Developpement D Un Outil Logiciel Industriel D Aide A La Conception Des Oscillateurs A Quartz
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Développement d'un outil logiciel industriel d'aide à la conception des oscillateurs à quartz
La conception des oscillateurs à quartz a été longtemps basée sur des méthodes empiriques ou des techniques de modélisation approximatives ou inappropriées. Bien que ces méthodes permettent de réaliser des oscillateurs stables, leur procédure de conception reste lourde et fastidieuse et le comportement du circuit oscillateur n'est pas toujours déterminé avec une précision optimale. Le logiciel ADOQ (Analyse Dipolaire des Oscillateurs à Quartz) a été développé pour remédier aux limitations de ces méthodes. Cet outil fondé sur l'analyse dipolaire consiste à modéliser un oscillateur à quartz en tenant compte des non linéarités de la partie amplificateur séparément de celles du résonateur. Grâce à cette séparation, on s'affranchit du temps de calcul prohibitif imposé par le coefficient de qualité très élevé du résonateur. Le comportement non linéaire de l'amplificateur est déterminé en boucle ouverte par une analyse temporelle réalisée à l'aide d'un simulateur électrique de type SPICE. Les résultats fournis par ce simulateur permettent de déterminer avec précision l'impédance non linaire équivalente de l'amplificateur, c'est-à-dire son impédance en fonction de la fréquence et de l'amplitude. L'analyse consiste ensuite à rechercher de manière itérative la solution en boucle fermée à partir d'une série d'analyses dipolaires en boucle ouverte et de définir avec précision les conditions de fonctionnement de l'oscillateur : fréquence, amplitude, puissance d'excitation du résonateur en régime permanent, régime transitoire et spectres de bruit d'amplitude et de phase. ADOQ permet également de déterminer la sensibilité des caractéristiques de l'oscillateur en fonction des variations.
Modélisation non-linéaire des oscillateurs à quartz, développement d'un logiciel de simulation
Pendant très longtemps, le développement des oscillateurs ultra-stables pour applications spatiales et militaires s'est appuyé sur l'expérience et le savoir-faire de spécialistes grâce à des méthodes le plus souvent empiriques. Une démarche plus rigoureuse a été engagée pour améliorer la conception et l'optimisation des oscillateurs ultra-stables (plus particulièrement les oscillateurs à quartz). Cette thèse fait suite à une série de travaux dans le cadre de plusieurs contrats entre le LPMO et le CNES concernant la modélisation des oscillateurs à quartz. L'objectif de notre travail est de fournir au CNES un logiciel (nommé ADOQ) offrant à l'utilisateur un outil simple pour la conception d'oscillateurs à quartz performants. A partir de méthodes de simulation spécifiques aux circuits à grand coefficient de qualité nous avons développé une méthode de calcul originale appelée méthode du Grand-Sinus. Le logiciel ADOQ est capable de déterminer avec une grande précision les conditions de fonctionnement des oscillateurs à quartz: fréquence, amplitude, puissance d'excitation du résonateur en régime permanent, régime transitoire, spectres de bruit d'amplitude et de phase. Il permet par ailleurs de déterminer la sensibilite des caractéristiques de l'oscillateur en fonction de la variation de la valeur des composants. Il existe actuellement très peu de logiciels industriels en mesure de fournir directement ces informations. Le travail effectué dans le cadre de cette thèse est complété par la validation expérimentale de la méthode Grand-Sinus et la vérification de la concordance des résultats de simulation avec les résultats de mesures.
CONTRIBUTION A LA CONCEPTION D'OSCILLATEURS A QUARTZ MINIATURISES DE HAUTE FREQUENCE PAR SIMULATION TEMPORELLE
NOUS AVONS ETUDIE LA CONCEPTION D'UN OSCILLATEUR A QUARTZ MINIATURISE DANS LA GAMME DE FREQUENCE 100-500MHZ. POUR UN TEL OSCILLATEUR, L'UTILISATION D'UN RESONATEUR TOUT QUARTZ A ONDES DE SURFACE PERMET DE REALISER UN OSCILLATEUR AVEC UN VIEILLISSEMENT EXCEPTIONNEL. LA RECHERCHE DE LA MINIATURISATION DE L'OSCILLATEUR NOUS A CONDUIT A L'ETUDE A PARTIR DU LOGICIEL PSPICE DES PERFORMANCES EN FREQUENCE ET EN BRUIT DE TRANSISTORS BIPOLAIRES DE DIFFERENTS A.S.I.C. DU TYPE PREDIFFUSE. DES ECHANTILLONS DE CES CIRCUITS PREDIFFUSES DISPONIBLES EN KIT PARTS, NOUS A PERMIS DE COMPARER LES RESULTATS THEORIQUES DONNES PAR PSPICE AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ET DE VALIDER LES PERFORMANCES PREDICTEES PAR PSPICE. LA PERSONNALISATION D'UN CIRCUIT PREDIFFUSE PASSE PAR LA REALISATION D'UN MASQUE QUI REALISE LES INTERCONNEXIONS ENTRE LES DIFFERENTS ELEMENTS DU CIRCUIT. POUR PRENDRE EN COMPTE L'INFLUENCE DE CES LIGNES D'INTERCONNEXION SUR LES PERFORMANCES DU CIRCUIT, NOUS AVONS DEVELOPPE UN PROGRAMME QUI DETERMINE LES PARAMETRES ELECTRIQUES DU SCHEMA EQUIVALENT A PARTIR DES DONNEES GEOMETRIQUES DE LA LIGNE. LES RESULTATS OBTENUS METTENT EN EVIDENCE LA POSSIBILITE DE REALISER UN OSCILLATEUR A QUARTZ MINIATURISE DE GRANDE PURETE SPECTRALE