Analyse comparative des oscillateurs : MEMS vs TCXO vs OCXO vs RUBIDIUM

Choisir un oscillateur, c’est faire un compromis entre prix, capacité et performance. Une des métriques importantes pour faire ce choix est la stabilité. Elle s’exprime face à un changement de température, ou dans le temps, en ppm (parties par million). Si un oscillateur a une fréquence nominale de 10MHz, une dérive de 1 ppm correspond à une variation de plus ou moins 10Hz.

Il existe quatre types principaux d’oscillateurs : les oscillateurs MEMS : Microelectromechanical Systems ; TCXO : Temperature-Compensated Crystal Oscillator ; OXCO : Oven-Controlled Crystal Oscillator et les oscillateurs à rubidium.

Les oscillateurs MEMS

Les oscillateurs MEMS (MicroElectroMechanical System) sont les plus simples et les moins coûteux. Leur principe de fonctionnement repose sur des résonateurs micromécaniques, le plus souvent en silicium. Ces résonateurs vibrent à une fréquence spécifique lorsqu’ils sont excités électriquement. L’intérêt des oscillateurs MEMS est leur grande résistance aux chocs et un fonctionnement dans un large intervalle de température.

Les meilleurs oscillateurs MEMS peuvent ainsi fonctionner dans des environnements allant de -40 à +150°C. Ils sont petits, relativement robustes et consomment peu d’énergie. Malheureusement tous ces avantages viennent avec une plus faible précision que les autres oscillateurs et une moins bonne stabilité dans le temps. Cela en fait les oscillateurs idéaux pour les appareils portables fonctionnant sur batterie, comme des capteurs ou des objets IoT.

Oscillateurs TCXO

Les oscillateurs TCXO (Temperature-Compensated Crystal Oscillator) sont des oscillateurs à quartz compensés en température. Ils utilisent la vibration d’un cristal de quartz pour générer une fréquence permettant de mesurer le passage du temps. Ils pallient les faiblesses des oscillateurs à quartz classiques face aux changements de température en ayant des circuits spéciaux (analogiques ou numériques) qui peuvent modifier la fréquence de sortie en fonction de la température. Ceci leur permet d’opérer dans un intervalle de température allant de -40 à +85°C. Ils ont par ailleurs une meilleure précision et stabilité que les oscillateurs MEMS, en effet leur stabilité en fréquence est de l’ordre de 0,1 à 2 ppm/°C. Cette grande stabilité ouvre les portes à de nombreuses applications comme les télécommunications, les récepteurs GPS ou les capteurs industriels.

Oscillateurs OCXO

Les oscillateurs OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator) sont des oscillateurs à quartz de grande précision et très stables dans le temps. L’idée de ces oscillateurs n’est pas d’ajuster la fréquence de sortie en fonction de la température comme dans le cas des TCXO, mais au contraire de contrôler la température du cristal de quartz pour garantir la fréquence.

C’est pourquoi, ils fonctionnent à l’intérieur d’un four miniature qui permet de maintenir le cristal à une température optimale de 70°-90°C, quelle que soit la température extérieure.

En évitant les variations de température du cristal, les oscillateurs OCXO peuvent atteindre un taux de dérive de seulement 0,01 ppm/°C ce qui en fait les oscillateurs à quartz les plus précis. Par ailleurs, leur stabilité long terme est excellente avec une dérive de seulement 0,1ppm par an. Ces oscillateurs prennent généralement plus de place que les oscillateurs MEMS ou TCXO bien qu’il existe des versions miniatures. Ils sont également plus chers à produire et consomment plus d’énergie. Ils sont donc à privilégier pour les applications requérant avant tout une excellente stabilité et où le coût est une préoccupation secondaire. Les applications militaires, qui ne peuvent tolérer de dérive trop importante, ont souvent recours à ce type d’oscillateur.

Oscillateurs à Rubidium

Les oscillateurs à Rubidium sont les oscillateurs commerciaux les plus stables. Leur fonctionnement n’est pas basé sur la vibration d’un cristal mais sur la résonance atomique des atomes de rubidium.

Les oscillateurs à rubidium font donc partie de la catégorie des horloges atomiques même s’ils sont moins précis que les horloges au césium. Leur mode de fonctionnement les rend quasiment insensibles aux variations de température, ce qui explique que leur taux de dérive n’est pas exprimé en ppm/°C mais en ppm/jour. Il est d’environ 10^-11 à 10^-12 ppm/jour, ce qui est très loin devant les performances des oscillateurs à quartz et des oscillateurs MEMS. De telles performances s’obtiennent à un coût beaucoup plus élevé et une taille plus importante. Ils sont principalement utilisés dans les satellites et nano-satellites ou dans les applications qui nécessitent une stabilité à toute épreuve et pérenne dans le temps (plusieurs années).

Type d'Oscillateur	Stabilité en fréquence (ppm/°C)	Stabilité à Long Terme
MEMS	1 à 50 ppm/°C	Quelques ppm/ an
TCXO	0,1 à 2 ppm/°C	≈ 1 ppm/ an
OCXO	≤ 0,01 ppm/°C	≈ 0,1 ppm/ an
Rubidium	10-11 à 10-12 / jour	≈ 0,001 ppm/ an

Tableau récapitulatif des caractéristiques de chaque type d’oscillateur

L’arbitrage entre différents oscillateurs se fait assez naturellement en fonction de l’application finale visée et des contraintes de place/stabilité/budget associées. Toutefois, les percées technologiques sont constantes dans ce secteur et il est important de suivre l’apparition des nouveautés. On a, par exemple, vu apparaître récemment des oscillateurs MEMS compensés en température qui atteignent une stabilité que seuls peuvent battre les oscillateurs à quartz de très grande qualité.