communiquez avec des ressources externes. Par exemple, tout appareil moderne qui communique à travers des protocoles cryptés tels que TLS, ou tout autre schéma de cryptage de clé privée/publique, doit avoir une tenue de temps précise. Perdez cela, et votre appareil ne pourra plus communiquer avec les serveurs.

De même, des horloges RC imprécises dans les conceptions analogiques numériques peuvent modifier la performance des ADCs et DACs connectés, en particulier les ADCs SAR (Successive Approximation Register) et les ADCs et DACs Delta-sigma.

De plus, les sources d'horloge peuvent souvent être des dispositifs capricieux. Utiliser le mauvais condensateur pour compenser un cristal de quartz, ou simplement en choisir un avec un coefficient de température élevé, et votre dispositif oscillera entre défectueux et peu fiable.

Sélectionner et suivre précisément les composants, en s'assurant que seul l'oscillateur approprié et le condensateur adéquat sont montés sur vos cartes est de la plus haute importance. Pour y parvenir, vous devez faire deux choses.

• Assurer une gestion adéquate des révisions et des libérations de vos projets.
• Veiller à ce que chaque composant soit adéquatement identifié dans le BOM.

Concord Pro®, en particulier lorsqu'il est hébergé dans Altium 365® avec un accès complet aux données d'Octopart, prend en charge les deux.

Dans cet exemple, j'ai recherché l'un de mes cristaux préférés, l'ABM3B-16.000MHZ-B2-T d'Abracom, dans le panneau de recherche de pièces du fabricant (coin inférieur droit dans Altium Designer®). Comme vous avez pu le constater, le composant inclut déjà l'empreinte, le symbole, la fiche technique, des descriptions complètes, ainsi que le fabricant et le numéro de pièce du fabricant. Avec trois clics (clic droit, acquérir, OK), le composant peut être importé dans votre serveur Concord Pro et rejoindre ses frères et sœurs dans votre bibliothèque.

Le composant placé sur votre schéma sera désormais identifié par une unique paire Fabricant/N° de pièce. Si vous souhaitez ajouter plus de pièces alternatives, cela peut être fait via la section Choix de pièces lors de l'édition du composant.

Votre projet devra également être géré pour assurer une traçabilité complète comme discuté dans un article précédent. Dans cet exemple, migrer le projet de contrôleur de ventilateur de Mark Harris vers le cloud ne prend que quelques clics.

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