Warum die Entwicklung mechanischer Oszillatoren in elektronischen Schaltkreisen?

Die Taktquellen in der modernen Elektronik scheinen ausnahmslos aus Quarz- und MEMS-Oszillatoren zu stammen, die beide mechanisch Schwingungen erzeugen. Die Amplitude und Frequenz der Schwingung sind Größenordnungen, die sich von den alltäglichen mechanischen Schwingungen unterscheiden, die ich beispielsweise bei Musikinstrumenten beobachte. Trotzdem ist es für mich überraschend, dass wir keine Taktquellen direkt im elektromagnetischen Bereich erhalten, etwa mit kapazitiven oder induktiven Elementen.

Ich weiß, dass Induktivitäten ohne parasitäre Verluste besonders schwer herzustellen sind. Aber ich würde auch erwarten, dass mechanische Oszillatoren nicht ideal sind.

Sie könnten die Ausbreitungsverzögerung von Elektrizität nutzen, aber dann wäre es schwierig, einen kleinen Oszillator herzustellen, der bei langsamen Frequenzen arbeitet.

Stimmt es wirklich, dass wir mikroskopisch schwingende Geräte idealer herstellen können als elektrisch schwingende Komponenten?

oscillator physics mems

— Gus
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Nur eine Anmerkung - Quarze waren in den 1920er Jahren die neue, bessere Frequenzregelung für Radios. Ich habe Amateurfunkzeitschriften aus dem Jahr 1928, in denen sie bereits eine etablierte Technologie sind (wenn auch viel größer als heute). Für eine Weile waren sie der beste Frequenzregelungsstandard, den es gab, und wurden nur in den 1940er oder 1950er Jahren von Atomuhren überholt. Die praktische Antwort auf Ihre Frage lautet also, dass sie besser und billiger funktionieren und dass niemand bessere Ergebnisse erzielen konnte, ohne viel teurer zu sein.

— TimWescott

Danke für diesen Hinweis. Abgesehen von der Praktikabilität, kommt es Ihnen überraschend vor? Wenn mir jemand sagt, dass die Spannungsreferenz in einem Stromkreis von einem Generator stammt, der mit einer Konstantgeschwindigkeitsreferenz verbunden ist. (oder noch besser, von der Amplitude des Stroms oder der Spannung, die der Quarzkristall erzeugt), finde ich das ein bisschen lustig. Ich habe gewusst, dass Kristalloszillatoren für eine Weile mechanisch waren, aber heute kam es mir seltsam vor, dass es in der Praxis tatsächlich gut ist. Die elektrische Domäne scheint für die Signalverarbeitung, die Energieübertragung, die Kommunikation usw. zu gewinnen.

— Gus

Wenn ich so überrascht von allem bleiben würde, was nicht sofort Sinn macht, könnte ich am Morgen nicht aus dem Bett steigen, in meinem Erstaunen, dass die Sonne aufgeht und die Schwerkraft immer noch funktioniert. Ich nehme an, es ist etwas überraschend, aber es würde ein sehr gründliches Studium erfordern, um ein wirklich gutes "Warum" zu finden. Ich neige dazu, irgendetwas zu misstrauen; Ich bin mir nicht sicher, ob es wirklich eine gute, 100% wahre und kurze Erklärung dafür gibt.

— TimWescott

Quarz ist einfach unglaublich . Der piezoelektrische Effekt ist sehr groß (der Zusammenhang zwischen den mechanischen und elektrischen Eigenschaften). Sein inhärenter Temperaturkoeffizient ist sehr klein. Ein verbleibender Temperatureffekt kann durch Drehen der Kristallebenen verringert werden. Das Schleifen / Läppen kann mit großer Präzision durchgeführt werden. Manchmal gibt dir das Universum einfach so ein Geschenk.

— Glen_geek

Als Anfänger in der Amateurfunkbranche musste ich Mitte der 1950er Jahre Quarze verwenden. Glücklicherweise fand ich eine Quelle für billige Kristalle um 6,5 MHz und konnte sie auf 7,15 MHz nachschleifen.

— Richard1941

Antworten:

Weil die mechanischen Geräte viel stabiler sind als ihre elektrischen Gegenstücke. Vergleichen wir einen Quarzoszillator mit einem LC-Oszillator:

Kristall:

Hat ein sehr hohes Q. Laut Wikipedia hat ein Quarzoszillator ein typisches Q von 10.000-1.000.000.
Temperaturbeständig. Viele Kristalle sind in ihrem Temperaturbereich auf <50 ppm spezifiziert, und temperaturkompensierte oder geregelte Kristalle sind ebenfalls bis zu ~ 1 ppm mit der Temperatur erhältlich
Hergestellt mit einer engen Toleranz. Billige Kristalle sind normalerweise auf ~ 25 ppm spezifiziert, es sind jedoch engere Toleranzen verfügbar

LC oder RC:

Nicht als integriertes Gerät erhältlich, muss also aus den Standardkomponenten zusammengebaut werden (sofern nicht in eine mcu oder ähnliches integriert)
Bei niedrigem Q ist es schwierig, einen Induktor mit einem Q von mehr als ein paar hundert herzustellen
Temperaturempfindlich - es ist schwierig, temperaturstabile Induktoren herzustellen
Spannungsempfindlich - Die Schwellenspannung und die Ladespannung im Rückführkreis sind normalerweise spannungsabhängig.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass elektrische Oszillatoren niemals verwendet werden, sondern nur, dass sie nicht dort eingesetzt werden, wo große Präzision erforderlich ist. Sie haben jedoch einige Vorteile gegenüber Quarzoszillatoren:
Sie können problemlos in einen anderen IC integriert werden. Viele Mikrocontroller verfügen mittlerweile über einen integrierten Oszillator
Sie verbrauchen (manchmal) weniger Strom. Oftmals enthält ein Mikrocontroller einen Oszillator mit niedriger Leistung, um den Watchdog-Timer auszuführen, der weniger Leistung als ein Hochgeschwindigkeitskristall (MHz) und manchmal weniger Leistung als ein Niedriggeschwindigkeitskristall (32,768 kHz) verbraucht.
Da sie auf einem IC integriert werden können, können sie an Orten eingesetzt werden, an denen ein Kristall viel zu groß wäre
Sie können ziemlich einfach gestimmt werden. Ein Kristall kann nur um ein paar kHz von seiner kalibrierten Frequenz verschoben werden, aber durch Einstellen der Kapazität des LC-Schaltkreises (wie bei einer Varaktordiode) kann die Frequenz über einen ziemlich weiten Bereich eingestellt werden. Dies bedeutet, dass LC-Oszillatoren in Schaltkreisen wie PLLs oder VCOs verwendet werden können, möglicherweise sogar an eine Quarzreferenz gekoppelt.

Nichtmechanische Oszillatoren werden in vielen Geräten verwendet, nur nicht dort, wo ein genaues Timing erforderlich ist.

— C_Elegans
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Die Empfindlichkeit eines Oszillators gegenüber Rauschen ist umgekehrt proportional zu Q. Dies ist einer der Gründe, warum eine RC-Schaltung schlechter wäre als eine LC-Schaltung - eine LC-Schaltung kann ein Q von 100 oder mehr haben, eine RC-Schaltung hat ein Q weniger als eins, immer.

— TimWescott

High Q bezieht sich auch darauf, wie stabil das System ist. Ein Oszillator mit hohem Q hat weniger Phasenrauschen als ein Oszillator mit niedrigem Q.

— Dies

"Ich glaube, ich bin davon ausgegangen, dass wir für ähnliche Kosten eine genauere Spannungsreferenz bauen können als wir einen mechanischen Oszillator bauen könnten." Nur wenn Sie eine Atomuhr zur Hand haben. Und etwas flüssiger Stickstoff. Siehe diesen Link .

— TimWescott

"Ich hatte gedacht, dass Sie für jeden Wert der Dämpfung und für jeden Wert der Masse eine Feder wählen können."

— TimWescott

10^{- 10}

$10^{-10}$

Es ist nicht wirklich so, ob Induktivitäten und Kondensatoren präziser hergestellt werden können als ein mechanischer Oszillator. Es ist wichtig, ob diese Komponenten über Spannungs- / Temperaturbereiche stabil arbeiten können. Wenn Sie nicht alle Schaltkreise mit einer Bandlückenspannungsreferenz, einem Thermometer und einem Heizkreis ausstatten möchten, um die Spannung / Temperatur konstant zu halten, können Sie Induktivitäten und Kondensatoren nicht überall so stabil betreiben, wie dies bei einem Kristall der Fall ist .

Um einen Kristall während der Herstellung auf die richtige Frequenz abzustimmen, gehe ich davon aus, dass er nur poliert werden kann, bis er die richtige Größe hat. Sie können auch Kappen und Induktoren so genau herstellen, wie Sie es benötigen. Das Problem ist, dass es einfach nicht dort bleibt.

— Horta
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Ist es wichtig, dass die Taktquelle über Spannungsbereiche stabil ist? Ich hatte mir gedacht, dass moderne Elektronik, wie Ihr Handy, eine genaue Spannungsreferenz hat (aufgrund einer Bandlücke). Stabilität über Temperatur ist sinnvoller. Da es ofengesteuerte Quarzoszillatoren gibt, müssen sie auch temperaturempfindlich sein, aber in geringerem Maße?

— Gus

Der @Gus-Spannungsbereich ist nicht annähernd so wichtig wie die Temperatur. Für wirklich genaues Zeug ist es sinnvoll, einen Kristall vorübergehend zu steuern.

— Horta

Die Frequenz von GSM-Handys ist begrenzt, damit die Pakete nicht zeitlich verschoben werden. Dies stellt sicher, dass immer die vorhergesagte Anstiegs- und Abfallzeit zwischen Paketen vorliegt und niemals fehlende oder widersprüchliche gleichzeitige Pakete vorliegen.

— analogsystemsrf