OCXO

OCXO est l'abréviation de l'anglais Oven Controlled X-tal(Crystal) Oscillator, qui se traduit en français par « oscillateur à quartz thermostaté »[1]. Le terme désigne une technique régulant la température d'un oscillateur à quartz pour améliorer la précision de sa fréquence, il désigne aussi les composants électroniques mettant en œuvre cette technique.

Un OCXO à l'intérieur d'un fréquencemètre digital HP.

Généralité

Le cristal de quartz est un matériau piézoélectrique largement utilisé comme résonateur dans les oscillateurs électroniques pour générer des signaux de fréquence[2]. Un OCXO est un type d'oscillateur à quartz parmi d'autres : VCXO, TCXO, MCXO, etc. Il se compose d'un oscillateur classique (résonateur et un circuit électronique oscillant) placé dans une enceinte isolé thermiquement avec un radiateur (souvent un transistor de puissance) et son circuit de régulation[3].

L'enceinte (oven en anglais) reste à une température constante. Mais, comme la régulation thermique d'un OCXO ne peut que chauffer (et non refroidir), la température de l'enceinte doit être plus élevée que la plus haute température ambiante rencontrée par le composant. Par exemple, pour un fonctionnement entre −40 °C et +60 °C, une régulation à +75 °C est usuelle[4]. La coupe (c'est-à-dire la forme) du cristal de quartz définit un intervalle de température où la fréquence de résonance du quartz varie peu[5]. Les coupes SC cut (abréviation de Stress Compensated cut) et AT-cut sont les plus utilisées. La SC-cut présente une stabilité optimale entre 70 °C et 90 °C, la AT-cut autour de 25 °C[6]. En considérant une température de fonctionnement courante de 75 °C pour les OCXOs[3], la SC-cut est plus performante mais l'AT-cut est plus facile à fabriquer et moins chère.

En termes de contraintes d'utilisation, les OCXOS ont besoin d'un temps de pré-chauffage de plusieurs minutes au démarrage pour réguler à la température voulue et atteindre une fréquence de fonctionnement stable[7],[8]. Ils ont une consommation plus importante que les quartz fonctionnant à température ambiante, à cause de la puissance nécessaire au chauffage : lors du démarrage, certains OCXOs peuvent consommer un courant de plus de 1 A. L'enceinte et l'isolation thermique augmentent aussi l'encombrement du composant. Ils ne sont donc pas utilisable pour des applications portables ou alimentées par batterie[9].

Performances

La performance en stabilité est définie par la variation de la fréquence sur une durée et dans des conditions environnementales spécifiées. Elle est notée en ppm ou en puissance de 10. Les OCXOs et leurs dérivés sont les oscillateurs à cristaux les plus performants, seules les horloges atomiques sont plus précises[3]. Leur stabilité à court terme est excellente, de l'ordre de 1 × 10−12 à 1 s, elle est limitée par le bruit de l'électronique. À long terme, la fréquence dérive à cause du vieillissement du cristal de quartz[7]. Par rapport aux variations de température extérieure, les OCXOs sont jusqu'à 1 000 fois plus stables qu'un oscillateur à quartz simple[10]. En prenant en compte les effets thermiques et le vieillissement, la précision à un an d'un OCXO a une valeur typique de 5 × 10−7[3].

Comparaison de différents types d'oscillateur[11],[12],[13],[N 1]
Oscillateur à quartzHorloge atomique
XO[N 2]TCXOMCXO[N 3]OCXORubidiumCésium
Précision (par an)[N 4]10–100 ppm2 × 10−85 × 10−81 × 10−85 × 10−10 [N 5]2 × 10−11 [N 5]
Vieillissement (par an)5 × 10−72 × 10−85 × 10−92 × 10−100
Stabilité en température
(intervalle)		10–50 ppm5 × 10−7
(−55 à 85 °C)		3 × 10−8
(−55 à 85 °C)		1 × 10−9
(−55 à 85 °C)		3 × 10−10
(−55 à 68 °C)		5 × 10−11
(−28 à 65 °C)
Stabilité (1s)1 × 10−83 × 10−101 × 10−123 × 10−125 × 10−11
Poids20 g50 g100 g200–500 g1,5–2,5 kg10–20 kg
Consommation0,02 W0,04 W0,04 W0,6 W20 W30 W
  1. Données datant de 2004.
  2. Abréviation de X-tal Oscillator, fait référence un oscillateur à quartz non compensé en température.
  3. Abréviation de Microcontroler Compensated X-tal Oscillator.
  4. Les valeurs incluent les effets d'une gamme de température d'utilisation militaire. La gamme est plus importante pour les oscillateurs à quartz que pour les horloges atomiques.
  5. Une horloge atomique (césium ou rubidium) servant de référence de fréquence dans un laboratoire, donc fonctionnant à température ambiante, est entre 10 et 100 fois plus précises que les valeurs indiquées ici.

Ce tableau considère les principaux critères de performances pour les principales technologies de génération de fréquence de référence.

En termes de performance, d'autres critères existent : le bruit de phase est une caractéristique importante pour les émetteurs et récepteurs dans le domaine des télécommunications[14]. Dans certaines applications, il faut tenir compte des données sur la sensibilité du quartz aux contraintes mécaniques telles que les vibrations et les chocs[15], ou sur la résistance aux radiations dans le domaine spatial[16].

En termes de techniques, il existe des variantes autour des OCXOS. L'isolation thermique peut être améliorée en imbriquant deux enceintes l'une dans l'autre, des OCXOS double oven sont ainsi obtenus atteignant une stabilité de l'ordre 1 × 10−10 sur une plage d'utilisation de −40 °C à +75 °C[8]. Avec le même objectif, d'autre modèles utilisent un packaging sous vide à l'intérieur du composant ou bien seulement autour du quartz[17]. Des technologies hybrides fonctionnent en associant un OCXO à une référence extérieure. Des démonstrateurs ont été réalisés pour coupler un OCXO à une horloge atomique au Rubidium. Le principe est de mettre en marche périodiquement le rubidium pour recaler la fréquence du quartz, puis de l'arrêter pour économiser l'énergie[18]. La fréquence d'un OCXO peut aussi être asservie sur des signaux radio de synchronisation comme le GPS pour obtenir une stabilité de 1 × 10−12 à long terme (voir GPS disciplined oscillator (en))[19]. Plus récemment, il faut mentionner que certains composants OCXO miniatures disponibles commercialement sont en fait des VCOCXO[15] ou des TCOCXO[20], c'est-à-dire qu'ils sont à la fois thermostatés et compensés ou commandés électroniquement.

Historique
OCXOs en 1929 servant de référence de fréquence 100 kHz pour les États-Unis au National Bureau of Standards (aujourd'hui NIST).

Le premier oscillateur à quartz est inventé par W.G. Cady en 1921[21]. La température étant identifiée comme le facteur principal d'incertitude du quartz[21], les OCXOs sont apparus rapidement : en 1929, quatre OCXOs (avec des coupes GT-cut) sont la référence de fréquence générée par le National Bureau of Standards pour les États-Unis[22]. Des avancées sur les coupes de cristaux de quartz compensées en température sont régulièrement réalisées[21] : la première coupe de type AT-cut est mise au point en 1934[23].

Jusqu'à la fin des années 50, l'électronique autour du quartz est basée sur des tubes à vide, le chauffage de l'enceinte est alimenté en courant alternatif. Le volume d'un OCXO est alors de l'ordre de 1 600 cm3. Dans les années 60, l'introduction des transistors à la place des tubes électroniques permet de nombreuses améliorations. Les éléments de chauffage de l'enceinte évoluent aussi : ils deviennent alimentés en courant continu ce qui supprime les perturbations induites par le courant alternatif des anciens chauffages sur le spectre de la fréquence de sortie. Matériellement les résistances chauffantes filaires (wiring resistance (en)) sont remplacées par des thermistances qui sont à leur tour supplantées par des transistors de puissance dans les années 70[24]. Les propriétés de la coupe SC-cut sont prédites en 1974[23]. Les quartz SC-cut produits à partir de 1976[23] permettent de diminuer le temps de pré-chauffage jusqu'à 3 minutes[24].

À la fin des années 90, en intégrant toutes ces technologies, des OCXOs pour les applications spatiales mesurant moins de 8 cm3 ont des performances comparables avec les OCXOs en rack des années 50 tout en étant 100 fois plus petit et en consommant 100 fois moins que leurs prédécesseurs[24].

Bibliographie

(en) John R. Vig, Quartz Crystal Resonators and Oscillators for Frequency Control and Timing Applications - A Tutorial, , 292 p. (lire en ligne)

Références
  1. Jean-Philippe Muller, « Cours sur les oscillateurs », sur http://www.ta-formation.com/ (consulté le ), p. 23
  2. (en) « Time and Frequency from A to Z : Quartz Oscillator », sur http://www.nist.gov/pml/div688/ (consulté le )
  3. (en) Ian Poole, « OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator », sur http://www.radio-electronics.com/ (consulté le )
  4. Vig 2004, p. 137
  5. Vig 2004, p. 136
  6. Vig 2004, p. 63-64
  7. (en) « Time and Frequency from A to Z : OCXO », sur http://www.nist.gov/pml/div688/ (consulté le )
  8. Vig 2004, p. 138
  9. Vig 2004, p. 236-237
  10. Vig 2004, p. 31
  11. Vig 2004, p. 235
  12. (en) O. Mancini, « Tutorial Precision Frequency Generation Utilizing OCXO and Rubidium Atomic Standards with Applications for Commercial, Space, Military, and Challenging Environments », (consulté le ), p. 4
  13. Vig 2004, p. 32
  14. (en) Boroditsky et Gomez, « Micro-miniature, SMD, ultra low phase noise, high frequency OCXO », European Frequency and Time Forum (EFTF), 2014,‎ , p. 360-362 (DOI 10.1109/EFTF.2014.7331510)
  15. (en) Boroditsky et Gomez, « Acceleration "G" Compensated for VCOCXO Based on Digital Controller », Frequency Control and the European Frequency and Time Forum (FCS), 2011 Joint Conference of the IEEE International,‎ , p. 1-4 (DOI 10.1109/FCS.2011.5977758, lire en ligne)
  16. Vig 2004, p. 174-176
  17. (en) Boroditsky et Gomez, « Very Low Power Consumption, Ultra Low Phase Noise, Miniature Conventional OCXO », European Frequency and Time Forum & International Frequency Control Symposium (EFTF/IFC), 2013 Joint,‎ , p. 160-163 (DOI 10.1109/EFTF-IFC.2013.6702094, lire en ligne)
  18. Vig 2004, p. 231
  19. Palmaers, Nizet et Gillieaux-Vetcour, « Asservissement d’un oscillateur quartz sur base d’un signal GPS », Revue scientifique des ISILF, no 19,‎ (lire en ligne, consulté le )
  20. (en) Nigel Hardy, « Oscillator performance criteria for use in time lock loop applications », (consulté le ), p. 25-32
  21. (en) Marrison, « The evolution of the quartz crystal clock », Bell System Technical Journal, vol. 27, no 3,‎ , p. 510-588 (DOI 10.1002/j.1538-7305.1948.tb01343.x, lire en ligne)
  22. (en) Sullivan, « Time and frequency measurement at NIST: The first 100 years », Frequency Control Symposium and PDA Exhibition, 2001. Proceedings of the 2001 IEEE International,‎ , p. 4-17 (DOI 10.1109/FREQ.2001.956152, lire en ligne)
  23. Vig 2004, p. 84
  24. (en) Frerking, « Fifty years of progress in quartz crystal frequency standards », Frequency Control Symposium, 1996. 50th., Proceedings of the 1996 IEEE International,‎ , p. 33-46 (DOI 10.1109/FREQ.1996.559817, lire en ligne)
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