Etude et réalisation de sources stables microondes à base de résonateur BAW pour micro-horloge atomique au Césium

Design, realization and test of the frequency synthesis based on BAW resonator for the application of Cs Vapor Microcell Atomic Clock

• Auteur / Autrice : Mingdong Li
• Direction : Paul-Alain Rolland, Nathalie Haese-Rolland
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
• Date : Soutenance le 07/04/2011
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés bipolaires

Systèmes microélectromécaniques

Horloges atomiques

Bruit électronique

Stabilité de fréquence

Oscillateurs à microondes

Mots clés libres

Résonateurs à ondes acoustiques de volume

Résumé

L'objectif de cette thèse a consisté à étudier différentes topologies d’oscillateur à faible bruit de phase et de synthèses de fréquence à 4.6 GHz pour une application de la micro-horloge atomique au Césium. Nous avons étudié 7 topologies d'oscillateur à 2,1 GHz (à base du résonateur BAW utilisant la filière technologie 0.25μm SiGe:C BiCMOS de chez STMicroelectronics) à faible bruit de phase présentant des performances à l’état de l’art pour certaines topologies. Une comparaison expérimentale de ces différentes topologies a confirmé les résultats théoriques. En particulier, les résultats expérimentaux ont montré que la topologie différentielle possède de meilleures performances en bruit de phase et qu'elle est moins sensible aux bruits provenant des alimentations comparées aux topologies single-ended. Enfin, une topologie Double-Colpitts-Différentiel a été proposée. Elle a permis d'obtenir théoriquement des performances en bruit de phase, en encombrement au delà de l'état de l'art. Différentes architectures des synthèses de fréquence à 4,6 GHz ont été étudiées. Nous avons réalisé une synthèse de fréquence utilisant un circuit DDS piloté par un FPGA. Pour obtenir de bonnes performances au niveau de la pureté du spectre, différents circuits commerciaux constituant cette synthèse de fréquence ont été caractérisés finement. Finalement, l’architecture proposée a été utilisée au sein d'un dispositif complet de micro-horloge de césium. Nous avons obtenu un signal verrouillé présentant une stabilité de 2.5 10 – 9 à 1seconde.

The objective of this thesis is to study different topologies of low phase noise oscillator as well as a frequency synthesizer at 4.6 GHz for the application of Cs vapor microcell atomic clock. We have studied 7 topologies of low-phase-noise oscillators combined with BAW resonator and 0.25μm SiGe:C BiCMOS Technology from ST Microroelectronics at 2.1 GHz, which present the stat of the art performances. An experimental comparison of these different topologies confirmed the theoretical results. In particular, experimental results showed that the differential topology has better performance in phase noise and is less sensitive to the noise from power supply compared to the single-ended topologies. Finally, a Double-differential-Colpitts topology was proposed, because it was theoretically possible to obtain performance beyond the state of the art in phase noise and in size. Different architectures of frequency synthesizer at 4.6 GHz were studied. We have realized a frequency synthesizer in which a DDS controlled by a FPGA was used. To get good performance in terms of purity of the spectrum, different commercial circuits constituting the frequency synthesis were finely characterized. Finally, the proposed architecture has been used within a completed Cs vapor microcell atomic clock. We got a signal locked with a stability of 2.5 10 – 9 at 1second.