¿Qué componentes o circuitos existen que puedan proporcionar relojes precisos a una velocidad extremadamente alta?

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Hace tiempo que tengo curiosidad por hacer algunos proyectos de alta velocidad, como medir las diferencias de tiempo de recepción de ondas de radio, y me preguntaba si existen componentes que proporcionen relojes mucho más rápido que una CPU típica, como por ejemplo 10 GHz o superior. El más rápido de los relojes que he usado es el CLOCK_MONOTONIC en linux, con una precisión de 1 nanosegundo. Esto también me hace preguntarme por qué no hay un reloj que se ajuste a la velocidad real de mi procesador, que se mueve a más del doble de esa velocidad.

Ampliando aún más eso, ¿qué enfoque se utiliza para crear tales relojes? ¿Y cómo pueden estos relojes interconectarse con otros circuitos? ¿Hay realmente circuitos digitales o analógicos que puedan operar tan rápido?

    
pregunta krb686

5 respuestas

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Hace tiempo que siento curiosidad ... y me preguntaba si existen componentes que proporcionen relojes mucho más rápido que un CPU típico, como hasta 10 GHz o más.

Los osciladores optoelectrónicos (OEO) son osciladores que toman una señal fotónica, como una bomba láser, la modulan y la convierten en una señal eléctrica utilizando un fotodiodo. Las señales generadas por estos OEO tienen un factor Q extremadamente alto y por lo tanto una fluctuación de fase muy baja. Aquí hay un diagrama de un OEO, tomado de esta descripción general de los OEO . El foco aquí está en la estabilidad ultraalta, no en una salida de alta frecuencia. Pero también hay OEO que alcanzan altas frecuencias, por ejemplo, este OEO de doble bucle alcanza un rango de sintonía de 32 a 42.7 GHz.

Ademásdelososciladoresfotónicos,lossintetizadoresdefrecuenciapuedenproporcionarrelojesporencimade10GHz.Comohanmencionadootrasrespuestas,estaspuedenalcanzarfrecuenciasmuyporencimade10GHz.Porejemplo,AnalogDeviceshaceunsintetizadordefrecuenciaquegenerafrecuenciashasta 13.6 GHz . Además, los sintetizadores generan las frecuencias para un generador de señales como éste , que puede alcanzar 67 GHz.

Aquí hay una breve descripción de los sintetizadores si desea leerlos.

Un sintetizador se compone de un PLL (que contiene un VCO) y, a veces, también de un microcontrolador como medio para ajustar el PLL digitalmente.

Cotización de un Tutorial de dispositivos analógicos sobre PLLs :

  

Un bucle de bloqueo de fase es un sistema de retroalimentación que combina un VCO y un comparador de fase conectado de tal manera que el oscilador mantiene un ángulo de fase constante con respecto a una señal de referencia. Los bucles de bloqueo de fase se pueden usar, por ejemplo, para generar señales de alta frecuencia de salida estables a partir de una señal de baja frecuencia fija.

Un VCO (Voltage Controlled Oscillator) es un circuito que genera una frecuencia de salida controlada por un voltaje de sintonización. Una forma de implementar un VCO es aplicar el voltaje de sintonización a los varactores, que ajusta la capacitancia del tanque LC en el circuito y genera una frecuencia diferente.

Básicamente, se usa un PLL para generar un múltiplo en fase de una frecuencia de referencia más baja. Se utilizan para sincronizar los convertidores de datos, que pueden subir a múltiples GSPS y también a las CPU.

Además de los PLL, hay una variedad de osciladores de cristal (TCXO, OCXO, zafiro, osciladores disciplinados por GPS, etc.). Sin embargo, a diferencia de los sintetizadores, emiten una frecuencia fija. Por lo general, están diseñados para ruido de fase ultra bajo y estabilidad a largo plazo, no para frecuencias de salida altas. Debido a estas características, a menudo se utilizan como referencia para los PLL.

    
respondido por el John Fu
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No conozco las frecuencias altas, pero hay un conjunto de diapositivas limpio en LeapSecond.com que va en un Los poderes del estilo Diez viajan a través de varios niveles de precisión en los estándares de cronometraje. Aquí está la lista con la precisión de cada elemento en segundos. Quizás otros puedan editar esta respuesta para completar otros dispositivos electrónicos.

  • \ $ 10 ^ {- 1} \ $ (10%): latido del corazón humano
  • \ $ 10 ^ {- 2} \ $ (1%): oscilador de la horquilla de afinación
  • \ $ 10 ^ {- 3} \ $ (0.1%): diapasón de precisión
  • \ $ 10 ^ {- 4} \ $ (100 ppm): oscilador mecánico
  • \ $ 10 ^ {- 5} \ $ (10 ppm): red eléctrica de CA (más de 1 segundo, el promedio a largo plazo es mejor)
  • \ $ 10 ^ {- 6} \ $ (1 ppm): oscilador de cristal de reloj de cuarzo
  • \ $ 10 ^ {- 7} \ $ (100 ppb): Cronómetro de la Armada de la década de 1940 (parece un elegante reloj de pared)
  • \ $ 10 ^ {- 8} \ $ (10 ppb): reloj de péndulo de alta tecnología
  • \ $ 10 ^ {- 9} \ $ (1 ppb): rotación de la Tierra
  • \ $ 10 ^ {- 10} \ $: oscilador de cristal controlado por horno (OCXO)
  • \ $ 10 ^ {- 11} \ $: Buena OCXO
  • \ $ 10 ^ {- 12} \ $: Excelente OCXO
  • \ $ 10 ^ {- 13} \ $: oscilador Rubidium
  • \ $ 10 ^ {- 14} \ $: Oscilador de cesio (a corto plazo) o cuarzo BVA (a corto plazo extremo)
  • \ $ 10 ^ {- 15} \ $: Maser de hidrógeno (a corto plazo) o oscilador de cesio (a largo plazo)

Por supuesto, la precisión no es lo mismo que la precisión. El maser de hidrógeno suena realmente emocionante hasta que te das cuenta de que solo oscila a 1.4 GHz. Un estándar de frecuencia preciso es solo una parte de la imagen. Además, algunos de estos osciladores solo logran su mejor rendimiento después de un largo período de calentamiento. Algunos sufren de deriva a largo plazo.

    
respondido por el Adam Haun
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medir las diferencias de tiempo de la recepción de ondas de radio

Esto está relacionado con interferometría , ¿no es así? Esto tiende a hacerse no tanto midiendo el tiempo de llegada de las señales contra un cronómetro rápido de algún tipo, sino midiendo las diferencias de fase. Si tiene una señal de 1 GHz y puede medir su fase dentro del 1%, en realidad es más útil que un reloj de muestra de 10 GHz.

    
respondido por el pjc50
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existen componentes que proporcionan relojes mucho más rápidos que una CPU típica, como por ejemplo hasta 10 GHz o más.

Como se mencionó en otras respuestas, actualmente es posible obtener VCO de semiconductores con frecuencia de salida en el rango de 20-30 GHz. Para la estabilidad, estos osciladores normalmente deben usarse en un bucle de bloqueo de fase (PLL) referenciado a un oscilador de cristal de alta estabilidad a una frecuencia más baja (50-200 MHz es común).

  

proyectos de alta velocidad, como la medición de las diferencias de tiempo de recepción de ondas de radio

Desafortunadamente, si desea medir la diferencia de tiempo entre dos eventos, un oscilador de alta frecuencia no es necesariamente el mayor desafío. Diseñar su sistema de medición para que la señal del reloj llegue a dos circuitos de medición con el mismo retardo (o con una diferencia conocida en los retardos) es más difícil que encontrar un oscilador de 20 GHz. Diseñar los circuitos de muestra para que reaccionen al estímulo de entrada con un retraso constante es otro desafío.

    
respondido por el The Photon
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Puede comprar comercial osciladores que se ejecutan hasta 6+ Ghz sin demasiados problemas.

Se pueden hacer osciladores de frecuencia más alta, pero generalmente tienen que diseñarse para un uso específico, porque solo el empaquetado del dispositivo comienza a ser problemático a frecuencias muy altas.

En general, este tipo de osciladores no son tan precisos, al menos por sí mismos. Por lo general, se emplean en algo llamado bucle de fase bloqueada , que utiliza un oscilador de baja frecuencia y alta precisión para "disciplina" el oscilador de frecuencia más alta, comparando la fase de los dos relojes, y utilizando esa comparación para modular el voltaje de control al VCO.

También es posible multiplicar una frecuencia más baja hasta una frecuencia más alta, lo que puede permitir las partes más complejas de un sistema de oscilador (el VCO) se ejecutan a una frecuencia más accesible (y comprobable), mientras que aún tienen una salida de alta frecuencia.

A medida que la frecuencia aumenta, los sistemas de osciladores se vuelven aún más exóticos:

respondido por el Connor Wolf

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