Por que a predominância de osciladores mecânicos em circuitos eletrônicos?

As fontes de relógio na eletrônica moderna parecem vir invariavelmente dos osciladores de quartzo e MEMS, os quais geram vibrações mecanicamente. A amplitude e a frequência da vibração são ordens de magnitudes diferentes das vibrações mecânicas cotidianas que observo em, digamos, instrumentos musicais. No entanto, é surpreendente para mim que não obtemos fontes de relógio diretamente no domínio eletromagnético, digamos, usando elementos capacitivos ou indutivos.

Eu sei que especialmente os indutores são difíceis de fabricar sem perdas parasitárias. Mas eu esperaria que os osciladores mecânicos também não fossem ideais.

Você pode usar o atraso de propagação da eletricidade, mas seria difícil criar um pequeno oscilador que funcione em frequências lentas.

É realmente verdade que podemos criar dispositivos vibratórios microscópicos de maneira mais ideal do que fabricar componentes elétricos oscilantes?

oscillator physics mems

— Gus
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Apenas uma observação - os cristais de quartzo eram o novo e melhor controle de frequência para rádios na década de 1920. Tenho revistas de rádio amador de 1928, onde elas já são uma tecnologia estabelecida (embora muito maior que a atual). Por um tempo, eles eram o melhor padrão de controle de frequência a ser obtido, sendo ultrapassados apenas por relógios atômicos (acho) nos anos 1940 ou 1950. Portanto, a resposta prática à sua pergunta é porque elas funcionam melhor e mais baratas, e ninguém conseguiu fazer melhor sem ser muito mais caro.

— TimWescott

Obrigado por essa nota. Praticidade à parte, parece surpreendente? Se alguém me dissesse que a referência de tensão em um circuito vem de um gerador conectado a uma referência de velocidade constante. (ou melhor ainda, pela amplitude da corrente ou tensão gerada pelo cristal de quartzo), eu acho isso um pouco engraçado. Eu sabia que os osciladores de cristal eram mecânicos por um tempo, mas hoje me pareceu estranho que seja realmente bom na prática. O domínio elétrico parece vencer no processamento de sinais, transferência de energia, comunicação e assim por diante.

— Gus

Se eu continuasse tão surpreso com tudo o que não faz sentido imediato, não seria capaz de sair da cama de manhã com meu espanto de que o sol esteja nascendo e a gravidade ainda funcione. Suponho que seja meio surpreendente, mas seria necessário um estudo muito profundo para encontrar um "porquê" realmente bom. Costumo desconfiar de qualquer coisa superficial; Não tenho certeza de que realmente exista uma explicação boa, 100% verdadeira e curta para isso.

— TimWescott

O quartzo é simplesmente incrível . Seu efeito piezoelétrico é muito grande (a ligação entre suas propriedades mecânicas / elétricas). Seu coeficiente de temperatura inerente é muito pequeno. Qualquer efeito de temperatura restante pode ser reduzido girando os planos de cristal. A retificação / lapidação pode ser feita com grande precisão. Às vezes, o universo apenas lhe dá um presente.

— glen_geek

Como operador iniciante de rádio amador em meados dos anos 50, a FCC exigia que eu usasse cristais de quartzo. Felizmente, encontrei uma fonte de cristais baratos em torno de 6,5 MHz e consegui refizê-los em torno de 7,15 MHz.

— richard1941

Respostas:

Porque os dispositivos mecânicos são muito mais estáveis que seus equivalentes elétricos. Vamos comparar um oscilador de cristal com um oscilador LC:

Cristal:

Tem um Q muito alto. De acordo com a wikipedia , um oscilador de cristal tem um Q típico de 10.000 a 1.000.000.
Estável com a temperatura. Muitos cristais são especificados em <50ppm em sua faixa de temperatura, e cristais compensados ou controlados por temperatura também estão disponíveis, até ~ 1ppm com a temperatura
Fabricado com uma tolerância apertada. Cristais baratos geralmente são especificados para ~ 25ppm, mas tolerâncias mais rígidas estão disponíveis

LC ou RC:

Não disponível como dispositivo integrado, portanto, deve ser montado a partir dos componentes prontos para uso (a menos que esteja integrado a um mcu ou similar)
Q baixo, é difícil criar um indutor com um Q superior a algumas centenas
Sensível à temperatura - é difícil tornar indutores estáveis à temperatura
Sensível à tensão - a tensão limite e a tensão de carga no circuito de feedback geralmente dependem da tensão.

No entanto, isso não significa que os osciladores elétricos nunca sejam usados, apenas que não são usados onde é necessária grande precisão. No entanto, eles têm algumas vantagens sobre os osciladores de cristal:
Eles podem ser facilmente integrados a outro IC. Muitos microcontroladores agora vêm com um oscilador integrado
Eles (às vezes) usam menos energia. Muitas vezes, um microcontrolador inclui um oscilador de baixa potência para executar o timer do watchdog, que usa menos energia que um cristal de alta velocidade (MHz) e às vezes menos energia que um cristal de baixa velocidade (32.768kHz).
Como eles podem ser integrados a um IC, eles podem ser usados em locais onde um cristal seria muito grande
Eles podem ser ajustados com bastante facilidade. Um cristal pode realmente ser deslocado apenas alguns kHz de sua frequência calibrada, mas ajustando a capacitância do circuito LC (como em um diodo varactor), a frequência pode ser ajustada em uma faixa bastante ampla. Isso significa que os osciladores LC podem ser usados em circuitos como PLLs ou VCOs, possivelmente até bloqueados em uma referência de cristal.

Osciladores não mecânicos são usados em muitos dispositivos, mas não naqueles em que é necessário um tempo preciso.

— C_Elegans
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A sensibilidade de um oscilador ao ruído é inversamente proporcional a Q. Essa é parte da razão pela qual um circuito RC seria pior que um circuito LC - um circuito LC pode ter um Q de 100 ou mais, um circuito RC tem um Q menos de um, sempre.

— TimWescott

Q alto também se refere à estabilidade do sistema. Um oscilador de alta Q tem menos ruído de fase do que um baixo Q, que é importante para os circuitos de rádio e outras coisas sensíveis timing (como controlar um relógio ADC ou DAC)

— C_Elegans

"Acho que assumi que podemos construir, por um custo semelhante, uma referência de tensão mais precisa do que um oscilador mecânico". Somente se você tiver um relógio atômico à mão. E um pouco de nitrogênio líquido. Veja este link .

— TimWescott

"Eu pensava que, para qualquer valor do amortecimento e qualquer valor da massa, você pode escolher uma mola" ... Sim, mas aumentar a taxa de mola aumenta o Q, a menos que você aumente o amortecimento.

— TimWescott

10^{- 10}

$10^{-10}$

Não é realmente se indutores e capacitores podem ser fabricados com mais precisão do que um oscilador mecânico. É se esses componentes podem operar de maneira estável em faixas de tensão / temperatura. A menos que você deseje projetar todos os seus circuitos para ter uma referência de tensão de faixa de banda, um termômetro e um circuito de aquecimento para manter a tensão / temperatura constante, você não pode fazer com que indutores e capacitores operem em um local quase tão estável quanto um cristal .

Para sintonizar um cristal na frequência correta durante a fabricação, suponho que eles possam polir até que ele esteja no tamanho certo. Você também pode fabricar tampas e indutores com a precisão necessária. O problema é que simplesmente não fica lá.

— horta
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É importante que a fonte do relógio seja estável acima das faixas de tensão? Eu tinha imaginado que a eletrônica moderna, como o seu telefone celular, tem uma referência de tensão precisa (devido a uma diferença de banda). A estabilidade sobre a temperatura faz mais sentido. Existem osciladores de cristal controlados por forno, portanto eles devem ser sensíveis à temperatura também, mas em menor grau?

— Gus

A faixa de tensão do @Gus não será tão importante quanto a temperatura. Para coisas realmente precisas, faz sentido controlar temporariamente um cristal.

— precisa

Os celulares GSM são reduzidos em frequência, para que os pacotes não mudem no tempo; isso garante que sempre haja o tempo previsto de aceleração e desaceleração entre pacotes e que nunca haja pacotes simultâneos ausentes ou conflitantes.

— Analogsystemsrf 28/11