Pourquoi les oscillateurs à cristal sont-ils utilisés dans les horloges au lieu des circuits RLC?

La synchronisation des horloges à quartz est régulée par un oscillateur à cristal . Cet oscillateur à cristal forme efficacement un circuit RLC. Si tel est le cas, quelles sont les propriétés d'un oscillateur à cristal qui le rendent avantageux par rapport à un circuit RLC?

Les oscillateurs à cristal sont beaucoup plus précis, ils sont petits, ont de faibles coefficients de température et une faible dérive à faible coût.

Un cristal de quartz est un résonateur mécanique aux propriétés particulièrement stables. Le quartz est un matériau très stable - il ne vieillit pas ou ne change pas beaucoup avec la température. Il est également possible de préparer du quartz pour être très pur et avoir des propriétés constantes. Le quartz est également légèrement piézoélectrique - un champ électrique provoque une déviation et une déviation génère une charge électrique.

Lorsqu'elles sont coupées correctement (avec une orientation spécifique par rapport aux axes cristallins) et montées correctement, les propriétés mécaniques (essentiellement la rigidité) sont indépendantes de la température. Les contacts sur le cristal signifient qu'une vibration mécanique génère une charge électrique, et lorsqu'elle est correctement configurée (avec un amplificateur), l'ensemble du système peut être fait résonner à une fréquence stable.

Électriquement, cela peut être modélisé comme un réseau RLC avec des propriétés similaires. Les valeurs RLC peuvent être surprenantes - généralement des fractions d'un fF de capacité et de nombreux henries d'inductance.

Bien qu'un cristal de quartz puisse être modélisé comme un circuit RLC, ce n'est pas ce qu'il est réellement.
La coupe et les dimensions du cristal le font résonner à une fréquence particulière et cela peut être déterminé avec beaucoup plus de précision qu'un circuit composé de R, L et C discrets.

La raison en est la précision. Pour les condensateurs, 2% est considéré comme une très bonne tolérance. Je ne suis pas sûr des inductances mais je pense que c'est similaire. Les résistances sont meilleures que les condensateurs ou les inductances mais vous ne pouvez pas construire un oscillateur avec des résistances seules.

Pour mettre ces chiffres en perspective: 1% équivaut à 36 secondes par heure ou 14 minutes et 24 secondes par jour, ce qui serait une précision totalement inacceptable pour une horloge.

D'après mon expérience, un cristal est ajouté au lieu de remplacer les composants RLC d'un oscillateur. La raison pour laquelle il est «ajouté» est de donner et de maintenir une fréquence donnée plus précisément que d'utiliser les composants RLC seuls. La raison pour laquelle un cristal fournit plus de précision, c'est qu'il peut être fabriqué avec des tolérances "plus strictes" que les composants RLC et sa propriété électrique Q élevée .

L'oscillateur à cristal a des propriétés de bon marché en termes de complexité de circuit et de prix unitaire qui le rendent avantageux par rapport à un circuit RLC. Le circuit RLC nécessite plus de pièces et de réglages. Lorsqu'elle est correctement conçue et calibrée, une horloge RLC est aussi précise qu'une horloge à oscillateur à cristal. Tout dépend du coût et de la taille.