Etude et développement d’un oscillateur à quartz intégré

par Pierre Tinguy

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Bernard Dulmet.

Soutenue le 20-12-2011

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) et de Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .

Le président du jury était Rémi Brendel.

Le jury était composé de Bernard Dulmet, Rémi Brendel, Laurent Couteleau, Serge Galliou.

Les rapporteurs étaient Philippe Maurel, Michel Prigent.


  • Résumé

    Le besoin croissant de réduction du volume, de la masse et de la consommation des dispositifs électroniques sans pertes deperformances concerne aussi les oscillateurs à quartz utilisés dans les applications métrologiques (bases de temps, capteurs),la téléphonie, la navigation... Dans le cadre de cette problématique, nous avons développé un ASIC (Application SpecificIntegrated Circuit) en technologie 0,35 μm SiGe BiCMOS (Austriamicrosystems®) fonctionnant sous 3,3 V (±10%) pourréaliser un oscillateur à quartz miniature opérationnel sur une gamme en fréquence allant de 10 MHz à 100 MHz. Ce circuitdont la surface ne dépasse pas les 4 mm2 est composé de diverses cellules RF, depuis le système d’entretien de type Colpitts,la mise en forme et jusqu’à l’adaptation du signal à sa charge d’utilisation (50 W ou HCMOS). Ces cellules sont toutespolarisées par une référence de tension interne de type bandgap CMOS. La consommation totale du circuit en charge resteinférieure à 100 mW pour un bruit blanc de phase visé de −150 dBc/Hz à 40 MHz. Pour minimiser la sensibilité thermiquedu résonateur et ainsi pouvoir s’orienter également vers des applications OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator),nous avons partiellement intégré une régulation de température dans notre ASIC. Cette régulation fortement dépendante del’architecture thermo-mécanique a été dimensionnée puis validée au travers de modélisations par analogie sous Spectre®.Notre électronique intégrée nécessite peu de composants externes et nous l’avons reportée par flip chip sur une interfacespécifique pour

  • Titre traduit

    Study and development of an integrated quartz crystal oscillator


  • Résumé

    The increasing demand for high-performance devices featuring compact, lighter-weight designs with low-power consumptionalso impacts quartz crystal oscillators used in metrological applications (time bases, sensors), telephony or navigation. Inthis context, we have developed an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) in 0.35 μm SiGe BiCMOS technology(Austriamicrosystems®) supplied by 3.3 V (±10%) to realize a miniaturized quartz crystal oscillator operating in the 10 MHzto 100 MHz frequency range. The fabricated die hosts several RF cells in a 4 mm2 area, including a sustaining amplifier(Colpitts topology), a signal shaping circuit and an output buffer dedicated to a specific load (50 W or HCMOS). These cellsare biased by a fully integrated CMOS bandgap voltage reference. The die power consumption remains lower than 100 mWfor a targeted phase noise floor as low as −150 dBc/Hz at a 40 MHz carrier frequency. A thermal control loop has in additionbeen partially integrated to the ASIC, in order to reduce the quartz resonator thermal sensitivity as well as to extend thepotential application field of the developed die to oven applications (OCXO). The thermal control, that is strongly dependanton the mechanical design, has been designed and tested by using electrical analogy modeling on Spectre® simulator. Finallyour integrated circuit has been connected to a specific substrate using flip chip technology to realize a miniaturized quartzcrystal oscillator packaged on a TO-8 enclosure (Ø15.2 mm).


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Informations

  • Détails : 1Vol. ( 198p.)
  • Annexes : Bibliogr. (p.163-174)

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : SCI.BESA2011.17
  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire électronique, Besançon.
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