Почему преобладают механические генераторы в электронных схемах?

Источники часов в современной электронике, похоже, неизменно поступают от кварцевых и MEMS-генераторов, которые оба генерируют вибрации механически. Амплитуда и частота вибрации на несколько порядков отличаются от обычных механических колебаний, которые я наблюдаю, скажем, на музыкальных инструментах. Тем не менее, меня удивляет, что мы не получаем источники тактовых импульсов в электромагнитной области напрямую, скажем, с использованием емкостных или индуктивных элементов.

Я знаю, что катушки индуктивности особенно трудно изготовить без паразитных потерь. Но я ожидаю, что механические осцилляторы также будут неидеальными.

Вы можете использовать задержку распространения электричества, но тогда будет трудно создать небольшой генератор, работающий на низких частотах.

Правда ли, что мы можем сделать микроскопические вибрационные устройства более идеальными, чем электрические осциллирующие компоненты?

oscillator physics mems

— Гас
источник

Напомню, что кварцевые кристаллы были новым, более совершенным регулятором частоты для радиостанций еще в 1920-х годах. У меня есть любительские радиожурналы с 1928 года, где они уже отработали технологию (хотя и намного больше, чем сегодня). Некоторое время они были лучшим стандартом управления частотой, когда их настигали только атомные часы (я думаю) в 1940-х или 1950-х годах. Таким образом, практический ответ на ваш вопрос заключается в том, что они работают лучше и дешевле, и никто не смог добиться большего успеха, не намного дороже.

— Тим Уэскотт

Спасибо за эту записку. Помимо практичности, вас это удивляет? Если кто - то сказал мне , что опорное напряжение в цепи поступает от генератора , подключенного к опорному постоянной скорости. (или даже лучше, по амплитуде тока или напряжения, генерируемого кварцевым кристаллом), я думаю, это немного забавно. Я знал, что кварцевые генераторы некоторое время были механическими, но сегодня мне показалось странным, что на самом деле это хорошо. Электрическая область, кажется, выигрывает для обработки сигналов, передачи энергии, связи и так далее.

— Гас

Если бы я остался таким удивленным всем, что не имеет немедленного смысла, я бы не смог встать с постели утром, изумляясь, что солнце взошло и гравитация все еще работает. Я полагаю, это немного удивительно, но для того, чтобы найти действительно хорошее «почему», потребуется очень глубокое изучение. Я склонен не доверять чему-либо бойкому; Я не уверен, что на самом деле есть хорошее, 100% правдивое и краткое объяснение этому.

— Тим Уэскотт

Кварц просто потрясающий . Его пьезоэлектрический эффект очень велик (связь между его механическими / электрическими свойствами). Свойственный температурный коэффициент очень мал. Любой оставшийся температурный эффект может быть уменьшен вращением кристаллических плоскостей. Шлифование / притирка могут быть выполнены с большой точностью. Иногда вселенная просто дает вам такой подарок.

— glen_geek

Как начинающий радиолюбитель в середине 1950-х годов, FCC ТРЕБУЕТ меня использовать кристаллы кварца. К счастью, я нашел источник дешевых кристаллов около 6,5 МГц и смог снова размолоть их до 7,15 МГц.

— richard1941

Ответы:

Потому что механические устройства намного более устойчивы, чем их электрические аналоги. Давайте сравним кварцевый генератор с LC-генератором:

Кристалл:

Имеет очень высокое значение Q. Согласно википедии , кварцевый генератор имеет типичное значение Q от 10000 до 1000000.
Стабильно с температурой. Многие кристаллы определены при <50 миллионных долях в пределах их температурного диапазона, также доступны термокомпенсированные или контролируемые кристаллы, вплоть до ~ 1 миллионных долей с температурой.
Изготовлено с жестким допуском. Дешевые кристаллы обычно указываются до ~ 25 частей на миллион, но есть более жесткие допуски

LC или RC:

Не доступно как интегрированное устройство, поэтому должно быть собрано из готовых компонентов (если не интегрировано в MCU или подобное)
Низкий Q, трудно сделать индуктор с добротностью выше нескольких сотен
Чувствительность к температуре - сделать термостабильные индукторы трудными
Чувствительность к напряжению - пороговое напряжение и зарядное напряжение в цепи обратной связи обычно зависят от напряжения.

Однако это не означает, что электрические генераторы никогда не используются, просто они не используются там, где требуется большая точность. Однако они имеют некоторые преимущества перед кварцевыми генераторами:
Их можно легко интегрировать в другую микросхему. Многие микроконтроллеры теперь поставляются со встроенным генератором
Они (иногда) используют меньше энергии. Часто микроконтроллер включает в себя генератор малой мощности для запуска сторожевого таймера, который использует меньше энергии, чем кристалл с высокой скоростью (МГц), а иногда - меньше, чем кристалл с низкой скоростью (32,768 кГц).
Поскольку они могут быть интегрированы в ИС, они могут использоваться в местах, где кристалл будет слишком большим
Они могут быть настроены довольно легко. Кристалл действительно может быть сдвинут только на несколько кГц от его калиброванной частоты, но, отрегулировав емкость LC-цепи (как с варакторным диодом), можно регулировать частоту в довольно широком диапазоне. Это означает, что генераторы LC могут использоваться в схемах, таких как ФАПЧ или ГУН, возможно, даже привязанных к эталонному кристаллу.

Немеханические генераторы используются во многих устройствах, но не в тех, где требуется точная синхронизация.

— C_Elegans
источник

Чувствительность генератора к шуму обратно пропорциональна Q. Это одна из причин того, почему RC-цепь будет хуже, чем LC-схема - LC-схема может иметь Q 100 или более, RC-цепь имеет Q меньше чем один, всегда.

— Тим Уэскотт

Высокий Q также относится к тому, насколько стабильна система. Осциллятор с высоким Q имеет меньший фазовый шум, чем генератор с низким Q, который важен для радиосхем и чувствительных к синхронизации

— элементов

«Я думаю , что я предположил , что мы можем построить, по аналогичной стоимости, более точный источник опорного напряжения , чем мы могли бы механический осциллятор». Только если у вас есть атомные часы под рукой. И немного жидкого азота. Смотрите эту ссылку .

— Тим Уэскотт

«Я думал, что для любого значения демпфирования и любого значения массы вы можете выбрать пружину» ... Да, но увеличение скорости пружины увеличивает Q, если вы не увеличите демпфирование, чтобы соответствовать.

— Тим Уэскотт

10^{- 10}

$10^{-10}$

Это не совсем то, можно ли сделать индукторы и конденсаторы более точными, чем механический генератор. То, могут ли эти компоненты работать стабильно в диапазонах напряжения / температуры. Если вы не хотите создать все ваши контурах иметь ссылку запрещенной зоны напряжения, термометр, и отопительный контур для поддержания постоянного напряжения / температуры, вы не можете получить катушки индуктивности и конденсаторы для работы в любом месте почти столь же стабильной, как кристалл делает ,

Чтобы настроить кристалл на правильную частоту во время производства, я предполагаю, что они могли бы просто отполировать его до нужного размера. Вы также можете изготавливать колпачки и катушки индуктивности так точно, как вам нужно. Проблема в том, что он просто не останется там.

— Орта
источник

Важно ли, чтобы источник синхронизации был стабильным в диапазонах напряжения? Я понял , что современная электроника, как ваш мобильный телефон, действительно есть точный источник опорного напряжения (из - за запрещенную зону). Стабильность по температуре имеет больше смысла. Существуют управляемые печью кварцевые генераторы, поэтому они также должны быть чувствительны к температуре, но в меньшей степени?

— Гас

Диапазон напряжения @Gus будет не таким важным, как температура. Для действительно точных вещей имеет смысл временно контролировать кристалл.

— Орта

Мобильные телефоны GSM обрезаны по частоте, поэтому пакеты не смещаются во времени; это гарантирует, что всегда есть прогнозируемое время нарастания и спада между пакетами, и никогда не будет отсутствующих или конфликтующих одновременных пакетов.

— аналоговые системы