Qu’est-ce qu’un oscillateur ?
Le terme oscillateur fait référence à un objet qui vibre.
Il peut s’agir de circuits mécaniques ou électriques, et d’autres objets, qui vibrent électriquement. Dans certains cas, les objets vibrants sont modélisés et théorisés comme des oscillateurs.
Utilisations des oscillateurs
Les cristaux de quartz, très répandus, sont utilisés dans les circuits électroniques d’une grande variété de produits électroniques. Les signaux d’horloge sont essentiels dans les circuits électroniques. Un signal d’horloge est un signal qui oscille régulièrement à une certaine fréquence afin que les différents éléments d’un circuit électronique puissent envoyer et recevoir des signaux en même temps.
Lorsque les vibrations sont converties en électricité et extraites d’un cristal de quartz, l’on obtient un signal électrique oscillant régulièrement, c’est-à-dire un signal alternatif à fréquence unique. Lorsqu’ils sont utilisés dans des circuits électroniques, les cristaux de quartz sont souvent utilisés comme oscillateurs à cristaux dans des circuits intégrés emballés qui comprennent une unité de cristal ainsi qu’un résonateur à quartz.
Les cristaux de quartz sont caractérisés comme des composants à effet piézoélectrique qui vibrent régulièrement. Outre les sources d’horloge, ils sont utilisés dans les équipements électroniques dans une variété d’utilisations, telles que les sources de référence pour la production d’ondes porteuses pour la communication.
Principe des oscillateurs
1. L’effet piézoélectrique
Les cristaux de quartz sont un composant électronique couramment utilisé comme unité cristalline. La raison en est que le cristal de quartz a un effet piézoélectrique.
L’effet piézoélectrique est la production d’électricité lorsqu’une pression mécanique est appliquée à un cristal. L’application d’une pression sur un cristal entraîne un changement dans la disposition des ions à l’intérieur du cristal, ce qui crée un biais dans la charge électrique.
Les cristaux et les céramiques à effet piézoélectrique se déforment également lorsqu’un champ électrique est appliqué. Cet effet est appelé “effet piézoélectrique inverse”. Il existe également d’autres types d’oscillateurs qui utilisent l’effet piézoélectrique de la céramique.
Les cristaux de quartz sont plus chers que les cristaux de céramique. Toutefois, en raison de leur très grande précision d’oscillation, les cristaux de quartz sont souvent utilisés lorsque des circuits d’oscillation de haute précision sont requis.
2. Découpe de l’oscillateur à quartz
Les cristaux de quartz synthétiques permettent d’obtenir des cristaux de quartz cristallisés d’une grande pureté. L’angle de découpe du cristal par rapport à son axe détermine les caractéristiques de température et les modes de vibration en fonction de la fréquence. Le type AT-cut est la méthode la plus courante pour découper les cristaux de quartz.
Le type AT-cut permet d’obtenir des caractéristiques d’oscillation avec peu de déviation sur une large gamme de températures. Il est souvent utilisé pour produire des fréquences d’oscillation dans la bande des MHz. L’oscillateur de type AT-cut se caractérise par le fait que la fréquence d’oscillation est déterminée par l’épaisseur du cristal. La fréquence d’oscillation est inversement proportionnelle à l’épaisseur du cristal.
f0=1.67×n/t
*f0 : fréquence d’oscillation, n : ordre de tonalité, t : épaisseur (mm)
Comme le montre l’équation ci-dessus, par exemple, si la fréquence d’oscillation requise est élevée, l’épaisseur de l’oscillateur AT-cut doit être réduite. En général, plus l’oscillateur est fin, plus il est facile d’osciller, mais la résistance mécanique est réduite. Il est donc important de choisir un oscillateur en tenant compte de la fréquence d’oscillation requise, des dimensions de l’unité de cristal et de la facilité d’oscillation.
Types d’oscillateurs
Les cristaux les plus couramment utilisés comme composants électroniques sont les cristaux de quartz. Le résonateur est fabriqué à partir de cristal de quartz, un type de quartz, souvent des cristaux de quartz synthétiques. De plus, des oscillateurs céramiques bon marché sont souvent utilisés.
Un membre de la famille des oscillateurs est le résonateur à ultrasons. Les oscillateurs à ultrasons convertissent un courant à haute fréquence émis par un circuit oscillant en vibrations ultrasoniques. Ils sont utilisés dans les machines de nettoyage et de soudage par ultrasons.
Les cristaux de quartz sont produits en remplissant des cristaux naturels et une solution alcaline dans un récipient sous pression à haute pression dans un four de croissance appelé autoclave. Cette méthode est la synthèse hydrothermale.
Outre les oscillateurs réels, il existe également des oscillateurs virtuels qui sont mis en place virtuellement pour la construction de la théorie. Lorsque les oscillations sont monovibrationnelles, l’on parle d’oscillateurs harmoniques ; lorsqu’il s’agit d’autres vibrations, l’on parle d’oscillateurs anharmoniques.