Perché la prevalenza degli oscillatori meccanici nei circuiti elettronici?

Le fonti di clock della moderna elettronica sembrano provenire invariabilmente da oscillatori al quarzo e MEMS, entrambi i quali generano vibrazioni meccanicamente. L'ampiezza e la frequenza della vibrazione sono ordini di grandezza diversi dalle vibrazioni meccaniche di tutti i giorni che osservo negli strumenti musicali. Tuttavia, è sorprendente per me che non otteniamo direttamente sorgenti di clock nel dominio elettromagnetico, diciamo usando elementi capacitivi o induttivi.

So che gli induttori in particolare sono difficili da fabbricare senza perdite parassitarie. Ma mi aspetto che anche gli oscillatori meccanici non siano ideali.

È possibile utilizzare il ritardo di propagazione dell'elettricità, ma sarebbe difficile creare un piccolo oscillatore che funzioni a frequenze lente.

È davvero vero che possiamo realizzare dispositivi a vibrazione microscopica più idealmente di quanto possiamo realizzare componenti oscillanti elettrici?

oscillator physics mems

— Gus
fonte

Solo una nota: i cristalli di quarzo erano il nuovo, miglior controllo della frequenza per le radio negli anni '20. Ho riviste radiofoniche amatoriali del 1928 in cui sono già una tecnologia consolidata (anche se molto più grande di quella odierna). Per un po 'furono i migliori standard di controllo di frequenza da avere, essendo sorpassati dagli orologi atomici solo negli anni '40 o '50. Quindi la risposta pratica alla tua domanda è perché funzionano meglio e meno, e nessuno è stato in grado di fare meglio senza essere molto più costoso.

— TimWescott,

Grazie per quella nota. Praticità a parte, ti sembra sorprendente? Se qualcuno mi dicesse che il riferimento di tensione in un circuito proviene da un generatore collegato a un riferimento a velocità costante. (o meglio, dall'ampiezza della corrente o della tensione generata dal cristallo di quarzo), penso che sia un po 'divertente. Ho saputo che gli oscillatori a cristallo erano meccanici per un po ', ma oggi mi è sembrato strano che in realtà fosse buono in pratica. Il dominio elettrico sembra vincere per l'elaborazione del segnale, il trasferimento di energia, la comunicazione e così via.

— Gus,

Se dovessi rimanere così sorpreso da tutto ciò che non ha senso immediato, non sarei in grado di alzarmi dal letto la mattina con il mio stupore per il fatto che il sole è alto e la gravità funziona ancora. Suppongo che sia un po 'sorprendente, ma richiederebbe uno studio molto approfondito per trovare un "perché" davvero buono. Tendo ad essere diffidente nei confronti di qualsiasi cosa cattiva; Non sono sicuro che ci sia davvero una buona, vera al 100% e una breve spiegazione per questo.

— TimWescott,

Il quarzo è semplicemente fantastico . Il suo effetto piezoelettrico è molto ampio (il legame tra le sue proprietà meccaniche / elettriche). Il suo coefficiente di temperatura intrinseco è molto piccolo. Eventuali effetti di temperatura residua possono essere ridotti ruotando i piani di cristallo. La macinazione / lappatura può essere eseguita con grande precisione. A volte, l'universo ti dà solo un tale dono.

— glen_geek,

Come radioamatore alle prime armi a metà degli anni '50, la FCC mi ha richiesto di usare cristalli di quarzo. Fortunatamente, ho trovato una fonte di cristalli economici intorno ai 6,5 MHz e sono stato in grado di reindirizzarli a circa 7,15 MHz.

— richard1941,

Risposte:

Perché i dispositivi meccanici sono molto più stabili delle loro controparti elettriche. Confrontiamo un oscillatore a cristallo con un oscillatore LC:

Cristallo:

Ha una Q molto alta. Secondo Wikipedia , un oscillatore a cristallo ha una Q tipica di 10.000-1.000.000.
Stabile con la temperatura. Molti cristalli sono specificati a <50 ppm nell'intervallo di temperatura e sono anche disponibili cristalli compensati o controllati dalla temperatura, fino a ~ 1 ppm con temperatura
Prodotto con una tolleranza stretta. I cristalli economici sono generalmente specificati a ~ 25 ppm, ma sono disponibili tolleranze più strette

LC o RC:

Non disponibile come dispositivo integrato, quindi deve essere assemblato da componenti standard (a meno che non sia integrato in un MCU o simile)
Basso Q, è difficile realizzare un induttore con un Q superiore a qualche centinaio
Sensibile alla temperatura: rendere difficili gli induttori termici stabili
Tensione sensibile: la tensione di soglia e la tensione di carica nel circuito di retroazione dipendono solitamente dalla tensione.

Tuttavia, ciò non significa che gli oscillatori elettrici non vengano mai utilizzati, solo che non vengono utilizzati dove è necessaria una grande precisione. Tuttavia presentano alcuni vantaggi rispetto agli oscillatori a cristallo:
Possono essere facilmente integrati in un altro IC. Molti microcontrollori ora dispongono di un oscillatore integrato
(A volte) usano meno energia. Spesso un microcontrollore include un oscillatore a bassa potenza per far funzionare il timer del watchdog, che utilizza meno energia di un cristallo ad alta velocità (MHz) e talvolta meno energia di un cristallo a bassa velocità (32.768kHz).
Poiché possono essere integrati in un circuito integrato, possono essere utilizzati in luoghi in cui un cristallo sarebbe troppo grande
Possono essere sintonizzati abbastanza facilmente. Un cristallo può davvero essere spostato solo di qualche kHz dalla sua frequenza calibrata, ma regolando la capacità del circuito LC (come con un diodo varactor), la frequenza può essere regolata su un intervallo abbastanza ampio. Ciò significa che gli oscillatori LC possono essere utilizzati in circuiti come PLL o VCO, possibilmente anche bloccati su un riferimento di cristallo.

Gli oscillatori non meccanici sono utilizzati in molti dispositivi, ma non in quelli in cui è richiesta una tempistica precisa.

— C_Elegans
fonte

La sensibilità di un oscillatore al rumore è inversamente proporzionale a Q. Questo è uno dei motivi per cui un circuito RC sarebbe peggio di un circuito LC - un circuito LC potrebbe avere un Q di 100 o più, un circuito RC ha un Q in meno di uno, sempre.

— TimWescott,

L'alto Q si riferisce anche alla stabilità del sistema. Un oscillatore Q alto ha meno rumore di fase rispetto a un Q basso, che è importante per i circuiti radio e le cose sensibili al timing (come il controllo di un orologio ADC o DAC)

— C_Elegans

"Penso di aver ipotizzato che potessimo costruire, per un costo simile, un riferimento di tensione più accurato rispetto a un oscillatore meccanico". Solo se hai un orologio atomico a portata di mano. E dell'azoto liquido. Vedere questo link .

— TimWescott,

"Avevo pensato che per qualsiasi valore dello smorzamento e qualsiasi valore della massa, puoi scegliere una molla" ... Sì, ma aumentando la velocità della molla aumenta la Q, a meno che tu non aumenti lo smorzamento per adattarlo.

— TimWescott,

10^{- 10}

$10^{-10}$

Non è davvero possibile stabilire se induttori e condensatori siano più precisi di un oscillatore meccanico. È se tali componenti possono funzionare in modo stabile su intervalli di tensione / temperatura. A meno che non si desideri progettare tutti i circuiti in modo da avere un riferimento di tensione gap di banda, un termometro e un circuito di riscaldamento per mantenere costante la tensione / temperatura, non è possibile far funzionare induttori e condensatori ovunque stabili quasi quanto un cristallo .

Per sintonizzare un cristallo sulla frequenza corretta durante la produzione, suppongo che potrebbero semplicemente lucidarlo fino a quando non ha le dimensioni giuste. Puoi anche produrre cappucci e induttori con la precisione di cui hai bisogno. Il problema è che non resterà lì.

— Horta
fonte

È importante che la sorgente di clock sia stabile su intervalli di tensione? Avevo immaginato che l'elettronica moderna, come il tuo cellulare, abbia un preciso riferimento di tensione (a causa di un gap di banda). La stabilità rispetto alla temperatura ha più senso. Esistono oscillatori a cristallo controllati dal forno, quindi devono essere sensibili anche alla temperatura, ma in misura minore?

— Gus,

L'intervallo di tensione di @Gus non sarà importante quanto la temperatura. Per cose davvero accurate, ha senso controllare a temperatura un cristallo.

— horta,

I cellulari GSM sono tagliati in frequenza, quindi i pacchetti non vanno alla deriva nel tempo; questo assicura che ci sia sempre il tempo di accelerazione e decelerazione previsto tra i pacchetti e che non vi siano mai pacchetti simultanei mancanti o in conflitto.

— analogsystemsrf,