Study of the self-adaptation principles of a quartz oscillator ensuring reliable startup independently of external components

Pour fonctionner, un microcontrôleur nécessite une base de temps précise, assurée par un oscillateur. Dans un même microcontrôleur les oscillateurs internes, entièrement intégrés dans la puce (tel que les oscillateurs RC ou à anneaux) cohabitent avec les oscillateurs externes, utilisant un circuité 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.