¿Por qué la prevención de osciladores mecánicos en circuitos electrónicos?

Las fuentes de reloj en la electrónica moderna parecen provenir invariablemente de los osciladores de cuarzo y MEMS, los cuales generan vibraciones mecánicamente. La amplitud y la frecuencia de la vibración son órdenes de magnitudes diferentes de las vibraciones mecánicas cotidianas que observo en, digamos, instrumentos musicales. Sin embargo, me sorprende que no obtengamos fuentes de reloj en el dominio electromagnético directamente, digamos usando elementos capacitivos o inductivos.

Sé que los inductores son especialmente difíciles de fabricar sin pérdidas parasitarias. Pero también esperaría que los osciladores mecánicos no sean ideales.

Podría usar el retraso de propagación de la electricidad, pero sería difícil hacer un pequeño oscilador que funcione a frecuencias lentas.

¿Es realmente cierto que podemos fabricar dispositivos vibratorios microscópicos de manera más ideal que los componentes oscilantes eléctricos?

oscillator physics mems

— Gus
fuente

Solo una nota: los cristales de cuarzo fueron el nuevo y mejor control de frecuencia para las radios en la década de 1920. Tengo revistas de radio amateur de 1928 donde ya son una tecnología establecida (aunque mucho más grande que la actual). Durante un tiempo, fueron el mejor estándar de control de frecuencia que se tenía, solo superados por los relojes atómicos en (creo) los años 1940 o 1950. Entonces, la respuesta práctica a su pregunta es porque funcionan mejor y más baratos, y nadie ha podido hacerlo mejor sin ser mucho más costoso.

— TimWescott

Gracias por esa nota Dejando de lado la practicidad, ¿te parece sorprendente? Si alguien me dijo que la referencia de voltaje en un circuito proviene de un generador conectado a una referencia de velocidad constante. (o mejor aún, por la amplitud de la corriente o el voltaje generado por el cristal de cuarzo), creo que es un poco divertido. Sabía que los osciladores de cristal eran mecánicos por un tiempo, pero hoy me pareció extraño que en realidad sea bueno en la práctica. El dominio eléctrico parece ganar para el procesamiento de señales, la transferencia de energía, la comunicación, etc.

— Gus

Si me mantuviera tan sorprendido por todo lo que no tiene sentido inmediato, no podría levantarme de la cama por la mañana, asombrado de que el sol salga y la gravedad aún funcione. Supongo que es algo sorprendente, pero requeriría un estudio muy profundo para encontrar un "por qué" realmente bueno. Tiendo a desconfiar de cualquier cosa simplista; No estoy seguro de que realmente haya una buena, 100% verdadera, y una breve explicación para esto.

— TimWescott

El cuarzo es simplemente asombroso . Su efecto piezoeléctrico es muy grande (el vínculo entre sus propiedades mecánicas / eléctricas). Su coeficiente de temperatura inherente es muy pequeño. Cualquier efecto de temperatura restante puede reducirse girando planos de cristal. La molienda / lapeado se puede hacer con gran precisión. A veces, el universo simplemente te da tal regalo.

— glen_geek

Como operador novato de radioaficionado a mediados de la década de 1950, la FCC me exigió usar cristales de cuarzo. Afortunadamente, encontré una fuente de cristales baratos alrededor de 6.5 MHz, y pude volver a molerlos a alrededor de 7.15 MHz.

— richard1941

Respuestas:

Porque los dispositivos mecánicos son mucho más estables que sus contrapartes eléctricas. Comparemos un oscilador de cristal con un oscilador LC:

Cristal:

Tiene una Q muy alta. Según Wikipedia , un oscilador de cristal tiene una Q típica de 10,000-1,000,000.
Estable con la temperatura. Muchos cristales se especifican a <50 ppm sobre su rango de temperatura, y también están disponibles cristales compensados o controlados por temperatura, hasta ~ 1 ppm con temperatura
Fabricado con una estricta tolerancia. Los cristales baratos generalmente se especifican a ~ 25 ppm, pero hay tolerancias más estrictas disponibles

LC o RC:

No está disponible como dispositivo integrado, por lo que debe ensamblarse a partir de componentes estándar (a menos que esté integrado en un mcu o similar)
Q baja, es difícil hacer un inductor con una Q superior a unos pocos cientos
Sensible a la temperatura: hacer inductores estables a la temperatura es difícil
Sensible al voltaje: el voltaje umbral y el voltaje de carga en el circuito de retroalimentación generalmente dependen del voltaje.

Sin embargo, eso no significa que los osciladores eléctricos nunca se usen, solo que no se usan donde se necesita una gran precisión. Sin embargo, tienen algunas ventajas sobre los osciladores de cristal:
Se pueden integrar fácilmente en otro IC. Muchos microcontroladores ahora vienen con un oscilador integrado.
Ellos (a veces) usan menos energía. Muchas veces un microcontrolador incluirá un oscilador de baja potencia para ejecutar el temporizador de vigilancia, que utiliza menos energía que un cristal de alta velocidad (MHz) y, a veces, menos potencia que un cristal de baja velocidad (32.768kHz).
Como pueden integrarse en un CI, pueden usarse en lugares donde un cristal sería demasiado grande
Se pueden sintonizar con bastante facilidad. Un cristal solo se puede desplazar unos pocos kHz de su frecuencia calibrada, pero al ajustar la capacitancia del circuito LC (como con un diodo varactor), la frecuencia se puede ajustar en un rango bastante amplio. Esto significa que los osciladores LC se pueden usar en circuitos como PLL o VCO, posiblemente incluso bloqueados a una referencia de cristal.

Los osciladores no mecánicos se utilizan en muchos dispositivos, pero no en aquellos en los que se requiere una sincronización precisa.

— C_Elegans
fuente

La sensibilidad de un oscilador al ruido es inversamente proporcional a Q. Esa es parte de la razón por la cual un circuito RC sería peor que un circuito LC: un circuito LC puede tener una Q de 100 o más, un circuito RC tiene una Q menos de uno, siempre.

— TimWescott

High Q también se relaciona con la estabilidad del sistema. Un oscilador Q alto tiene menos ruido de fase que uno Q bajo, lo cual es importante para circuitos de radio y cosas sensibles al tiempo (como controlar un reloj ADC o DAC)

— C_Elegans

"Creo que asumí que podemos construir, por un costo similar, una referencia de voltaje más precisa que un oscilador mecánico". Solo si tienes un reloj atómico a mano. Y algo de nitrógeno líquido. Ver este enlace .

— TimWescott

"Pensé que para cualquier valor de la amortiguación y cualquier valor de la masa, puede elegir un resorte" ... Sí, pero al aumentar la velocidad del resorte aumenta la Q, a menos que aumente la amortiguación para que coincida.

— TimWescott

10^{- 10}

$10^{-10}$

No se trata realmente de si los inductores y condensadores se pueden hacer con mayor precisión que un oscilador mecánico. Es si esos componentes pueden operar de manera estable sobre los rangos de voltaje / temperatura. A menos que desee diseñar todos sus circuitos para que tengan una referencia de voltaje de banda prohibida, un termómetro y un circuito de calefacción para mantener constante el voltaje / temperatura, no puede hacer que los inductores y condensadores operen en un lugar tan estable como lo hace un cristal .

Para ajustar un cristal a la frecuencia correcta durante la fabricación, supongo que podrían pulirlo hasta que tenga el tamaño correcto. También puede fabricar tapas e inductores tan precisos como lo necesite. El problema es que simplemente no se quedará allí.

— Horta
fuente

¿Es importante que la fuente del reloj sea estable en rangos de voltaje? Pensé que la electrónica moderna, como su teléfono celular, tiene una referencia de voltaje precisa (debido a un intervalo de banda). La estabilidad frente a la temperatura tiene más sentido. Hay osciladores de cristal controlados por el horno, por lo que también deben ser sensibles a la temperatura, ¿pero en menor grado?

— Gus

El rango de voltaje de @Gus no será tan importante como la temperatura. Para cosas realmente precisas, tiene sentido controlar la temperatura de un cristal.

— horta

Los teléfonos celulares GSM están recortados en frecuencia, por lo que los paquetes no se desvían en el tiempo; Esto asegura que siempre haya el tiempo de aceleración y deceleración previsto entre los paquetes y que nunca falten paquetes simultáneos que falten o entren en conflicto.

— analogsystemsrf