Non linear Modeling of Quartz Crystal Oscillators, Development of a simulation software.
Modélisation Non Linéaire des Oscillateurs à Quartz, Développement d'un Logiciel de Simulation
Résumé
In the past, the ultra-stable oscillators
development for space and military applications
was essentially based on practical and
experimental knowledge of specialists. A more
rigorous approach was introduced to improve
the design and the optimization of the ultrastable
oscillators (particularly quartz oscillators).
This thesis follows a series of works within the
framework of several contracts between the
LPMO and the CNES concerning the modelling
of quartz oscillators. The aim of our work is to
provide the CNES a software (called ADOQ)
which permits the design of high quality quartz
oscillators. The software developed for circuit
with high quality coefficient is based on an
original method of calculation called Grand-Sinus method. ADOQ software enables us to
compute the operating condition with high
degree of accuracy in frequency, amplitude,
drive level of the resonator in steady state,
transient, amplitude and phase noise spectra.
The oscillator sensitivity to the variation in the
components can be evaluated. A very few
industrial software can provide this kind of
information and generally they are obtained
with tradeoff modifications and adaptations.
This work is completed by experimental
validation of the Grand-Sinus method and a
good agreement between the simulation results
and the measurement on high quality coefficient
quartz crystal oscillators has been
demonstrated.
development for space and military applications
was essentially based on practical and
experimental knowledge of specialists. A more
rigorous approach was introduced to improve
the design and the optimization of the ultrastable
oscillators (particularly quartz oscillators).
This thesis follows a series of works within the
framework of several contracts between the
LPMO and the CNES concerning the modelling
of quartz oscillators. The aim of our work is to
provide the CNES a software (called ADOQ)
which permits the design of high quality quartz
oscillators. The software developed for circuit
with high quality coefficient is based on an
original method of calculation called Grand-Sinus method. ADOQ software enables us to
compute the operating condition with high
degree of accuracy in frequency, amplitude,
drive level of the resonator in steady state,
transient, amplitude and phase noise spectra.
The oscillator sensitivity to the variation in the
components can be evaluated. A very few
industrial software can provide this kind of
information and generally they are obtained
with tradeoff modifications and adaptations.
This work is completed by experimental
validation of the Grand-Sinus method and a
good agreement between the simulation results
and the measurement on high quality coefficient
quartz crystal oscillators has been
demonstrated.
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 sensibilité 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.
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 sensibilité 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.