Dlaczego przewaga mechanicznych oscylatorów w obwodach elektronicznych?

Źródła zegara we współczesnej elektronice wydają się pochodzić niezmiennie z oscylatorów kwarcowych i MEMS, które generują drgania mechanicznie. Amplituda i częstotliwość wibracji są rzędami wielkości różniącymi się od codziennych wibracji mechanicznych, które obserwuję na przykład w instrumentach muzycznych. Niemniej zaskakuje mnie, że nie otrzymujemy źródeł zegara bezpośrednio w dziedzinie elektromagnetycznej, powiedzmy, używając elementów pojemnościowych lub indukcyjnych.

Wiem, że szczególnie cewki indukcyjne są trudne do wytworzenia bez strat pasożytniczych. Ale spodziewałbym się, że mechaniczne oscylatory również nie będą idealne.

Można użyć opóźnienia propagacji elektryczności, ale wtedy trudno byłoby stworzyć mały oscylator działający na niskich częstotliwościach.

Czy to naprawdę prawda, że ​​możemy stworzyć mikroskopijne urządzenia wibracyjne bardziej idealnie niż możemy wytwarzać elektryczne elementy oscylacyjne?

Ponieważ urządzenia mechaniczne są znacznie bardziej stabilne niż ich elektryczne odpowiedniki. Porównajmy oscylator kwarcowy z oscylatorem LC:

Kryształ:

• Ma bardzo wysokie Q. Według wikipedii , oscylator kwarcowy ma typowe Q wynoszące od 10 000 do 1 000 000.
• Stabilny z temperaturą. Wiele kryształów jest określonych przy <50 ppm w ich zakresie temperatur, a dostępne są również kryształy z kompensacją temperatury lub kontrolowane, aż do ~ 1 ppm z temperaturą
• Produkowane z ścisłą tolerancją. Tanie kryształy są zwykle określane na ~ 25 ppm, ale dostępne są węższe tolerancje

LC lub RC:

• Niedostępne jako zintegrowane urządzenie, dlatego należy je montować z półki (chyba że zintegrowane z MCU lub podobnym)
• Niskie Q, trudno jest zbudować cewkę o Q wyższym niż kilkaset
• Wrażliwe na temperaturę - utrwalenie stabilnych temperaturowo induktorów jest trudne

• Wrażliwe na napięcie - napięcie progowe i napięcie ładowania w obwodzie sprzężenia zwrotnego zwykle zależą od napięcia.

  Nie oznacza to jednak, że oscylatory elektryczne nigdy nie są używane, tylko że nie są używane tam, gdzie potrzebna jest duża precyzja. Mają jednak pewne zalety w stosunku do oscylatorów kwarcowych:

• Można je łatwo zintegrować z innym układem scalonym. Wiele mikrokontrolerów jest teraz wyposażonych w zintegrowany oscylator

• Czasami zużywają mniej energii. Często mikrokontroler zawiera oscylator o niskiej mocy do uruchamiania timera watchdoga, który zużywa mniej energii niż kryształ o wysokiej prędkości (MHz), a czasem mniej mocy niż kryształ o niskiej prędkości (32,768 kHz).
• Ponieważ można je zintegrować z układem scalonym, można je stosować w miejscach, w których kryształ byłby zdecydowanie za duży
• Można je dostroić dość łatwo. Kryształ można tak naprawdę przesunąć tylko o kilka kHz w stosunku do jego skalibrowanej częstotliwości, ale regulując pojemność obwodu LC (jak w przypadku diody warystorowej), częstotliwość można regulować w dość szerokim zakresie. Oznacza to, że oscylatory LC mogą być stosowane w obwodach takich jak PLL lub VCO, być może nawet zablokowane na krystalicznej referencji.

Oscylatory niemechaniczne są stosowane w wielu urządzeniach, ale nie w tych, w których wymagany jest dokładny pomiar czasu.

Nie jest tak naprawdę to, czy dławiki i kondensatory można wykonać precyzyjniej niż oscylator mechaniczny. To, czy te elementy mogą działać stabilnie w zakresie napięć / temperatur. O ile nie chcesz zaprojektować wszystkich obwodów w taki sposób, aby zawierały napięcie odniesienia pasma, termometr i obwód grzewczy w celu utrzymania stałego napięcia / temperatury, nie można uzyskać pracy cewek indukcyjnych i kondensatorów prawie tak stabilnych jak kryształ .

Aby dostroić kryształ do właściwej częstotliwości podczas produkcji, zakładam, że mogliby go wypolerować, aż osiągnie odpowiedni rozmiar. Możesz także produkować osłony i cewki indukcyjne tak dokładnie, jak potrzebujesz. Problem polega na tym, że po prostu tam nie zostanie.