Les oscillateurs et les filtres à Quartz

La première utilisation du cristal de quartz en tant que filtre date de 1921 [Cad21]. Le besoin croissant d’envoyer plusieurs messages vocaux simultané- ment a conduit à l’introduction de fréquences porteuses dans les systèmes de téléphonie en 1916 [Kin98]. Les anciens systèmes qui utilisaient les filtres LC dans la bande 10-40 kHz ne pouvaient pas dépasser une certaine largeur de bande à cause de leur faible facteur de qualité Q. En 1929 W. P. Mason du laboratoire de Bell a développé une méthode permettant d’intégrer les filtres en cristal de quartz dans un réseaux de filtres Lattice LC. Une bande de 60 à 108 kHz a été ainsi atteinte et a permis de multiplexer 12 canaux de voix à cette époque. Ces travaux publiés en 1934 dans [Mas34] ont servi de base à la réalisation des filtres durant les 20 années suivantes. Au milieu des années 1950, de nouveaux systèmes de radiocommunication à bande étroite réalisés

avec des filtres en cristal de quartz sont apparus dans le domaine militaire et commercial avec des fréquences plus élevées et stables. Pour concevoir un filtre fiable, le quartz est découpé et mis en boîtier. Selon l’angle de coupe on obtient différentes valeurs de fréquences de résonance dans la gamme 50 − 100 M Hz mais avec un très fort facteur de qualité dépassant 100 000 et une stabilité en température entre 10 ppm (partie par million) et 50 ppm pour les oscillateurs (XO pour Crystal Oscillator). Cette valeur est réduite à 1 ppm pour les oscillateurs quartz thermostatés (TCXO pour Temperature Controlled Crystal Oscillator), et 0.001 ppm pour les OCXO (Oven Control- led Crystal Oscillator).

De nos jours le quartz est utilisé comme la référence de temps la plus fiable pouvant être embarquée dans les appareils de communications mobiles et/ou des appareils de taille modeste comme les cartes mère d’ordinateur. A titre d’exemple les horloges de références des circuits numériques (processeurs et/ou périphériques) sont des oscillateurs quartz. Du point de vue fonction électronique, dans un oscillateur quartz le cristal sert au filtrage très sélectif du signal amplifié et donc à fixer la fréquence de cadence du circuit. Cependant le quartz présente des inconvénients, il n’est pas intégrable en IC (circuit intégré) et peut necessiter plus de place à cause de ses dimensions élévées (de l’ordre du mm). Donc un coût d’assemblage est à prévoir, ce coût est très élevé pour les récepteurs fabriqués en grande quantité comme les récepteurs des téléphones mobiles. D’autre part, la montée en fréquence peut poser des problèmes. Même si la solution utilisée de nos jours consiste à multiplier ou diviser le signal délivré par un oscillateur quartz par un circuit multiplieur ou diviseur de fréquence, cela pose des problèmes supplémen- taires liés à l’amplification ou la propagation des parasites générés par les circuits de multiplication ou de division. Par ailleurs, le coût d’un tel circuit n’est pas négligeable surtout pour des récepteurs fabriqués en série.

1.3.2.4 Composants à ondes acoustiques de surface (SAW)

Un filtre SAW est constitué d’un substrat piézo-électrique sur lequel est déposé des électrodes sous forme de peignes interdigités (Fig. 1.12) pour favoriser l’exploitation des ondes de surface (voir la Section2.1.2du Chap.

2).

La période des peignes est en général prise égale à la demi-longueur d’onde λ₂. Pour faire résonner la structure dans les cas des peignes interdigités deux choix sont possibles :

– Limiter la structure par un découpage à flanc vertical (Fig. 1.12(a)) – Utiliser des réflecteurs (Fig. 1.12(b))

La structure sur les Fig. 1.12(a) et Fig. 1.12(b) présentent un port. Des structures à deux ports sont aussi utilisées (Fig.1.12(c)) [Hum04].

De nos jours, les filtres SAW sont très utilisés dans la radiocommunica- tion et occupent plus de 90% de la part de marché des composants acousto-

(a)

(b)

(c)

Figure 1.12 – Structures basiques de résonateur SAW (a), SAW avec réflecteurs (b), SAW dans la configuration deux ports.

électriques. Ce marché s’étend des filtres pour la télévision, les récepteurs radios, les enregistreurs audio et vidéo, les enregistreurs de disques com- pacts, les lecteurs de musiques, la radiotéléphonie, les réseaux de téléphonie cellulaire et le secteur militaire. L’avantage des SAW est la performance éle- vée pour un petit boîtier (2.72 × 1.27 cm2 _{atteint). Le volume de production}

par an des filtres SAW est estimé à [GH04] :

– Plus de deux milliards de pièces vendues pour les filtres TV en fré- quence intermédiaire

– Plus d’un milliard de pièces vendues pour les filtres embarqués dans les appareils audios notamment pour les récepteurs FM d’automobile et les synthétiseurs de fréquence

– Plus de deux milliards de pièces vendues pour les filtres de téléphone cellulaires : filtres RF à 2.5 GHz avec une bande passante de 25 M Hz pour le GSM, 34 M Hz pour l’EGSM, 75 M Hz pour le TCM

– Plus de deux milliards de pièces vendues pour les filtres IF de 70 à 450 MHz avec une bande passante de 300 KHz pour le GSM, 1.25 M Hz pour le CDMA, 5 M Hz pour le WCDMA

Plusieurs circuits de boucle à verrouillage de phase (PLL pour Phase

Locked Loop) utilisant des SAW (VCSO pour Voltage Controlled SAW Oscillator) ont été réalisés [ICS03].

Parallèlement aux filtres et oscillateurs, les composants exploitant les ondes de surface SAW sont utilisés en tant que capteurs de température, chimiques, de pression, de force, de débit de gaz ou de liquide (Tab. 1.6) et comme capteur d’humidité [NOYF94]. Des composants mémoires utilisant des ondes acoustiques de surface ont été aussi réalisés [TEK95].

L’inconvénient majeur des filtres et oscillateurs SAW est lié au fait qu’ils ne sont pas intégrables. D’autre part, les composants SAW connaissent une forte absorption des ondes de surface (SAW) en haute fréquence dans la structure qui les excite. Cela a motivé les recherches pour les composants à ondes acoustique de volume (BAW pour Bulk Acoustic Wave) fonction- nant à haute fréquence (2 GHz). Non seulement les résonateurs BAW sont plus petits en taille mais aussi ils ont une meilleure tenue en puissance. Les résonateurs BAW ont une forte croissance pour le marché des résonateurs à fort coefficient de qualité.