Oscillateur à quartz à compensation thermique pour pièce d'horlogerie
La présente invention a pour objet un oscillateur à quartz à compensation thermique pour pièce d'horlb gerie, selon le brevet principal, c'est-à-dire dont le circuit comprend une capacité variable, formée d'une capacité fixe et d'un amplificateur variable lui-même constitué par un amplificateur fixe et par un atténuateur variable, ce dernier étant formé d'un réseau de résistances fixes et de thermistances, le tout de manière que l'oscillateur soit au moins partiellement thermiquement compensé.
Comme cela a été dit dans le brevet principal, les quartz basse fréquence de coupe X + So, ou similaires, ont une dérive parabolique (fig. 1) de leur fréquence propre f en fonction de la température, donnée par
f = 1 - q#2 (1)
fo
où qlXlO-0,
At
# = #t
(#t)o
(At)0 = 160 C.
Le schéma électrique équivalent, dans les conditions normales d'utilisation, est celui d'un circuit R, L, C série (fig. 2), où (2#f)2 L C = I (2)
Des considérations d'ordre physique conduisent à la conclusion que c'est C, et non L, qui varie avec la température. En effet, C, qui est l'équivalent d'une élasticité, est variable. alors que L, qui est l'équivalent d'un moment d'inertie, ne peut varier que par des effets de dilatation qui sont très faibles. R, qui est l'équivalent des pertes, n'intervient pas dans f (équation ]) mais varie cependant beaucoup.
Si on pose L = Lo = constante, alors l'équation (2), en tenant compte de (1), donne
EMI1.1
où C" est la valeur de C pour z = O. (L'approximation est très bonne car t < 1 et q = 10-5, de sorte que q2#4 #2q#2.)
Si on met une capacité de compensation C' en série avec C de façon que C et C' en série présentent une capacité constante F, on a:
111
= constante (4)
C + C' r
En introduisant dans (4) la valeur approchée de C donnée par (3) on obtient pour C'
C'=
1+2q'#2 (5)
EMI1.2
Ainsi, pour obtenir une compensation correcte de la fréquence du quartz en fonction de la température, la capacité de compensation C' doit être reliée à t par l'équation (5).
Dans le brevet principal il a été proposé d'utiliser la capacité d'entrée du bloc Cj, représenté ici à la fig. 3, comme capacité de compensation.
Dans le bloc Ci, G est un amplificateur variable constitué par un amplificateur fixe Go et Pal un atténuateur variable à NTC Gt. Les tensions à l'entrée et à la sortie de cet amplificateur variable G sont en phase.
Si la résistance d'entrée de l'amplificateur G" est infinie, et si la résistance de sortie de l'atténuateur G est nulle, alors Ci est une capacité pure et vaut
Ci = C(l-G) où G = G"G,, x t et G - B < ,T', B,, étant un facteur cons- tant (facteur d'atténuation).
11 en résulte que Ci = C (l-GoBo#2) (7)
On voit que Ci, comme C', diminue lorsque T augmente, mais suivant des lois différentes. Si on remplace
C' par Ci, la courbe de compensation a l'allure indiquée à la fig. 4.
Le but de la présente invention est d'améliorer cette compensation.
L'oscillateur suivant l'invention est caractérisé par le fait qu'une contre-réaction est appliquée sur l'amplifì- cateur variable, afin d'améliorer la conîpensation thermique produite par celui-ci.
11 est à remarquer qu'il est connu de réaliser la compensation thermique d'un oscillateur à quartz à l'aide d'une tension continue, variable avec la température, qui modifie la valeur d'une capacité. La tension continue peut être considérée comme étant produite par la variation du gain d'un amplificateur, mais en pratique il s'agit d'un atténuateur variable suivi d'un amplificateur à gain constant.
Dans la présente disposition, la capacité compensatrice est synthétisée, c'est-à-dire réalisée par une capacité constante et par un amplificateur à gain variable de sorle que la capacité compensatrice varie directement avec le gain de cet amplificateur (effet Miller), sans passer par l'intermédiaire d'une tension continue.
Il est connu que la dérive d'un amplificateur continu est beaucoup plus difficile à éliminer que celle d'un amplificateur alternatif. Dans la présente disposition.
I'absence de toute amplification en continu est donc la garantie d'une compensation stable dans le temps.
En appliquant une contre réaction sui l'amplificateur
G, au moyen d'un déphaseur 1800 D, comme indiqué à la fig. 5, on obtient le montage représenté à la fig. 6. Ce dernier correspond au montage de la fig. 3, mais avec l'adjonction du déphaseur D.
G', gain de l'amplificateur G avec la contre-réaction, vaut
G'---- G (8 >
1SG
La capacité d'entrée C'i du montage de la fig. 6 vaut:
C(l-G') G') = G l C
I G I - G
C d'où: C'j (9 > puisque G - GoBo#2.
On voit que C'i donné par l'équation (9) a exactement la forme voulue par l'équation (5), de sorte qu'il suffit de régler G,, de façon telle que
G0 = 2q C'o (10)
Bo Co pour obtenir une compensation correcte.
Thermal compensated quartz oscillator for timepiece
The present invention relates to a thermally compensated quartz oscillator for a timepiece, according to the main patent, that is to say, the circuit of which comprises a variable capacitor, formed of a fixed capacitor and a variable amplifier itself constituted by a fixed amplifier and by a variable attenuator, the latter being formed of a network of fixed resistors and thermistors, the whole in such a way that the oscillator is at least partially thermally compensated.
As was stated in the main patent, low frequency X + So cut quartz crystals, or similar, have a parabolic drift (fig. 1) of their natural frequency f as a function of temperature, given by
f = 1 - q # 2 (1)
fo
where qlXlO-0,
At
# = #t
(#t) o
(At) 0 = 160 C.
The equivalent electrical diagram, under normal conditions of use, is that of an R, L, C series circuit (fig. 2), where (2 # f) 2 L C = I (2)
Physical considerations lead to the conclusion that it is C, and not L, which varies with temperature. Indeed, C, which is the equivalent of an elasticity, is variable. whereas L, which is the equivalent of a moment of inertia, can only vary by expansion effects which are very weak. R, which is the equivalent of the losses, does not intervene in f (equation]) but varies a lot.
If we set L = Lo = constant, then equation (2), taking into account (1), gives
EMI1.1
where C "is the value of C for z = O. (The approximation is very good because t <1 and q = 10-5, so that q2 # 4 # 2q # 2.)
If we put a compensation capacitor C 'in series with C so that C and C' in series have a constant capacitance F, we have:
111
= constant (4)
C + C 'r
By introducing into (4) the approximate value of C given by (3) we obtain for C '
C '=
1 + 2q '# 2 (5)
EMI1.2
Thus, to obtain a correct compensation of the frequency of the quartz as a function of the temperature, the compensation capacitor C 'must be related to t by equation (5).
In the main patent it has been proposed to use the input capacitance of the block Cj, shown here in FIG. 3, as a compensation capacity.
In the block Ci, G is a variable amplifier constituted by a fixed amplifier Go and Pal a variable attenuator at NTC Gt. The voltages at the input and at the output of this variable amplifier G are in phase.
If the input resistance of amplifier G "is infinite, and if the output resistance of attenuator G is zero, then Ci is a pure capacitance and is equal to
Ci = C (l-G) where G = G "G ,, x t and G - B <, T ', B ,, being a constant factor (attenuation factor).
It follows that Ci = C (l-GoBo # 2) (7)
We see that Ci, like C ', decreases when T increases, but according to different laws. If we replace
C 'by Ci, the compensation curve has the shape indicated in FIG. 4.
The aim of the present invention is to improve this compensation.
The oscillator according to the invention is characterized in that a feedback is applied to the variable amplifier, in order to improve the thermal compensation produced by the latter.
It should be noted that it is known to perform thermal compensation of a quartz oscillator using a direct voltage, variable with temperature, which modifies the value of a capacitor. DC voltage can be considered to be produced by varying the gain of an amplifier, but in practice it is a variable attenuator followed by a constant gain amplifier.
In the present arrangement, the compensating capacity is synthesized, that is to say produced by a constant capacity and by a variable gain amplifier so that the compensating capacity varies directly with the gain of this amplifier (Miller effect), without pass through a direct voltage.
It is known that the drift of a DC amplifier is much more difficult to eliminate than that of an AC amplifier. In this provision.
The absence of any continuous amplification is therefore the guarantee of stable compensation over time.
By applying a feedback to the amplifier
G, by means of a phase shifter 1800 D, as shown in fig. 5, the assembly shown in FIG. 6. The latter corresponds to the assembly of FIG. 3, but with the addition of the phase shifter D.
G ', gain of amplifier G with feedback, is
G '---- G (8>
1SG
The input capacity C'i of the assembly of FIG. 6 is:
C (l-G ') G') = G l C
I G I - G
C hence: C'j (9> since G - GoBo # 2.
We see that C'i given by equation (9) has exactly the form desired by equation (5), so that it suffices to set G ,, so that
G0 = 2q C'o (10)
Bo Co to get correct compensation.