Résumé
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Pour
fonctionner, un microcontrôleur nécessite une base de
temps précise,
aussurée par un oscillateur. Dans un même
microcontrôleur, les oscillateurs
internes, entièrement intégrés dans la puce (tels
que les oscillateurs RC ou en
anneaux) cohabitent avec les oscillateurs externes, utilisant un
circuit
résonant à base de quartz placé en dehors de la
puce. Ces derniers peuvent être
basse fréquence (Low Speed External – LSE), fonctionner à
32.768 kHz et être
utilisés pour les fonctions temps réel, ou haute
fréquence (High Speed External
– HSE) de l’ordre de la dizaine de MHz permettant de cadencer les
opérations. Cette
thèse se concentre sur les oscillateurs basse fréquence
externes (LSE), dont le
fonctionnement repose actuellement sur la sélection d’un mode
parmi quatre. Cette
étape de configuration, contraignante et complexe pour
l’utilisateur, entraîne
fréquemment des dysfonctionnements. Ce travail de recherche vise
donc à
développer une solution permettant de s’affranchir de cette
sélection de mode
et de toute autre phase de configuration par l’utilisateur, tout en
garantissant un démarrage fiable de l’oscillateur,
indépendamment du quartz
employé et de son intégration dans un système
électronique plus large. Cette
solution prendra la forme d’une électronique
intégrée dans le cadre très
restreint des microcontrôleurs (MCUs) génériques et
bas coûts. En outre, la
consommation électrique, critique pour ces oscillateurs ne
pouvant être mis en
veille, est également au cœur des préoccupations afin
d’optimiser la durée de
vie du microcontrôleur.
S’appuyant
sur le formalisme de Vittoz, revisité et
étendu dans cette étude, un circuit intégré
a été conçu et réalisé en
technologie FDSOI 18 nm. Initialement conçu pour supporter une
large gamme de
quartz, avec des résistances équivalentes série
(ESR) allant de 20 kΩ à 80 kΩ
et des capacités de charge de 6 pF à 12.5pF, cet
oscillateur se révèle plus
polyvalent et de nouvelles spécifications concernant la valeur
maximale de
capacité parasite acceptable ont été
définies. La robustesse du circuit a été
validée face aux variations de tension (1.6 V à 3.6 V),
de température (-40
°C à 130 °C) et des
procédés de
fabrication (PVT). Les mesures expérimentales montrent une
consommation très
faible, de l’ordre de 200 nA en conditions typiques. Enfin, la
très bonne
corrélation entre les résultats de simulation et de
mesure concernant
l’impédance de l’oscillateur durant sa phase de démarrage
confirme la validité
et la robustesse de la solution proposée pour tout type de quartz.
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