Mengapa kemunculan osilator mekanik di sirkuit elektronik?

Sumber jam dalam elektronik modern tampaknya selalu berasal dari kuarsa dan osilator MEMS, yang keduanya menghasilkan getaran secara mekanis. Amplitudo dan frekuensi getaran adalah urutan besarnya berbeda dari getaran mekanis biasa yang saya amati dalam, katakanlah, alat musik. Namun demikian, mengejutkan bagi saya bahwa kita tidak mendapatkan sumber jam di domain elektromagnetik secara langsung, katakanlah menggunakan elemen kapasitif atau induktif.

Saya tahu bahwa induktor sangat sulit dibuat tanpa kehilangan parasit. Tapi saya berharap osilator mekanik juga tidak ideal.

Anda dapat menggunakan penundaan propagasi listrik, tetapi kemudian akan sulit untuk membuat osilator kecil yang beroperasi pada frekuensi lambat.

Benarkah kita dapat membuat perangkat bergetar mikroskopis lebih ideal daripada membuat komponen berosilasi listrik?

oscillator physics mems

— Gus
sumber

Hanya sebuah catatan - Kristal kuarsa adalah yang baru, kontrol frekuensi yang lebih baik untuk radio di tahun 1920-an. Saya memiliki majalah radio amatir dari tahun 1928 di mana mereka sudah menjadi teknologi mapan (meskipun jauh lebih besar dari hari ini). Untuk sementara mereka adalah standar kontrol frekuensi terbaik yang bisa didapat, hanya dikalahkan oleh jam atom pada (saya pikir) tahun 1940-an atau 1950-an. Jadi jawaban praktis untuk pertanyaan Anda adalah karena mereka bekerja lebih baik dan lebih murah, dan tidak ada yang bisa melakukan lebih baik tanpa menjadi jauh lebih mahal.

— TimWescott

Terima kasih atas catatan itu. Selain kepraktisan, apakah itu mengejutkan Anda? Jika seseorang mengatakan kepada saya bahwa referensi tegangan dalam rangkaian berasal dari generator yang terhubung ke referensi kecepatan konstan. (atau bahkan lebih baik, dari amplitudo arus atau tegangan yang dihasilkan oleh kristal kuarsa), saya akan berpikir itu sedikit lucu. Saya sudah tahu bahwa osilator kristal bersifat mekanis untuk sementara waktu, tetapi hari ini saya merasa aneh bahwa itu sebenarnya baik dalam praktiknya. Domain listrik tampaknya menang untuk pemrosesan sinyal, transfer energi, komunikasi, dan sebagainya.

— Gus

Jika saya tetap terkejut dengan segala sesuatu yang tidak masuk akal dengan segera, saya tidak akan bisa bangun dari tempat tidur di pagi hari dalam keheranan saya bahwa matahari sudah terbit dan gravitasi masih bekerja. Saya kira itu agak mengejutkan, tetapi akan membutuhkan studi yang sangat mendalam untuk menemukan "mengapa" yang sangat bagus. Saya cenderung tidak percaya pada apa pun yang fasih; Saya tidak yakin benar-benar ada penjelasan yang bagus, 100% benar, dan singkat untuk ini.

— TimWescott

Kuarsa sangat menakjubkan . Efek piezoelektriknya sangat besar (hubungan antara sifat mekanik / listriknya). Koefisien suhu yang melekat sangat kecil. Efek suhu yang tersisa dapat dikurangi dengan memutar bidang kristal. Grinding / lapping dapat dilakukan dengan sangat presisi. Terkadang, alam semesta hanya memberi Anda hadiah seperti itu.

— glen_geek

Sebagai operator radio amatir pemula pada pertengahan 1950-an, FCC MEMBUTUHKAN saya untuk menggunakan kristal kuarsa. Untungnya, saya menemukan sumber kristal murah sekitar 6,5 MHz, dan mampu menggilingnya menjadi sekitar 7,15 MHz.

— richard1941

Jawaban:

Karena perangkat mekanik jauh lebih stabil daripada rekan-rekan listrik mereka. Mari kita bandingkan osilator kristal dengan osilator LC:

Kristal:

Memiliki Q yang sangat tinggi. Menurut wikipedia , osilator kristal memiliki Q khas 10.000-1.000.000.
Stabil dengan suhu. Banyak kristal yang ditentukan pada <50ppm pada kisaran suhu mereka, dan kristal yang dikompensasi atau dikontrol suhu juga tersedia, hingga ~ 1ppm dengan suhu
Diproduksi dengan toleransi yang ketat. Kristal murah biasanya dispesifikasikan untuk ~ 25ppm, tetapi toleransi yang lebih ketat tersedia

LC atau RC:

Tidak tersedia sebagai perangkat terintegrasi, jadi harus dirakit dari komponen rak (kecuali diintegrasikan ke MCU atau sejenisnya)
Rendah Q, sulit untuk membuat induktor dengan Q lebih tinggi dari beberapa ratus
Suhu sensitif - membuat induktor suhu stabil sulit
Tegangan sensitif - tegangan ambang dan tegangan pengisian di sirkuit umpan balik biasanya tergantung tegangan.

Namun, itu tidak berarti bahwa osilator listrik tidak pernah digunakan, hanya saja mereka tidak digunakan di mana dibutuhkan ketelitian tinggi. Namun mereka memiliki beberapa kelebihan dibandingkan osilator kristal:
Mereka dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam IC lain. Banyak mikrokontroler kini hadir dengan osilator terintegrasi
Mereka (kadang-kadang) menggunakan lebih sedikit daya. Sering kali mikrokontroler akan menyertakan osilator daya rendah untuk menjalankan pengawas waktu, yang menggunakan daya lebih kecil dari kristal kecepatan tinggi (MHz), dan kadang-kadang lebih sedikit daya daripada kristal kecepatan rendah (32,768 kHz).
Karena mereka dapat diintegrasikan ke dalam IC, mereka dapat digunakan di tempat-tempat di mana kristal akan terlalu besar
Mereka dapat disetel dengan mudah. Kristal hanya dapat benar-benar digeser beberapa kHz dari frekuensi terkalibrasi, tetapi dengan menyesuaikan kapasitansi dari rangkaian LC (seperti dengan diar varactor), frekuensi dapat disesuaikan pada rentang yang cukup luas. Ini berarti bahwa osilator LC dapat digunakan di sirkuit seperti PLL atau VCO, bahkan mungkin dikunci ke referensi kristal.

Osilator non-mekanis digunakan di banyak perangkat, hanya saja tidak pada perangkat yang memerlukan pengaturan waktu yang akurat.

— C_Elegans
sumber

Sensitivitas osilator terhadap noise berbanding terbalik dengan Q. Itu bagian dari alasan mengapa sirkuit RC akan lebih buruk daripada sirkuit LC - sirkuit LC mungkin memiliki Q 100 atau lebih, sirkuit RC memiliki Q kurang dari satu, selalu.

— TimWescott

Q tinggi juga berkaitan dengan seberapa stabil sistem tersebut. Osilator Q tinggi memiliki noise fase lebih rendah daripada Q rendah, yang penting untuk sirkuit radio dan hal-hal sensitif waktu (seperti mengendalikan jam ADC atau DAC)

— C_Elegans

"Saya pikir saya berasumsi kita dapat membangun, dengan biaya yang sama, referensi tegangan yang lebih akurat daripada yang bisa kita lakukan sebagai osilator mekanik". Hanya jika Anda memiliki jam atom berguna. Dan beberapa nitrogen cair. Lihat tautan ini .

— TimWescott

"Saya telah berpikir bahwa untuk nilai redaman dan nilai massa apa pun, Anda dapat memilih pegas" ... Ya, tetapi meningkatkan laju pegas akan meningkatkan Q, kecuali jika Anda meningkatkan redaman agar sesuai.

— TimWescott

Saya dapat membeli dengan mudah membeli osilator kristal TCXO yang stabil hingga +/- 50ppb lebih dari 0 ° hingga + 70 ° C dengan harga kurang dari $ 30 satu kali. Referensi tegangan suhu kompensasi 0,6ppm / ° C harganya lebih dari $ 150. Toleransi awal adalah +/- 1ppm vs 0,01%. Jadi pesanan besarnya lebih buruk untuk 5x biaya. Itu tidak biasa. Anda dapat dengan mudah mengukur frekuensi lebih baik dari ~

10^{- 10}

$10^{-10}$ akurasi (1 tahun), tetapi voltase sulit diukur lebih baik daripada akurasi satu digit ppm (saya akan menyertakan standar laboratorium Josephson Junction Tim yang hidup dalam embun pada 4,3 Kelvin karena lebih dari sulit ..)

— Spehro Pefhany

Ini tidak benar-benar apakah induktor dan kapasitor dapat dibuat lebih tepat daripada osilator mekanik. Apakah komponen-komponen itu dapat beroperasi secara stabil pada rentang tegangan / suhu. Kecuali jika Anda ingin merancang semua sirkuit Anda untuk memiliki referensi tegangan celah pita, termometer, dan sirkuit pemanas untuk menjaga voltase / suhu tetap konstan, Anda tidak bisa membuat induktor dan kapasitor beroperasi di mana saja hampir sama stabilnya dengan kristal. .

Untuk menyetel kristal ke frekuensi yang benar selama pembuatan, saya berasumsi mereka hanya bisa memolesnya sampai pada ukuran yang tepat. Anda juga dapat memproduksi topi dan induktor seakurat yang Anda butuhkan. Masalahnya adalah itu tidak akan tinggal di sana.

— horta
sumber

Apakah penting agar sumber clock stabil di atas rentang tegangan? Saya telah membayangkan bahwa elektronik modern, seperti ponsel Anda, memang memiliki referensi tegangan yang akurat (karena celah pita). Stabilitas terhadap suhu lebih masuk akal. Ada osilator kristal yang dikendalikan oven, jadi mereka harus peka terhadap suhu juga, tetapi pada tingkat yang lebih rendah?

— Gus

Kisaran tegangan @Gus tidak akan sepenting suhu. Untuk hal-hal yang benar-benar akurat, masuk akal untuk mengontrol suhu kristal.

— horta

Frekuensi ponsel GSM dipangkas, sehingga paket-paket tidak melayang dalam waktu; ini memastikan selalu ada waktu rampup dan rampdown yang diprediksi antar paket dan tidak pernah ada paket simultan yang hilang atau bertentangan.

— analogsystemsrf