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Pourquoi un oscillateur à quartz a besoin de condensateurs de charge pour atteindre sa fréquence

Pourquoi le quartz tient compte de ce qu'il voit

Un quartz utilisé comme référence de fréquence n'est pas un simple résonateur qui vibre à une cadence fixe, quel que soit ce qui le relie. Sa fiche technique précise une capacité de charge, c'est-à-dire la capacité totale que le circuit oscillateur présente entre les deux pattes du quartz, et la fréquence nominale n'est exacte que lorsque le circuit présente cette valeur. Regardez la ligne de tolérance en fréquence de n'importe quelle fiche technique de quartz : vous y verrez généralement une condition de capacité de charge imprimée juste à côté.

Sur un banc réel, cela compte parce que le quartz n'est qu'un élément de la boucle de rétroaction. Le circuit intégré oscillateur ou l'amplificateur discret, les pistes et les broches ajoutent tous de la capacité et interagissent avec la boucle, et les condensateurs de charge sont le réglage qui vous permet d'amener la capacité totale à la valeur attendue par le quartz. Sans eux, le quartz peut tout de même fonctionner, mais à une fréquence qui dépend de la disposition particulière de votre carte.

L'arithmétique des deux condensateurs

La plupart des oscillateurs à quartz utilisent deux condensateurs de charge, un reliant chaque patte à la masse. Vus depuis les bornes du quartz, ces deux condensateurs agissent en série, de sorte que la valeur effective est leur produit divisé par leur somme. Ajoutez la capacité parasite du circuit, souvent de quelques picofarads, et vous obtenez la charge totale : CL égale C1 fois C2 divisé par la somme de C1 et C2, plus Cstray.

Voici un exemple détaillé. Supposons que la fiche technique demande une charge de 18 pF et que vous estimiez environ 3 pF de capacité parasite provenant de la carte et du circuit intégré. Il faut que la paire en série apporte 15 pF. Si vous choisissez C1 et C2 tous deux à 30 pF, la valeur série vaut 30 fois 30 divisé par 60, soit 15 pF. Ajoutez les 3 pF parasites et la charge totale est de 18 pF, ce qui correspond à la fiche technique. Si vous aviez choisi des condensateurs de 22 pF, la valeur série serait de 11 pF, la charge totale seulement de 14 pF, et le quartz fonctionnerait trop haut, car il voit moins de charge que prévu.

Considérez la valeur parasite comme une estimation. La disposition, la capacité des broches d'entrée et de sortie de l'oscillateur, ainsi que toute sonde ou tout fil que vous raccordez, la modifient. C'est pourquoi les valeurs des condensateurs sur un schéma finalisé constituent un point de départ pour le banc, et non une réponse définitive.

Ce qui se passe lorsque la charge est décalée

Si la capacité de charge est trop faible, le quartz voit une réactance légèrement différente de celle prévue, et la fréquence monte. Si elle est trop élevée, la fréquence descend. Le décalage est généralement faible, souvent quelques parties par million par picofarad près de la charge nominale, mais pour une horloge qui alimente une liaison série ou une temporisation qui doit être précise, quelques ppm peuvent constituer une erreur réelle. La sensibilité n'est pas non plus linéaire sur toute la plage, de sorte que l'erreur croît à mesure que vous vous éloignez de la valeur spécifiée.

La capacité de charge peut aussi affecter le démarrage de l'oscillateur. L'amplificateur doit fournir un gain suffisant pour vaincre la résistance série équivalente du quartz, et des condensateurs de charge très grands réduisent le gain de boucle et peuvent rendre le démarrage lent ou peu fiable, en particulier à basse tension d'alimentation ou sur une plage de températures. De très fortes valeurs peuvent aussi exciter le quartz au-delà de son niveau d'excitation nominal, ce qui peut décaler la fréquence et réduire sa durée de vie. Restez dans la plage recommandée par la fiche technique et la documentation du circuit intégré oscillateur.

Mesurer sans vous tromper vous-même

L'erreur la plus courante au banc consiste à mesurer la fréquence avec une sonde qui ajoute sa propre capacité. Une sonde d'oscilloscope standard 10x présente environ dix à quinze picofarads de capacité d'entrée, suffisamment pour décaler nettement un quartz de sa fréquence. Utilisez un montage à haute impédance et à faible capacité, gardez le fil de la sonde court, ou mesurez avec un fréquencemètre couplé par un petit condensateur ou un tampon à haute impédance. Quel que soit votre choix, mesurez la fréquence et comparez-la à la tolérance de la fiche technique plutôt que de juger sur une seule lecture.

Associez votre mesure à une vérification de cohérence sur les valeurs des condensateurs. Si la fréquence est décalée alors que les condensateurs de charge correspondent au calcul de la fiche technique, soupçonnez une capacité parasite due à la disposition ou un défaut d'adéquation de l'oscillateur lui-même. Modifiez une chose à la fois et notez chaque valeur que vous changez, afin de voir quelle modification a déplacé la fréquence.