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PhD thesis

Université de Franche-Comté (20/12/2011), Bernard DULMET (Dir.)

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Etude et développement d'un oscillateur à quartz intégré

Pierre Tinguy1

Le besoin croissant de réduction du volume, de la masse et de la consommation des dispositifs électroniques sans pertes de performances 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 Specific Integrated Circuit) en technologie 0,35 µm SiGe BiCMOS (Austriamicrosystems®) fonctionnant sous 3,3 V (±10%) pour réaliser un oscillateur à quartz miniature opérationnel sur une gamme en fréquence allant de 10 MHz à 100 MHz. Ce circuit dont 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 Ω ou HCMOS). Ces cellules sont toutes polarisées par une référence de tension interne de type bandgap CMOS. La consommation totale du circuit en charge reste inférieure à 100 mW pour un bruit blanc de phase visé de −150 dBc/Hz à 40 MHz. Pour minimiser la sensibilité thermique du 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 de l'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 interface spécifique pour obtenir finalement un démonstrateur miniature encapsulé avec son résonateur dans un même boîtier (TO-8: Ø15,2 mm).

1:	FEMTO-ST - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies

keyword(s) : oscillateur à quartz – intégration – ASIC – topologie Colpitts – régulation en température – modélisation – flip chip

Study and development of an integrated quartz crystal oscillator

The increasing demand for high-performance devices featuring compact, lighter-weight designs with low-power consumption also impacts quartz crystal oscillators used in metrological applications (time bases, sensors), telephony or navigation. In this 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 MHz to 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 Ω or HCMOS). These cells are biased by a fully integrated CMOS bandgap voltage reference. The die power consumption remains lower than 100 mW for a targeted phase noise floor as low as −150 dBc/Hz at a 40 MHz carrier frequency. A thermal control loop has in addition been partially integrated to the ASIC, in order to reduce the quartz resonator thermal sensitivity as well as to extend the potential application field of the developed die to oven applications (OCXO). The thermal control, that is strongly dependant on the mechanical design, has been designed and tested by using electrical analogy modelling on Spectre® simulator. Finally our integrated circuit has been connected to a specific substrate using flip chip technology to realize a miniaturized quartz crystal oscillator packaged on a TO-8 enclosure (Ø15.2 mm).

english keyword(s) : quartz crystal oscillator – integration – ASIC – Colpitts topology – thermal control – modeling – flip chip

tel-00675277, version 1

http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00675277

oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00675277

From: Fabienne Cornu <>

Submitted on: Monday, 5 March 2012 14:50:41

Updated on: Monday, 5 March 2012 15:00:15