Voir la source de Quartz (électronique)

{{Voir homonymes|oscillateur|Quartz}}
[[Image:Crystal oscillator 4MHz.jpg|droite|vignette|154px|Un quartz de 4 [[Hertz|MHz]] dans un boîtier hermétique HC-49/US.]]
[[Image:32768 Hz quartz crystal resonator.jpg|vignette|droite|150px|Un diapason de quartz de montre dont on a enlevé le boîtier (largeur du socle de {{unité|3|mm}}).]]
En [[électronique (technique)|électronique]], un '''quartz''' est un [[composant électronique]] qui possède comme propriété utile d'[[oscillation|osciller]] à une [[fréquence]] stable lorsqu'il est stimulé électriquement. Les propriétés [[Piézoélectricité|piézoélectriques]] remarquables du [[Quartz (minéral)|minéral de quartz]] permettent d'obtenir des fréquences d'oscillation très précises, qui en font un élément important en [[électronique numérique]] ainsi qu'en [[électronique analogique]].

== Historique ==
Les propriétés piézoélectriques du quartz qui sont à la base de son emploi en électronique sont découvertes par les frères [[Pierre Curie|Pierre]] et [[Jacques Curie]] en [[1880 en science|1880]]<ref>Larousse du {{s-|XX}} en six volumes</ref> : le cristal leur sert d'abord de détecteur des très faibles impulsions électriques. L'utilisation des échos [[sonar]] provoqués par un quartz excité électriquement a été explorée à partir de 1915 par [[Paul Langevin]] en France et [[Walter Guyton Cady|W. G. Cady]] aux Etats-Unis.<br />Le premier oscillateur électronique stabilisé par un cristal de '''quartz''' gemme est réalisé en [[1918 en science|1918]], les diapasons sont mis dans des tubes électroniques.<br />Les premiers quartz [[Cristallogenèse|synthétiques]] sont obtenus en laboratoire vers [[1905 en science|1905]], et sont commercialisés aux alentours de [[1940 en science|1940]].

Le premier mini-résonateur quartz synthétique à usage industriel est disponible autour de [[1960 en science|1960]]. Les fréquences qui sont plus hautes que pour le cristal gemme, sont en haute précision utiles pour les [[télécommunications]], le [[Industrie spatiale|spatial]] et l'[[horlogerie]];<br />La première utilisation sur une [[Montre (horlogerie)|montre bracelet]] est faite en [[1969 en science|1969]].

== Minéralogie ==
{{Article détaillé|Quartz (minéral)}}
Le '''quartz''' est un [[minéral]] composé de [[dioxyde de silicium]], de [[formule chimique]] {{fchim|SiO|2}}, également appelé [[silice]]. Le [[Quartz (minéral)|cristal de quartz]] a l'aspect du [[verre]] mais il est plus [[Dureté (matériau)|dur]]. Il a la forme d'un [[prisme hexagonal]] non régulier - en section chaque côté est égal au côté opposé mais pas aux côtés adjacents. Il est terminé par une pointe aiguë, parfois aux deux extrémités - cristal biterminé. Les atomes du cristal de quartz sont disposés en ordre régulier, selon un motif répété de manière tridimensionnelle qui permet deux possibilités d'où des cristaux gauches et des cristaux droits.

== Effet piézoélectrique ==

Lorsqu'il est soumis à un [[champ électrique]], le cristal de '''quartz''' se déforme par effet [[piézoélectricité|piézoélectrique]] inverse. Le champ électrique est appliqué par une [[Potentiel électrique|différence de potentiel]] entre deux [[électrode]]s placées dans le quartz. Lorsque le champ est coupé, le quartz génère à son tour un champ électrique en reprenant sa forme initiale, provoquant une différence de potentiel entre les électrodes. L'alternance de ces deux états, entretenue par un [[Composant électronique#Composants actifs|composant actif]], se stabilise sur une des fréquences de résonance du quartz.

Tout matériau suffisamment élastique peut être utilisé comme oscillateur, et possède une fréquence de [[résonance]] propre. Par exemple l'[[acier]] est un matériau très élastique et a souvent été utilisé comme [[Oscillateur (mécanique)|oscillateur mécanique]] avant l'avènement du quartz. Cette fréquence dépend de la taille, de la forme, de l'[[Déformation élastique|élasticité]] et de la [[Dispersion (mécanique ondulatoire)|dispersion]] du quartz.

Les quartz [[Haute fréquence|HF]] sont généralement taillés sous forme d'un simple [[parallélépipède]]. Les quartz [[Basse fréquence|BF]], typiquement ceux utilisés dans les montres à quartz, ont la forme d'un [[diapason]]. Pour les applications ne nécessitant pas une grande précision, un résonateur céramique bon marché est utilisé à la place du quartz.

Le quartz se comporte comme un [[circuit RLC]] composé d'une bobine d'inductance, condensateur et résistance, avec une fréquence de résonance précise<ref>{{Lien web|langue=en|titre=Why capacitor is used with crystal oscillator?|url=https://teacherscollegesj.org/why-capacitor-is-used-with-crystal-oscillator/|consulté le=13 octobre 2023|site=teacherscollegesj.org}}</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|langue=en|titre=Circuit Analysis Quartz Crystal And Resonance Frequencies|url=https://themelower.com/|consulté le=13 octobre 2023|site=themelower.com}}</ref>.
Le quartz présente l'avantage supplémentaire que ses constantes élastiques et sa taille changent de cette manière, que la dépendance de la fréquence par rapport à la température peut être très faible<ref>{{Lien web|langue=en|titre=Crystals & Resonators—A Mini Guide|url=https://partstack.com/blog/crystals-resonators-a-mini-guide/|consulté le=13 octobre 2023|site=partstack.com}}</ref>{{,}}<ref>{{Lien web|langue=en|titre=Elastic constants of natural quartz|url=https://www.researchgate.net/publication/10593924_Elastic_constants_of_natural_quartz|consulté le=13 octobre 2023|site=www.researchgate.net}}</ref>. Les caractéristiques spécifiques dépendent du mode de vibration et de l'angle de coupe du quartz (par rapport à ses axes cristallographiques)<ref>{{Lien web|langue=en|titre=Introduction to Quartz Crystal Unit Design|url=https://books.google.com/books?vid=ISBN9780442262013&newbks=0&redir_esc=y|consulté le=13 octobre 2023|site=books.google.com}}</ref>. Par conséquent, la fréquence de résonance de la plaque, qui dépend de sa taille, ne change pas beaucoup. Cela signifie qu'une horloge, un filtre ou un oscillateur à quartz reste précis. Pour les applications critiques, l'oscillateur à quartz est monté dans un conteneur à température contrôlée appelé four à cristaux et peut également être monté sur des amortisseurs pour éviter les perturbations dues aux vibrations mécaniques externes<ref>{{Lien web|langue=en|titre=An introduction to crystal oscillators|url=https://www.electronicproducts.com/an-introduction-to-crystal-oscillators/|consulté le=13 octobre 2023|site=www.electronicproducts.com}}</ref>.

== Modélisation ==

[[Image:Quartz crystal equivalent.png|droite|cadre|Symbole et circuit équivalent d'un quartz.]]

Un quartz peut être modélisé comme un [[circuit électrique]] possédant deux fréquences de résonance proches l'une de l'autre, l'une à faible [[Impédance (électricité)|impédance]] (série), et l'autre à haute impédance (parallèle). L'impédance du circuit peut s'écrire :

<math>Z(s) = \frac{s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_s}^2}{s C_0 (s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_p}^2)}</math>

où :<br /><Math>s</Math> est la fréquence complexe (<math>s=j\omega</math>) ,<br /><math>\omega_s</math> est la pulsation de résonance série (<math>\omega_s = \sqrt{\frac{1}{L_1 C_1}}</math>) ,<br /><math>\omega_p</math> est la pulsation de résonance parallèle (<math>\omega_p = \frac{1}{\sqrt{L_1\frac{C_0 C_1}{C_0 + C_1}}}</math>)<Ref>Van Dyke "The electric network equivalent of piezoelectric resonator" Phys. Rev. vol.25, {{p.|895}}, 1925.</Ref>.

Remarques:

La capacité Co dépend de la configuration physique et du type de taille du quartz. Pour un quartz de taille AT, c'est pratiquement la capacité constituée par les métallisations du quartz, et elle est de l'ordre de quelques pF.

La fréquence de résonance série (donnée par L1-C1) ne dépend pas de Co. À cette fréquence, le quartz est pratiquement équivalent à la résistance R1, qui est de quelques ohms à quelques dizaines d'ohms.

Les éléments L1 et C1 sont des éléments fictifs qui modélisent le résonateur. À la résonance série, l'impédance de C1 est égale en module à l'impédance de L1. Cette impédance est égale à Q fois R1. Comme le coefficient de surtension Q est de plusieurs milliers, cette impédance est très grande: la capacité C1 se chiffre en femtofarads, et la self L1 se chiffre en millihenrys.

L'ajout d'un [[condensateur]] en dérivation, donc en parallèle sur Co, provoque une diminution de la fréquence de résonance parallèle du quartz. Ce phénomène peut être utilisé pour régler la fréquence suivant le besoin. Les fabricants prennent en compte ce point lors de la découpe du quartz pour avoir la fréquence correcte pour une charge donnée. Par exemple, un quartz {{unité|32.768|kHz}} - {{unité|6|pF}} ne fonctionne à cette fréquence que s'il est utilisé avec un circuit dont la capacité est de {{unité|6|pF}}.

== Caractéristiques ==
=== Stabilité en température ===
Le '''quartz''' est un matériau [[Anisotropie|anisotrope]], et son comportement en fonction de la température dépend de l'angle de coupe du cristal. Cet angle de taille est choisi pour que la fréquence de résonance soit la plus stable possible en température. Par exemple un quartz taillé en diapason est généralement dimensionné pour avoir une courbe de température [[Parabole|parabolique]] centrée sur {{tmp|25|°C}}, de sorte que la fréquence varie peu autour de la température ambiante. Le coefficient de variation de la fréquence en fonction de la température pour un quartz de fréquence de résonance de {{unité|32|kHz}} en diapason est de -0.04 ppm/°C², et cette fréquence varie selon la loi :

<center><math>f = f_0 \times [1- 4 \times 10^{-8} \times (T-T_0)^2]</math></center>

Cela signifie qu'un système utilisant ce quartz et correctement calibré à la température ambiante, perdrait {{nombre|2|minutes}} par an à la température de +15/+{{tmp|35|°C}}, et {{nombre|8|minutes}} par an à la température de +5/+{{tmp|45|°C}}.
[[Fichier:Quartz coupe AT.png|vignette|alt=Comportement de la fréquence de résonance d'un cristal de quartz en fonction de la température pour deux angles de taille différents.|Comportement de la fréquence de résonance d'un cristal de quartz en fonction de la température pour deux angles de taille différents.]]
Si on veut une stabilité supérieure, on sera obligé de passer sur des fréquences plus élevées, de 3 à {{unité|30|MHz}} en fondamentale, en taille dite AT.

La courbe de la fréquence en fonction de la température est alors une [[Fonction cubique|fonction du troisième degré]] dont le point d'inflexion peut être à {{tmp|20|°C}}. On peut ainsi obtenir des stabilités de l'ordre de {{unité|30|ppm}} entre -40 et +{{tmp|85|°C}}, ou bien de {{unité|5|ppm}} entre {{tmp|-15|°C}} et +{{tmp|60|°C}}, selon l'angle de taille adopté.

Pour éviter ces dérives pour des applications critiques, le quartz peut être monté dans un dispositif contrôlé en température : on parle de ''Oven Controlled Crystal Oscillator'' ([[OCXO]]).

=== Vieillissement ===
La fréquence de résonance d'un quartz varie très légèrement à long terme, ce qui peut poser des problèmes pour les applications qui demandent une très grande stabilité. On constate en général les premières années une diminution de la fréquence de l'ordre de {{unité|0.5|ppm}} par an. La fréquence se stabilise ensuite au bout de plusieurs années. Certains fabricants proposent ainsi des quartz artificiellement vieillis, par des cycles de température.

=== Facteur de qualité ===
Un circuit oscillateur à quartz entretient les oscillations en prélevant la tension sur le quartz, en l'amplifiant, et en la réinjectant dans le quartz. Le taux d'expansion/contraction du quartz est la [[Résonance|fréquence de résonance]], déterminée par la forme et la taille du minéral.

Typiquement un quartz présente 2 bornes conductrices, de part et d'autre de celui-ci. Au démarrage, le circuit applique une tension alternative aléatoire, et une portion du spectre de ce bruit va tomber sur la fréquence de résonance du quartz. Celui-ci va alors agir comme un [[Filtre (électronique)|filtre]] et amplifier cette fréquence en atténuant les autres.

Le facteur de qualité d'un quartz représente cette capacité à filtrer très précisément cette fréquence pure tout en rejetant les harmoniques et le bruit. On parle aussi de sélectivité.

Ce [[Facteur de qualité|facteur Q]] est généralement compris pour un oscillateur à base de quartz entre 10<sup>4</sup> et 10<sup>6</sup>, la qualité maximum étant estimée à '''Q''' = 1,6×10<sup>7</sup>/'''f''', avec '''f''' la fréquence de résonance en MHz.

=== Oscillateurs compensés ===
Les conditions réelles de température, d'humidité, de pression et de vibration vont influencer la fréquence de résonance, des oscillateurs à quartz ont donc été créés pour compenser cela :
* [[TCXO]]
* [[MCXO]]
* [[OCXO]]
Ces composants, particulièrement les [[OCXO]], ont une stabilité à court terme excellente, ils sont seulement limités par le bruit induit par les composants actifs de l'oscillateur. À long terme la stabilité est dégradée par le vieillissement du quartz.

Ces limitations ne permettent pas de dépasser une précision de 10<sup>−10</sup> fois la fréquence nominale. Pour cette raison, les applications nécessitant précision et stabilité à long terme utilisent des [[horloge atomique|horloges atomiques]].

Bien que les quartz soient fabriqués « sur mesure », dans les limites technologiques, il est courant pour les concepteurs de circuits électroniques d'utiliser des oscillateurs standardisés, et de synthétiser la fréquence de travail à l'aide de [[diviseur de fréquence|diviseurs]], de [[multiplicateur de fréquence|multiplicateurs de fréquence]], ou de [[boucle à verrouillage de phase|PLL]]. Cela permet également de n'utiliser qu'une source d'oscillation pour générer plusieurs fréquences, et ainsi éviter les phénomènes de [[métastabilité]] potentiellement générés dans des [[Électronique numérique|circuits numériques]] multi-horloges.

=== Résonance série/parallèle ===
Un même quartz peut osciller sur sa fréquence série ou parallèle, et le mode de résonance devra être spécifié au constructeur. La fréquence série est quelques kHz en dessous de la fréquence parallèle. Les quartz de moins de {{unité|30|MHz}} oscillent généralement entre la fréquence série et la fréquence parallèle, ce qui signifie que l'impédance du quartz apparaît comme inductive. Un condensateur additionnel va ainsi diminuer la fréquence de résonance pour la rapprocher de sa fréquence série. '''Pour que le quartz fonctionne à sa fréquence nominale en mode parallèle, il faut que la capacité équivalente du circuit actif présenté au quartz soit celle spécifiée par le constructeur.'''

Les quartz au-delà de {{unité|30|MHz}} (jusqu’à {{unité|200|MHz}}) utilisent la résonance série, avec une impédance minimale égale à la résistance série. Pour cette raison la résistance série est spécifiée (<{{unité|100|Ω}}), contrairement à la capacité parallèle.Pour osciller selon ce mode, le circuit devra présenter au quartz une résistance faible.

Pour des fréquences supérieures à quelques dizaines de MHz, on utilise une résonance série sur des multiples impairs de la [[fréquence fondamentale]]: c'est le mode de résonance dit "overtone". Ces quartz oscillent directement sur des fréquences proches de multiples impairs de la fondamentale ({{3e}}, {{5e}}, voire {{7e}} harmonique). Un [[circuit LC]] additionnel résonant sur la fréquence "overtone" choisie sera alors indispensable.

=== Fréquences non désirées ===
Pour les quartz utilisant la résonance série et à certains points de température, des réponses non désirées peuvent être observées. Elles sont généralement de quelques kHz en dessous de la fréquence désirée. Cela peut apparaître même si la résistance série est supérieure à celle de la fréquence de base. Ce phénomène est généralement évité par l'utilisation de circuits d'oscillation à faible impédance pour augmenter la différence de résistance série et stabiliser le quartz sur la fréquence de base.

=== Notation ===
Sur les schémas électriques, les quartz sont désignés par la lettre « Y » (Y1, Y2, etc.), tandis que les oscillateurs utilisent la lettre « G » (G1, G2, etc.)<Ref>[[IEEE]] Std 315-1975, ou [[ANSI]] Y32.2-1975</Ref>. Occasionnellement, on peut trouver la désignation « X » ou « XTAL », ainsi que « XO » pour un oscillateur. Néanmoins ces lettres ne sont plus usitées.

== Applications ==
Les quartz sont conçus pour vibrer à des fréquences allant de la dizaine de [[Hertz|kilohertz]], à quelques dizaines de [[Hertz|mégahertz]]. La production mondiale de quartz électroniques est de deux milliards (2×10<sup>9</sup>) chaque année. La plupart sont destinés aux [[Horloge à quartz|montres à quartz]], et pour fournir une base de temps dans les [[Circuit électronique|circuits électroniques]]. On trouve des quartz dans les équipements de test et de mesure, tels que [[compteur]]s, [[Générateur de basses fréquences|générateurs de signaux à basses fréquences]], [[Oscillateur (électronique)|oscillateurs]] à hautes fréquences ou [[oscilloscope]]s. Les quartz sont également très utilisés dans les systèmes de radiocommunication, pour les références de fréquences, mais aussi pour réaliser des filtres de bande étroits.

=== Oscillateur à quartz ===
{{Article détaillé|Oscillateur électronique}}

Voici les différents types d'oscillateurs à quartz :
* '''[[ATCXO]]''' — ''Analogue Temperature-compensated Crystal Oscillator''
* '''[[CDXO]]''' — ''Calibrated Dual Crystal Oscillator''
* '''[[MCXO]]''' — ''[[Microcontrôleur|Microcomputer]]-compensated Crystal Oscillator''
* '''[[OCVCXO]]''' — ''Oven-Controlled Voltage-Controlled Crystal Oscillator''
* '''[[OCXO]]''' — ''Oven-Controlled Crystal Oscillator''
* '''[[RbXO]]''' — ''[[Rubidium]] Crystal Oscillator'', un quartz qui peut être de la famille MCXO, synchronisé par une horloge au rubidium, et activée occasionnellement pour économiser l'énergie.
* '''[[TCVCXO]]''' — ''Temperature-Compensated Voltage-Controlled Crystal Oscillator''
* '''[[TCXO]]''' — ''Temperature-Compensated Crystal Oscillator''
* '''[[TSXO]]''' — ''Temperature-Sensing Crystal Oscillator'', une variante du TCXO
* '''[[VCXO]]''' — ''Voltage-Controlled Crystal Oscillator''
* '''[[TCXO|DTCXO]]''' — ''Digital Temperature Compensated Crystal Oscillator'', le même principe que le MCXO

=== Filtre à quartz ===
{{Article détaillé|Filtre (électronique)}}
Les quartz permettent de réaliser des filtres avec un [[facteur de qualité]] élevé.
Ce facteur peut devenir un inconvénient quand le quartz continue à vibrer alors qu'on ne le souhaite pas, car cela déforme le signal d'origine.

=== Capteur à quartz ===
Certains capteurs exploitent la stabilité du quartz pour détecter l'évaporation de composés chimiques ([[microbalance à quartz]]). Le principe est de détecter la variation de fréquence du quartz en oscillation causée par le dépôt du composé en cours d'évaporation.

== Bibliographie ==
* Edouard Cliquet, ''Montages de petite puissance sur ondes courtes'', Tome 1, Éditions Technique & Vulgarisation, Paris, 1947

== Notes ==
<References/>
{{Traduction/Référence|en|Crystal oscillator|89003691}}

== Voir aussi ==
=== Articles connexes ===
* [[Électronique numérique]]
* [[Oscillateur électronique]]
* [[Montre à quartz]]
* [[Horloge atomique]]

=== Liens externes ===
* {{en}} [http://www.ecliptek.com/crystals/glossary.html Ecliptek - Glossary of Terms for Crystals]
* [http://gonzalj.chez-alice.fr/Quartz/oscillateurs-quartz.htm Quelques mesures et simulations]

{{Portail|électricité et électronique|temps}}

[[Catégorie:Composant passif]]