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.

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 isolée 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 OCXO^[3], la SC-cut est plus performante mais l'AT-cut est plus facile à fabriquer et moins chère.

En matière de contraintes d'utilisation, les OCXO ont besoin d'un temps de préchauffage 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 OCXO 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 utilisables 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 OCXO 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 OCXO 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 quartz				Horloge atomique
	XO^{[N 2]}	TCXO	MCXO^{[N 3]}	OCXO	Rubidium	Césium
Précision (par an)^{[N 4]}	10–100 ppm	2 × 10⁻⁸	5 × 10⁻⁸	1 × 10⁻⁸	5 × 10⁻¹⁰ ^{[N 5]}	2 × 10⁻¹¹ ^{[N 5]}
Vieillissement (par an)		5 × 10⁻⁷	2 × 10⁻⁸	5 × 10⁻⁹	2 × 10⁻¹⁰	0
Stabilité en température (intervalle)	10–50 ppm	5 × 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 × 10⁻⁸	3 × 10⁻¹⁰	1 × 10⁻¹²	3 × 10⁻¹²	5 × 10⁻¹¹
Poids	20 g	50 g	100 g	200–500 g	1,5–2,5 kg	10–20 kg
Consommation	0,02 W	0,04 W	0,04 W	0,6 W	20 W	30 W

↑ Données datant de 2004.
↑ Abréviation de X-tal Oscillator, fait référence un oscillateur à quartz non compensé en température.
↑ Abréviation de Microcontroler Compensated X-tal Oscillator.
↑ 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.
1 2 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 précise que les valeurs indiquées ici.

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

En matière de performances, 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 matière de techniques, il existe des variantes autour des OCXO. L'isolation thermique peut être améliorée en imbriquant deux enceintes l'une dans l'autre, des OCXO 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'autres 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.

v · m Oscillateur électronique
Théorie	Critère de stabilité de Barkhausen Oscillateur harmonique Équation de Leeson Critère de Nyquist Bruit de phase de l'oscillateur
Oscillateur LC	Oscillateur Armstrong Oscillateur Clapp Oscillateur Colpitts Oscillateur Hartley Oscillateur Vackář Oscillateur Royer Dipmètre
Oscillateur RC	Oscillateur à déphasage Oscillateur à pont de Wien
Oscillateur à quartz	Oscillateur Butler Oscillateur Pierce Oscillateur Tri-tet OCXO TCXO
Oscillation de relaxation	Oscillateur Bloquant Multivibrateur Générateur de créneaux Effet Pearson-Anson
Autres	Astable Cavité résonnante Oscillateur commandé en tension Oscillateur contrôlé par entrée numérique Oscillateur à ligne de retard Oscillateur Opto-electronique Oscillateur Robinson Oscillateur à fréquence variable

Performances

Historique

Bibliographie

Références

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