Dedicated computer aided design software for quartz crystal oscillators
Développement d'un outil logiciel industriel d'aide à la conception des oscillateurs à quartz
Résumé
For long time crystal crystal oscillator was designed on the basic of empirical methods or approximate or inappropriate modelling techniques. Although these methods help to produce stable oscillators, their design procedure remains tedious and circuit oscillator behaviour is not always obtained with an optimal accuracy. ADOQ software (Dipolar Analysis of crystal Oscillators) was developed to remedy the limitations of these methods. This tool is based on the dipolar analysis which consists in modelling a crystal oscillator by taking in to account the amplifier nonlinearities separately from quartz resonator. This separation overcomes the expensive computing time imposed by the high—Q factor of the quartz résonator. The nonlinear behaviour of the amplifier can be determined in open loop by using transient analysis carried out by using an electric SPICE—like simulator. The nonlinear equivalent impedance of the amplifier can be obtained by processing the results provided by this simulator. The simulator's results allows us to determine accurately the nonlinear equivalent impedance of the amplifier, i.e. its impedance vs the frequency and amplitude. Then, the analysis consists in seeking the closed loop solution by using a series of open loop dipolar analyses and an itérative algorithm. This method leads to an accurate calculation of the operating conditions of the oscillator: frequency, resonator amplitude, drive level in steady—state operation, transient as well as state and amplitude and phase noise spectra. ADOQ allow us to determine characteristic sensitivity of the oscillator to the variations of the component value. The dipolar method requires to calculate the steady—state nonlinear amplifier impedance as a function of the harmonic current source amplitude. Although the separation of the resonator from the amplifier allows noticeable decrease of the computer time, the SPICE—like simulator transient analysis still needs a large computer time to reach the steady—state. Other analysis methods used in some industrial simulators allow to find the steady—state of a nonlinear circuit more quickly: harmonic—balance or shooting—method are among them. On the other hand, models used by SPICE are limited by component libraries provided by the vendor of the tool or the component manufacturer. A large part of this thesis consists in exploiting the Cadence CAD tool to increase the performances in terms of computing (SpectreRF) and facilites in terms of component models (Dracula) to optimize the ADOQ software. Tests and simulations have been performed and the results obtained evidence the achived improvements as well as their limits. KEY WORDS— Quartz oscillator, dipolar analysis, shooting-method, periodic steady
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 de la valeur des composants ou d'autres paramètres tels que la tension d'alimentation ou la température. La méthode dipolaire nécessite de calculer l'impédance non linaire de l'amplificateur en fonction de l'amplitude de la source harmonique en régime permanent. Bien que la séparation du résonateur et de l'amplificateur permette un gain de temps appréciable, l'utilisation d'un simulateur temporel tel que SPICE nécessite tout de même d'attendre que le régime permanent soit atteint ce qui reste pénalisant pour la méthode. D'autres méthodes d'analyses utilisées dans certains simulateurs industriels permettent d'obtenir le régime permanent d'un circuit non linaire beaucoup plus rapidement : équilibrage harmonique (harmonic—balance) ou méthode balistique (shooting—method). D'autre part les modèles des composants utilisés par SPICE sont assujettis aux bibliothèques de composants fournies par le concepteur de l'outil ou le fabricant des composants. La plus grande partie du travail effectué dans cette thèse consiste à exploiter les fonctionnalités de l'outil de conception Cadence pour étendre les performances en termes de calculs (SpectreRF) et les possibilités en termes de modèles de composants (Dracula) pour optimiser le logiciel ADOQ. Des tests et des simulations ont été réalisés et les résultats ont permis de mettre en évidence les améliorations acquises ainsi que leurs limites.
Loading...