Pourquoi la prédominance des oscillateurs mécaniques dans les circuits électroniques?

Les sources d'horloge de l'électronique moderne semblent provenir invariablement des oscillateurs à quartz et MEMS, qui génèrent tous deux des vibrations mécaniquement. L'amplitude et la fréquence des vibrations sont des ordres de grandeur différents des vibrations mécaniques quotidiennes que j'observe dans, disons, les instruments de musique. Néanmoins, il m'étonne que nous n'obtenions pas directement de sources d'horloge dans le domaine électromagnétique, par exemple en utilisant des éléments capacitifs ou inductifs.

Je sais que les inducteurs sont particulièrement difficiles à fabriquer sans pertes parasites. Mais je m'attendrais aussi à ce que les oscillateurs mécaniques ne soient pas idéaux.

Vous pourriez utiliser le retard de propagation de l'électricité, mais il serait alors difficile de fabriquer un petit oscillateur qui fonctionne à des fréquences lentes.

Est-il vraiment vrai que nous pouvons fabriquer des appareils vibrants microscopiques plus idéalement que nous pouvons fabriquer des composants électriques oscillants?

oscillator physics mems

— Gus
source

Juste une note - Les cristaux de quartz étaient le nouveau meilleur contrôle de fréquence pour les radios dans les années 1920. J'ai des magazines de radio amateur de 1928 où ils sont déjà une technologie établie (bien que beaucoup plus grande que celle d'aujourd'hui). Pendant un certain temps, ils ont été le meilleur standard de contrôle de fréquence à avoir été dépassé par les horloges atomiques (je pense) dans les années 1940 ou 1950. Donc, la réponse pratique à votre question est parce qu'ils fonctionnent mieux et moins cher, et personne n'a pu faire mieux sans être beaucoup plus cher.

— TimWescott

Merci pour cette note. Mis à part le côté pratique, cela vous paraît-il surprenant? Si quelqu'un me disait que la référence de tension dans un circuit provient d'un générateur connecté à une référence à vitesse constante. (ou mieux encore, de l'amplitude du courant ou de la tension générée par le cristal de quartz), je pense que c'est un peu drôle. Je savais que les oscillateurs à cristal étaient mécaniques depuis un certain temps, mais aujourd'hui, il m'a semblé étrange que ce soit vraiment bon dans la pratique. Le domaine électrique semble gagner pour le traitement du signal, le transfert d'énergie, la communication, etc.

— Gus

Si je devais rester aussi surpris par tout ce qui n'a pas de sens immédiat, je ne serais pas en mesure de sortir du lit le matin, étonné que le soleil se lève et que la gravité continue de fonctionner. Je suppose que c'est un peu surprenant, mais il faudrait une étude très approfondie pour trouver un très bon "pourquoi". J'ai tendance à me méfier de tout ce que je veux. Je ne suis pas sûr qu'il y ait vraiment une bonne, 100% vraie et courte explication à cela.

— TimWescott

Le quartz est tout simplement incroyable . Son effet piézoélectrique est très important (le lien entre ses propriétés mécaniques / électriques). Son coefficient de température inhérent est très faible. Tout effet de température restant peut être réduit en faisant tourner les plans cristallins. Le meulage / rodage peut être effectué avec une grande précision. Parfois, l'univers vous donne juste un tel cadeau.

— glen_geek

En tant qu'opérateur radio amateur novice au milieu des années 1950, la FCC m'a OBLIGÉ d'utiliser des cristaux de quartz. Heureusement, j'ai trouvé une source de cristaux bon marché autour de 6,5 MHz et j'ai pu les rectifier à environ 7,15 MHz.

— richard1941

Réponses:

Parce que les appareils mécaniques sont beaucoup plus stables que leurs homologues électriques. Comparons un oscillateur à cristal à un oscillateur LC:

Cristal:

A un Q. très élevé. Selon wikipedia , un oscillateur à cristal a un Q typique de 10 000 à 1 000 000.
Stable à la température. De nombreux cristaux sont spécifiés à <50 ppm sur leur plage de température, et des cristaux compensés ou contrôlés en température sont également disponibles, jusqu'à ~ 1 ppm avec la température
Fabriqué selon une tolérance stricte. Les cristaux bon marché sont généralement spécifiés à ~ 25 ppm, mais des tolérances plus strictes sont disponibles

LC ou RC:

Non disponible en tant qu'appareil intégré, doit donc être assemblé à partir des composants standard (sauf s'il est intégré dans un processeur ou similaire)
Faible Q, il est difficile de faire une inductance avec un Q supérieur à quelques centaines
Sensible à la température - rendre les inductances stables à la température est difficile
Sensible à la tension - la tension de seuil et la tension de charge dans le circuit de rétroaction dépendent généralement de la tension.

Cependant, cela ne signifie pas que les oscillateurs électriques ne sont jamais utilisés, mais simplement qu'ils ne sont pas utilisés là où une grande précision est nécessaire. Ils présentent cependant certains avantages par rapport aux oscillateurs à cristal:
Ils peuvent être facilement intégrés dans un autre CI. De nombreux microcontrôleurs sont désormais livrés avec un oscillateur intégré
Ils utilisent (parfois) moins d'énergie. Souvent, un microcontrôleur comprend un oscillateur à faible puissance pour exécuter le temporisateur de surveillance, qui utilise moins de puissance qu'un cristal à haute vitesse (MHz), et parfois moins de puissance qu'un cristal à basse vitesse (32,768 kHz).
Puisqu'ils peuvent être intégrés sur un circuit intégré, ils peuvent être utilisés dans des endroits où un cristal serait beaucoup trop grand
Ils peuvent être réglés assez facilement. Un cristal ne peut vraiment être décalé que de quelques kHz de sa fréquence calibrée, mais en ajustant la capacité du circuit LC (comme avec une diode varactor), la fréquence peut être ajustée sur une plage assez large. Cela signifie que les oscillateurs LC peuvent être utilisés dans des circuits comme les PLL ou les VCO, éventuellement même verrouillés sur une référence de cristal.

Les oscillateurs non mécaniques sont utilisés dans de nombreux appareils, mais pas dans ceux où une synchronisation précise est requise.

— C_Elegans
source

La sensibilité d'un oscillateur au bruit est inversement proportionnelle à Q. C'est en partie la raison pour laquelle un circuit RC serait pire qu'un circuit LC - un circuit LC peut avoir un Q de 100 ou plus, un circuit RC a un Q de moins plus d'un, toujours.

— TimWescott

Un Q élevé est également lié à la stabilité du système. Un oscillateur à Q élevé a moins de bruit de phase qu'un oscillateur à Q faible, ce qui est important pour les circuits radio et les éléments sensibles au timing (comme le contrôle d'une horloge ADC ou d'un DAC)

— C_Elegans

"Je pense que je supposais que nous pouvions construire, pour un coût similaire, une référence de tension plus précise que nous ne le pourrions un oscillateur mécanique". Seulement si vous avez une horloge atomique à portée de main. Et un peu d'azote liquide. Voir ce lien .

— TimWescott

"J'avais pensé que pour n'importe quelle valeur d'amortissement et n'importe quelle valeur de masse, vous pouvez choisir un ressort" ... Oui, mais l'augmentation de la vitesse du ressort augmente le Q, sauf si vous augmentez l'amortissement pour correspondre.

— TimWescott

10^{- 10}

$10^{-10}$

Ce n'est pas vraiment si les inductances et les condensateurs peuvent être fabriqués plus précisément qu'un oscillateur mécanique. Il s'agit de savoir si ces composants peuvent fonctionner de manière stable sur des plages de tension / température. À moins que vous ne vouliez concevoir tous vos circuits pour avoir une référence de tension de bande interdite, un thermomètre et un circuit de chauffage pour maintenir la tension / température constante, vous ne pouvez pas faire en sorte que les inducteurs et les condensateurs fonctionnent n'importe où presque aussi stables qu'un cristal. .

Pour régler un cristal à la bonne fréquence pendant la fabrication, je suppose qu'ils pourraient simplement le polir jusqu'à ce qu'il soit à la bonne taille. Vous pouvez également fabriquer des capuchons et des inductances aussi précis que nécessaire. Le problème est qu'il ne restera pas là.

— Horta
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Est-il important que la source d'horloge soit stable dans les plages de tension? J'avais pensé que l'électronique moderne, comme votre téléphone portable, a une référence de tension précise (en raison d'un intervalle de bande). La stabilité à la température a plus de sens. Il existe des oscillateurs à cristal contrôlés par le four, ils doivent donc également être sensibles à la température, mais dans une moindre mesure?

— Gus

La plage de tension @Gus ne sera pas aussi importante que la température. Pour des choses vraiment précises, il est logique de contrôler la température d'un cristal.

— horta

Les téléphones portables GSM sont coupés en fréquence, de sorte que les paquets ne dérivent pas dans le temps; cela garantit qu'il y a toujours le temps de montée et de descente prévu entre les paquets et qu'il n'y a jamais de paquets simultanés manquants ou en conflit.

— analogsystemsrf