Чому переважність механічних осциляторів в електронних схемах?

Джерела тактових годин в сучасній електроніці, здається, незмінно надходять із кварцових та MEMS-осциляторів, обидва з яких генерують вібрації механічно. Амплітуда і частота вібрації - це порядки величин, відмінні від механічних коливань, що колись бувають у моїх інструментах. Тим не менш, мені дивно, що ми не отримуємо джерела годин в електромагнітній області безпосередньо, скажімо, використовуючи ємнісні або індуктивні елементи.

Я знаю, що індуктори особливо важко виготовити без паразитарних втрат. Але я б очікував, що механічні генератори також будуть неідеальними.

Ви можете використовувати затримку поширення електроенергії, але тоді важко буде зробити невеликий осцилятор, який працює на повільних частотах.

Чи справді це так, що ми можемо зробити мікроскопічні вібраційні пристрої більш ідеальними, ніж ми можемо робити електричні коливальні компоненти?

oscillator physics mems

— Гас
джерело

Лише зауваження - кварцові кристали були новим, кращим регулюванням частоти радіостанцій ще у 1920-х роках. У мене є радіоаматорські журнали з 1928 року, де вони вже є усталеною технологією (хоч і значно більшою, ніж сьогоднішня). Деякий час вони були найкращим стандартом регулювання частоти, який мали наздогнати атомні годинники (я думаю) у 40-х чи 1950-х роках. Тож практична відповідь на ваше запитання полягає в тому, що вони працюють краще і дешевше, і ніхто не зміг зробити краще, не будучи цілком куди дорожчим.

— TimWescott

Дякую за цю замітку. Практичність вбік, чи вражає вас це як дивно? Якщо хтось сказав мені, що посилання на напругу в ланцюзі відбувається від генератора, підключеного до еталонної швидкості. (а ще краще, з амплітуди струму чи напруги, що генерується кварцовим кристалом), я думаю, що це трохи смішно. Я знав, що кристалічні осцилятори деякий час були механічними, але сьогодні мені це здалося дивним, що це насправді добре на практиці. Електричний домен, здається, виграє в обробці сигналів, передачі енергії, зв'язку тощо.

— Гас

Якби я залишився дивовижним усьому, що не має негайного сенсу, я не зміг би вранці встати з ліжка, здивований тим, що сонце встає і гравітація все ще працює. Я гадаю, це щось дивно, але потрібно дуже глибоке вивчення, щоб знайти справді хороше "чому". Я схильний бути недовірливим ні до чого глібу; Я не впевнений, що дійсно є хороше, 100% правдиве і коротке пояснення цьому.

— TimWescott

Кварц просто дивовижний . Це п'єзоелектричний ефект дуже великий (зв'язок між його механічними / електричними властивостями). Притаманний йому коефіцієнт температури дуже малий. Будь-який температурний ефект, що залишився, може бути зменшений обертанням площин кристала. Шліфування / обклеювання можна зробити з великою точністю. Іноді, Всесвіт просто дає такий подарунок.

— glen_geek

Як початківець радіооператор у середині 1950-х, FCC ПОТРІБНУвав мене використовувати кристали кварцу. На щастя, я знайшов джерело дешевих кристалів близько 6,5 МГц і зміг їх повторно подрібнити до приблизно 7,15 МГц.

— richard1941

Відповіді:

Тому що механічні пристрої набагато стійкіші, ніж їх електричні аналоги. Порівняємо кристалічний генератор з LC-генератором:

Кристал:

Має дуже високий Q. За даними вікіпедії , кристалічний осцилятор має типовий Q 10 000-1 000 000.
Стабільний при температурі. Багато кристалів задано при <50 ppm в їх температурному діапазоні, також доступні і з компенсацією температури або з контрольованими кристалами, аж до ~ 1ppm з температурою
Виготовляється з жорсткою толерантністю. Дешеві кристали зазвичай задаються до ~ 25 ppm, але більш жорсткі допуски доступні

LC або RC:

Не доступний як інтегрований пристрій, тому його слід збирати з компонентів на полиці (якщо тільки вони не вбудовані в mcu чи подібні)
Низький Q, важко зробити індуктор з Q вищим на кілька сотень
Температурно чутливий - зробити індуктори стійкими до температури важко
Захист від напруги - порогова напруга та напруга зарядки в ланцюзі зворотного зв’язку зазвичай залежать від напруги.

Однак це не означає, що електричні осцилятори ніколи не використовуються, вони просто не використовуються там, де потрібна велика точність. Однак вони мають деякі переваги перед кристалічними осциляторами:
Їх можна легко інтегрувати в інший ІС. Зараз багато мікроконтролерів оснащені вбудованим осцилятором
Вони (іноді) використовують менше енергії. Мікроконтролер часто включає в себе генератор низької потужності для запуску сторожового таймера, який використовує меншу потужність, ніж високошвидкісний (МГц) кристал, а іноді меншу потужність, ніж низькошвидкісний (32,768 кГц) кристал.
Оскільки вони можуть бути інтегровані в ІС, їх можна використовувати в місцях, де кристал був би занадто великим
Налаштувати їх можна досить легко. Кристал можна реально змістити лише на кілька кГц від його каліброваної частоти, але, регулюючи ємність ланцюга ЖК (як, наприклад, з діода варактора), частоту можна регулювати в досить широкому діапазоні. Це означає, що осцилятори LC можуть використовуватися в ланцюгах, таких як PLL або VCO, можливо навіть зафіксованих на кристалічній системі.

Немеханічні осцилятори застосовуються в багатьох пристроях, тільки не в тих, де потрібні точні терміни.

— C_Elegans
джерело

Чутливість генератора до шуму обернено пропорційна Q. Це частина причини, чому RC ланцюг був би гіршим, ніж ланцюг LC - LC ланцюг може мати Q 100 або більше, а RC ланцюга має Q менше ніж один, завжди.

— TimWescott

Високий Q також стосується стійкості системи. Високий осцилятор Q має менший фазовий шум, ніж низький рівень Q, що важливо для радіосхем і чутливих до часу речей (наприклад, керування годинником АЦП або ЦАП)

— C_Elegans

"Я думаю, що я припускав, що ми можемо побудувати за аналогічну вартість більш точну опору напруги, ніж ми могли б механічний генератор". Тільки якщо у вас під рукою є атомний годинник. І трохи рідкого азоту. Дивіться це посилання .

— TimWescott

"Я думав, що для будь-якого значення демпфування та будь-якого значення маси можна вибрати пружину" ... Так, але збільшення швидкості пружини збільшує Q, якщо не збільшити амортизацію до відповідності.

— TimWescott

10^{- 10}

$10^{-10}$

Не справді, чи можна індуктори та конденсатори зробити точніше, ніж механічний генератор. Справа в тому, чи можуть ці компоненти стабільно працювати в діапазоні напруги / температури. Якщо ви не хочете спроектувати всі ваші схеми, щоб вони мали опорний напруга, термометр та контур опалення, щоб підтримувати постійну напругу / температуру, ви не можете отримати індуктори та конденсатори для роботи в будь-якому місці майже так само стабільно, як і кристал. .

Щоб налаштувати кристал на потрібну частоту під час виготовлення, я припускаю, що вони могли просто відшліфувати його, поки він не стане потрібного розміру. Ви також можете виготовляти ковпачки та індуктори настільки точні, як вам потрібно. Проблема в тому, що вона просто не залишиться там.

— хорта
джерело

Чи важливо, щоб джерело тактової частоти було стабільним у діапазоні напруги? Я подумав, що сучасна електроніка, як і ваш мобільний телефон, має точну опорну напругу (через розрив смуги). Стабільність над температурою має більше сенсу. Є кришталеві генератори з керованою духовкою, тому вони також повинні бути чутливими до температури, але в меншій мірі?

— Гас

@ Діапазон напруги в Gus не буде настільки важливим, як температура. Для дійсно точних матеріалів має сенс керувати кристалом.

— хорта

GSM мобільні телефони оброблені за частотою, тому пакети не пливуть в часі; це гарантує, що між пакетами завжди є передбачуваний час виходу з ладу і проходження, і ніколи не пропущені або суперечать одночасні пакети.

— analogsystemsrf