Qu’est-ce qu’un oscillateur à cristal de quartz ?
Un oscillateur à cristal de quartz est un élément passif qui vibre à une certaine fréquence et est parfois appelé élément piézoélectrique. À l’origine, on utilisait des cristaux de quartz naturels, mais avec la demande croissante, ils ont été remplacés par des cristaux de quartz synthétiques, tels que le dioxyde de silicium, le titanate de baryum et le sel de Rochelle.
Les éléments piézoélectriques sont utilisés en combinaison avec des circuits d’oscillation et sont intégrés dans des appareils ménagers tels que les téléphones portables, les téléviseurs et les appareils photo numériques, ainsi que dans des appareils électroniques tels que les voitures et les équipements médicaux. L’épaisseur et la méthode de découpe des cristaux de quartz peuvent varier en fonction de la gamme de fréquences utilisée ; par exemple, la méthode de découpe dite “AT cut” permet d’obtenir des cristaux de quartz avec une gamme de fréquences de 1 à 300 MHz et une large plage de températures.
Principe des oscillateurs à cristal de quartz
Les cristaux piézoélectriques sont des matériaux dans lesquels une charge superficielle proportionnelle à la pression apparaît lorsqu’une pression est appliquée dans une direction spécifique. Le phénomène de charge superficielle proportionnelle à la pression est appelé effet piézoélectrique ou phénomène piézoélectrique. Inversement, le phénomène par lequel le cristal est déformé par l’application d’une tension est appelé effet piézoélectrique inverse. Les cristaux de quartz ont été littéralement fabriqués à l’origine à partir de cristaux de quartz naturels, mais de nos jours, des cristaux de quartz synthétiques sont utilisés pour répondre à la demande croissante, tels que le dioxyde de silicium, le titanate de potassium et le sel de Rochelle.
Des électrodes sont fixées aux cristaux de quartz et un courant externe les traverse. La charge de surface du cristal de quartz change en fonction de la phase du courant, ce qui entraîne une déformation périodique du cristal de quartz. Les oscillateurs à cristal de quartz utilisent le phénomène de vibration provoqué par ce changement de forme périodique.
Utilisations des oscillateurs à cristal de quartz
Les oscillateurs à cristal de quartz sont utilisés dans une large gamme d’équipements électroniques domestiques tels que les téléphones portables, les téléviseurs, les appareils photo numériques et les ordinateurs, ainsi que dans les automobiles et les équipements médicaux, car ils sont stables et présentent peu de fluctuations de fréquence. Les circuits d’oscillation basés sur des cristaux de quartz ont une précision de l’ordre du ppm, ce qui est beaucoup plus élevé que les autres circuits d’oscillation.
Les cristaux de quartz couramment utilisés sont découpés très finement, avec une épaisseur comprise entre 20 et 50 micromètres. De plus, des électrodes sont fixées à la surface de la plaque du cristal de quartz pour la connexion à des bornes et des électrodes externes. L’épaisseur et la surface découpée du cristal varient en fonction de la fonction requise de l’unité de cristal.
Fréquence du quartz
La fréquence d’un oscillateur à cristal de quartz varie en fonction de la façon dont le cristal est taillé et de l’épaisseur du cristal, les cristaux plus fins étant utilisés à des fréquences plus élevées et les cristaux plus épais à des fréquences plus basses. La fréquence varie également en fonction de la méthode de découpe. Par exemple, la méthode “AT-cut” permet d’obtenir des cristaux de quartz utilisables dans une large gamme de températures, ce qui correspond à des fréquences de 1 à 300 MHz.
D’autres méthodes avec des angles de découpe différents, connues sous le nom de “découpe BT”, couvrent une gamme de fréquences de 7 à 38 MHz, et l’ampleur du changement de fréquence en fonction de la température est également différente de celle de la découpe AT. Les cristaux de quartz découpés en forme de diapason correspondent à 32,768 kilohertz et sont utilisés dans les horloges et les montres.
Capacité de charge
Lors de l’intégration d’un cristal dans un circuit, il est nécessaire de faire correspondre la capacité de charge du circuit et du cristal. La capacité de charge est la valeur de la capacité équivalente en série virtuelle lorsque l’on regarde le circuit d’oscillation du côté du cristal. La variation de la fréquence en réponse aux changements de capacité de charge varie en fonction de la valeur de la capacité de charge. Il est donc nécessaire d’incorporer un cristal avec une capacité de charge appropriée afin de stabiliser le circuit.
Lorsqu’un cristal est utilisé, la fréquence d’oscillation, l’écart de tolérance et les valeurs de capacité de charge du cristal sont utilisés comme base pour l’adaptation dans le circuit. Toutefois, dans un circuit réel, il existe des capacités parasites générées par divers facteurs, qui peuvent entraîner des écarts par rapport à la capacité de charge nominale de l’unité à cristal. Par conséquent, après avoir déterminé la différence entre la fréquence d’oscillation lorsqu’elle est incorporée dans le circuit et la fréquence d’oscillation de la capacité de charge standard, la capacité du circuit est ajustée par un réglage fin de la capacité afin de rapprocher la différence de zéro.