Sono curioso da un po 'di tempo ormai ... e mi chiedevo se esistessero componenti che forniscono clock molto più veloci di una tipica CPU, come fino a 10 GHz o superiore.

Gli oscillatori optoelettronici (OEO) sono oscillatori che prendono un segnale fotonico, come un laser a pompa, lo modulano e lo convertono in un segnale elettrico utilizzando un fotodiodo. I segnali generati da questi OEO hanno un fattore Q estremamente alto e quindi un jitter molto basso. Di seguito è riportato un diagramma di un OEO, tratto da questa panoramica degli OEO. L'attenzione qui è sulla stabilità ultraelevata, non su un'uscita ad alta frequenza. Ma ci sono anche OEO che raggiungono alte frequenze, ad esempio questo OEO dual-loop raggiunge un intervallo di sintonizzazione da 32 a 42,7 GHz.

Oltre agli oscillatori fotonici, i sintetizzatori di frequenza possono fornire clock superiori a 10 GHz. Come hanno già detto altre risposte, questi possono raggiungere frequenze molto superiori a 10 GHz. Ad esempio, Analog Devices crea un sintetizzatore di frequenza che genera frequenze fino a 13,6 GHz. Inoltre, i sintetizzatori generano le ferquenze per generatori di segnali come questo, che può raggiungere i 67 GHz.

Ecco una breve panoramica dei sintetizzatori se vuoi leggere it.

Un sintetizzatore è composto da un PLL (che contiene un VCO) e talvolta anche un microcontrollore come mezzo per regolare il PLL digitalmente.

Citando da un Tutorial di Analog Devices sui PLL:

Un anello ad aggancio di fase è un sistema di feedback che combina un VCO e un comparatore di fase in modo tale che l'oscillatore mantenga un angolo di fase costante rispetto a un riferimento segnale. I circuiti ad aggancio di fase possono essere utilizzati, ad esempio, per generare segnali di uscita ad alta frequenza stabili da un segnale a bassa frequenza fisso.

Un VCO (Voltage Controlled Oscillator) è un circuito che genera una frequenza di uscita controllata da una tensione di sintonia. Un modo per implementare un VCO è applicare la tensione di sintonizzazione ai varactors, che regola la capacità del serbatoio LC nel circuito e genera una frequenza diversa.

Fondamentalmente, un PLL viene utilizzato per generare un multiplo di fase di una frequenza di riferimento inferiore. Vengono utilizzati per sincronizzare convertitori di dati, che possono arrivare a più GSPS e anche CPU.

Oltre ai PLL, ci sono una varietà di oscillatori a cristallo (TCXO, OCXO, Sapphire Oscillators, GPS disciplinati Oscillator, eccetera.). Tuttavia, a differenza dei sintetizzatori, emettono una frequenza fissa. Di solito sono progettati per rumore di fase ultra-basso e stabilità a lungo termine, non per frequenze di uscita elevate. A causa di queste caratteristiche, vengono spesso utilizzati come riferimento per i PLL.

Non conosco le alte frequenze, ma su LeapSecond.com c'è un set accurato di diapositive che intraprende un viaggio in stile Powers of Ten attraverso vari livelli di precisione negli standard di cronometraggio . Ecco l'elenco con la precisione per ogni elemento in secondi. Forse altri possono modificare questa risposta per riempire altri dispositivi elettronici.

• \ $ 10 ^ {- 1} \ $ (10%): battito cardiaco umano
• \ $ 10 ^ {-2} \ $ (1%): oscillatore a diapason
• \ $ 10 ^ {- 3} \ $ (0,1%): diapason di precisione
• \ $ 10 ^ {- 4} \ $ (100 ppm): oscillatore meccanico
• \ $ 10 ^ {- 5} \ $ (10 ppm): elettricità CA di rete (oltre 1 secondo, la media a lungo termine è migliore)
• \ $ 10 ^ {- 6} \ $ (1 ppm): oscillatore a cristalli per orologio al quarzo
• \ $ 10 ^ {- 7} \ $ (100 ppb): cronometro della marina anni '40 (sembra un orologio da parete fantasia)
• \ $ 10 ^ {- 8} \ $ (10 ppb): orologio a pendolo high-tech
• \ $ 10 ^ {- 9} \ $ (1 ppb) : Rotazione terrestre
• \ $ 10 ^ {- 10} \ $: oscillatore a cristallo controllato da forno (OCXO)
• \ $ 10 ^ {- 11} \ $: OCXO buono
• \ $ 10 ^ {- 12} \ $: OCXO eccellente
• \ $ 10 ^ {- 13} \ $: oscillatore al rubidio
• \ $ 10 ^ {- 14} \ $: Oscillatore al cesio (a breve termine) o quarzo BVA (a breve termine estremo)
• \ $ 10 ^ {- 15} \ $: maser all'idrogeno (a breve termine) o oscillatore al cesio (a lungo termine)

Ovviamente la precisione non lo è lo stesso della precisione. Il maser a idrogeno sembra davvero eccitante finché non ti rendi conto che oscilla solo a 1,4 GHz. Uno standard di frequenza accurato è solo una parte dell'immagine. Inoltre, alcuni di questi oscillatori raggiungono le migliori prestazioni solo dopo un lungo periodo di riscaldamento. Alcuni soffrono di deriva a lungo termine.

misurare le differenze di tempo nella ricezione delle onde radio

Questo è correlato all ' interferometria , non è vero? Ciò tende a essere fatto non tanto misurando il tempo di arrivo dei segnali rispetto a un cronometro veloce di qualche tipo, ma misurando le differenze di fase. Se hai un segnale da 1 GHz e puoi misurare la sua fase entro l'1%, in realtà è più utile di un clock di campionamento a 10 GHz.

esistono componenti che forniscono clock molto più veloci di una tipica CPU, come fino a 10 GHz o superiore.

Come menzionato in altre risposte, è attualmente possibile ottenere VCO a semiconduttore con frequenza di uscita nell'intervallo 20-30 GHz. Per la stabilità, questi oscillatori in genere devono essere utilizzati in un anello ad aggancio di fase (PLL) riferito a un oscillatore a cristallo ad alta stabilità a una frequenza inferiore (50-200 MHz è comune).

alta velocità progetti, come misurare le differenze di tempo nella ricezione delle onde radio

Sfortunatamente, se vuoi misurare la differenza di tempo tra due eventi, un oscillatore ad alta frequenza non è necessariamente la sfida più grande. Progettare semplicemente il sistema di misurazione in modo che il segnale di clock arrivi a due circuiti di misurazione con lo stesso ritardo (o con una differenza nota nei ritardi) è più difficile che trovare un oscillatore a 20 GHz. Progettare i tuoi circuiti campione per reagire allo stimolo di input con un ritardo costante è un'altra sfida.

Puoi acquistare oscillatori commerciali che funzionano fino a 6+ Ghz senza troppi problemi.

È possibile realizzare oscillatori a frequenza più alta, ma generalmente devono essere progettati per un uso specifico, perché solo la confezione del dispositivo inizia a diventare problematica alle frequenze molto alte.

In generale, questi tipi di oscillatori non sono così precisi, almeno da soli. Di solito vengono impiegati in qualcosa chiamato loop ad aggancio di fase, che utilizza un oscillatore a frequenza più bassa e ad alta precisione per "disciplinare" l'oscillatore a frequenza più alta, confrontando la fase dei due clock e utilizzando quel confronto per modulare la tensione di controllo al VCO.

È anche possibile moltiplicare una frequenza più bassa fino a una frequenza più alta, il che può consentire le parti più complesse di un sistema oscillatore (il VCO) per funzionare a una frequenza più accessibile (e verificabile), pur avendo un'uscita ad alta frequenza.

Man mano che la frequenza diventa ancora più alta, i sistemi di oscillatori diventano ancora più esotici:

• Oscillatore YIG
• Risonatori Dielettrici
• Alcune immagini di un Dielettrico Resonator Oscillator (DRO)