RC에서 원자 시계까지: 모든 클록 소스

현대 회로에서, 특히 디지털 회로가 관련되어 있는 경우에는 어떤 종류의 클록 소스를 찾을 수 있습니다. 모든 클록 소스는 안정성, 신뢰성, 크기, 전력 소비 및 비용과 관련하여 일련의 절충점을 제시합니다.

다행히도, 이러한 절충점은 상대적으로 간단하며 이 단일 기사 내에서 거의 완전히 설명될 수 있습니다. 555 구동 발진기의 RC부터 수소 마세르 원자 시계에 이르기까지 각 클록 소스의 장단점을 논의할 것입니다.

시작해봅시다!

완화 및 지연 소스

RC 완화

완화 발진기는 스위칭 장치(보통 BJTs, JFETs, Mosfets, 또는 디지털 게이트)와 충전을 저장하는 커패시터로 구성됩니다. 커패시터는 정의된 전압 수준까지 충전되고, 장치의 상태가 변경되며 커패시터가 방전됩니다. 회로는 충전 상태와 방전 상태 사이를 진동합니다.

완화 발진기는 사인파 신호를 생성하지 않습니다. 대신, 톱니파 신호와 사각파를 생성합니다.

RC 완화 발진기의 전형적인 예는 유명한 NE555입니다. 이 유형의 발진기에 대한 매개변수는 아래에서 찾을 수 있습니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-2부터 10^-3까지
조정 가능성	10:1 이상
주파수 범위	Hz부터 수십 Mhz까지
비용	매우 낮음

 

지연 및 위상 변위 발진기

 

아날로그 회로를 발진시키기 위한 요구 사항은 피드백 루프에서 단위 이득에서 180도 위상 변위입니다. 일련의 RC 요소들은 발진을 달성하기 위해 필요한 180도 변위까지 신호의 위상을 이동시킬 수 있습니다.

신호에서 적절한 지연을 제공하는 장치, 예를 들어, 직렬로 연결된 일련의 NOT 포트나 충분히 긴 와이어 스풀을 사용하여 같은 효과를 얻을 수 있습니다.

지연 발진기는 일반적으로 다른 유형의 발진기에 비해 안정성이 떨어지는데, 그 정도가 심해서 반도체 제조업체들이 웨이퍼를 테스트하는 데 사용합니다. 왜냐하면 그 성능은 온도에 크게 의존하기 때문입니다.

종종 직렬로 연결된 NOT 포트는 그렇게 불안정해서 발진기의 주파수 변동을 진정한 난수 생성기로 사용할 수 있습니다.

Parameter	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-2에서 10^-3
조정 가능성	10:1 이하
주파수 범위	10Mhz에서 수백 Mhz
비용	다른 IC의 일부일 때 매우 낮음

 

공진기

 

이완과 지연 소스를 고려할 때, 그들의 명목 주파수가 높을수록 설계가 더 비현실적이 됩니다.

공진기는 공진 현상을 보이는 장치나 시스템으로, 특정 주파수에서 더 높은 진폭으로 진동합니다.많은 종류의 공진기에서, 이러한 주파수는 상대적으로 좁고 안정적이어서 훌륭한 발진기가 됩니다.

공진기는 그들의 전기적 특성(예: LC 공진기), 전기기계적 특성(예: 세라믹, 결정체, MEMS), 전자기파 전파 또는 원자 시계에 대한 원자적 특성으로 인해 공진할 수 있습니다.

거의 모든 것이 공진기가 될 수 있습니다, 고층 건물부터 당신의 폐강까지. 원한다면, 다음 시계 소스로 진자를 사용할 수도 있지만, 이 글에서는 전자 산업에서 시계 신호를 생성하기 위해 널리 사용되는 공진기에 범위를 제한하겠습니다.

LC 공진기

LC 공진기는 수백 메가헤르츠 미만의 무선 라디오가 전 세계를 지배하던 시절 가장 널리 사용되던 발진기 종류였습니다.

이들은 어떤 종류의 LC 네트워크가 증폭기에 연결되어 있으며, 증폭기는 긍정적인 피드백을 제공합니다. LC 발진기의 가장 일반적인 유형은 콜피츠와 하틀리

입니다. LC 공진기는 약간의 조정만 가능합니다. 초기 라디오는 가변 인덕터나 가변 커패시터를 사용했지만, 주파수를 전자적으로 조정하려는 목표가 있다면, LC에서 'C'를 변경하는 것이 유일한 실용적인 방법입니다. 트릭은 전압에 따라 변하는 역방향 바이어스 커패시턴스를 나타내는 역극성 다이오드 접합을 사용하는 것입니다.

특별히 설계된 다이오드인 바랙터는 커패시턴스에서 최대 15:1 비율까지 조정할 수 있습니다. 바랙터는 DC 역방향 바이어스 전류를 제거하기 위해 직렬로 커패시터를 배치함으로써 우수한 전압-커패시턴스 변환기로 변환될 수 있습니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-3에서 10^-5
조정 가능성	보통
주파수 범위	킬로헤르츠에서 수백 메가헤르츠
비용	낮음

 

크리스탈/XTAL

 

적절히 선택된 구성 요소를 가진 RC 발진기는 0.1%의 안정성을 가질 수 있습니다. LC 발진기는 약 0.01%로 조금 더 나은 성능을 보입니다. 결정체는 곧 보게 될 것처럼 훨씬 더 좋은 성능을 낼 수 있습니다.

결정 발진기의 기능은 압전 효과와 그에 따른 역 압전 효과 덕분입니다. 압전 재료가 기계적으로 자극을 받으면 전기 신호를 생성합니다. 반대로, 동일한 재료에 전기 자극을 가하면 기계적 움직임이 발생합니다.

압전 재료를 적절한 모양으로 절단하고 두 전극을 적용하면, 전기적으로 자극하여 음파를 생성할 수 있습니다. 이 음파는 왕복하면서 전압도 생성합니다. 압전 효과는 18세기 중반에 처음 문서화되었습니다.

일반적으로 결정 발진기는 전기적으로 저항, 인덕턴스 및 직렬로 연결된 커패시터와, 도금된 접촉 부위와 구성 요소 리드의 기생 커패시턴스로 인해 RLC 직렬에 병렬로 연결된 추가 커패시터로 모델링할 수 있습니다.

모든 결정체는 하나의 공진 모드가 아니라 두 가지, 즉 직렬 및 병렬 공진 모드를 가지고 있습니다.

시리즈 공진 모드에서는 C1과 L1이 공진하며, C0은 과정에 관여하지 않습니다. 병렬 공진 모드에서는 C0과 C1이 L1과 함께 공진합니다.

크리스탈 발진기가 필요한 IC를 사용할 때는 해당 부품이 시리즈 또는 병렬 중 어떤 공진 모드로 지정되었는지 제조업체가 명시했는지 확인해야 합니다. 그들의 공진 주파수는 다를 것입니다.

병렬 공진 모드에서는 병렬로 두 번째 커패시터를 배치하여 C0의 값을 변경할 수 있습니다. VCXO(전압 제어 크리스탈 발진기)는 주요 크리스탈에 병렬로 바랙터를 사용하여 자주 만들어집니다.

파라미터	값
안정성(낮을수록 좋음)	10^-5
조정 가능성	10^-4
주파수 범위	수 Khz에서 수 Mhz
비용	중간

 

세라믹 공진기(SAW 발진기와 혼동하지 말 것)

 

크리스탈과 마찬가지로 세라믹 공진기도 압전 소자이지만, 석영이 아닌 세라믹으로 만들어집니다.

세라믹 공진기는 석영 발진기와 유사한 전기적 특성을 가지고 있지만, 정밀도가 떨어지며(일반적으로 초기 주파수 정확도 0.3%) 시간과 온도에 따른 안정성이 떨어집니다(0.2-1%). 좋은 소식이라면? 그들은 엄청나게 저렴합니다!

세라믹 공진기는 크리스탈 발진기와 RC 사이에 그렇지 않으면 비어 있을 틈새를 채우며, 종종 전자적으로 전자와 호환됩니다.

파라미터	값
안정성(낮을수록 좋음)	10^-5
조정 가능성	10^-4
주파수 범위	수 Khz에서 수 Mhz까지
비용	낮음-중간

TCXO

 

온도 보상 크리스탈 발진기(TCXO)는 표준 크리스털을 개선한 것으로, 넓은 온도 범위에서 안정된 주파수가 필요할 때 종종 필요합니다. 예를 들어 산업용이나 자동차 온도 범위에서 RTC(실시간 시계)를 사용할 때 특히 그렇습니다.

이들은 주로 병렬 공진 모드를 사용하고 앞서 설명한 바와 같이 병렬 등가 커패시터 C0의 용량을 바랙터로 변경하여 온도 변화에 따른 주파수의 편차를 보상하는 활성 회로를 포함합니다.

고급 모델에는 마이크로프로세서, 아날로그-디지털 회로 및 조회 테이블이 포함되어 있으며, 10년에 걸쳐 1ppm의 주파수 변화를 나타낼 수 있습니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-6에서 10^-7
조정 가능성	10^-4
주파수 범위	수 Khz에서 수 Mhz
비용	중간

 

OCXO

 

오븐 제어 크리스탈 발진기(OCXO)는 크리스탈 발진기로 가능한 최고의 주파수 안정성을 달성할 수 있으며, 실제로 원자 소스를 어떤 형태로든 사용하지 않고서는 가능한 최고의 주파수 안정성을 달성할 수 있습니다.

OCXO에서는 일반적으로 섭씨 80도에서 90도 사이의 특정 온도에서 널 온도 계수를 나타내는 특정 종류의 결정이 전자 제어 오븐에 의해 가열된 상태로 유지됩니다. 이러한 방식으로 온도 계수는 두 가지 다른 방식으로 무효화됩니다. 즉, 온도를 최대한 안정화하는 방식과 애초에 온도가 0인 영역에서 작동하는 방식입니다.

OCXO, 특히 추가 단열을 감당할 수 있는 더 큰 OCXO는 온도 편차를 수정하는 데 매우 뛰어나므로 남은 주요 오류는 결정 노화입니다. 일부 OCXO에는 정교한 알고리즘을 사용하여 노화를 보상하기 위해 마이크로컴퓨터가 통합되어 있습니다. 그러나 기계적 충격과 기타 예측할 수 없는 물리적 자극으로 인해 항상 표류할 수 있습니다.

OCXO를 사용하는 단점은 높은 비용과 히터로 인한 온도 소모가 높다는 것입니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-8에서 10^-9
조정 가능성	10^-4
주파수 범위	일반적으로 10Mhz
비용	높음

 

MEMs

 

MEMs, 또는 미세기계 장치는 일반적으로 집적 회로 제조에 사용되는 과정과 유사한 방식으로 실리콘을 사용하여 제조됩니다.

현재 가장 작은 결정 발진기는 River Electronics의 FCX-08로, 크기는 1.2×1.0mm입니다. 결정이 더 작더라도, 시간이 지나면서 좋은 사양을 유지하려면 환경 오염과 공기로부터 보호가 필요하며, 이는 밀봉된 포장을 통해 이루어집니다. 포장은 납땜(“크고 저렴한” 모델용)이나 전자빔 용접(더 작지만 비쌈)으로 제공됩니다.

MEMs 발진기는 결정 발진기보다 훨씬 작을 수 있습니다. 최신 세대의 아이폰은 SiTime에서 제조한 MEMs 발진기를 사용하며, 크기는 0.42x0.42mm이고 웨이퍼 수준의 패키지로 제공됩니다.

MEMs는 또한 결정 발진기보다 낮은 전력 소비를 보입니다.

매개변수	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-5
조정 가능성	10^-4
주파수 범위	10KHz에서 10MHz
비용	높음

 

SAW

 

표면 음향파(SAW) 발진기는 결정 발진기와 유사하게 작동합니다. 결정이 전체적으로 휘어지는 대신, SAW 발진기는 표면 음향파를 사용합니다. 일반적으로 입력 트랜스듀서와 출력 트랜스듀서가 있으며 아날로그 지연선처럼 동작합니다.

SAW는 일반적으로 세라믹으로 제작되며, 석영 모델도 존재합니다.

SAW는 주파수 범위가 수백 MHz에 달할 수 있어, 석영 발진기의 수십 메가헤르츠보다 훨씬 높은 주파수를 제공합니다.

SAW는 433MHz와 같은 일반적인 RF 주파수의 저비용 시계원으로 적합할 수 있습니다. 덜 일반적인 주파수는 상대적으로 비쌀 수 있으며, 종종 발진기 및 PLL IC보다 비쌉니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-4
조정 가능성	10^-4
주파수 범위	100MHz대
비용	중간

캐비티 공진기

 

캐비티 공진기는 일반적으로 마이크로파 주파수에서 사용되며, 가장 일반적인 예는 전자레인지에서 볼 수 있는 캐비티 마그네트론입니다.

이들은 고출력 RF 응용에 제한되어 사용되므로, 여기서는 더 이상 다루지 않습니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-5
조정 가능성	기계적
주파수 범위	GHz에서 수십 GHz
비용	높음

 

유전체 공진기

 

유전체 공진기는 주로 바륨 타이타네이트와 같은 유전체 재료로 만들어지며, 캐비티 발진기를 대체하는 데 사용됩니다. 유전체 공진기는 RF PCB에 표면 실장 부품처럼 부착할 수 있습니다. 예를 들어, 인기 있는 HB100 도플러 모듈에 사용됩니다.

파라미터	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-4
조정 가능성	기계적
주파수 범위	GHz에서 수십 GHz
비용	중간

원자 시계

 

OCXO 결정 발진기가 안정성과 정확도 면에서 충분하지 않다면, 원자 시계는 생각보다 작고 저렴할 수 있습니다.

루비듐

루비듐 원자 시계는 가장 저렴한 원자 시계입니다. 루비듐 방전 램프(작은 수은 램프와 유사하며, 거리의 가로등에 사용되는 램프)가 루비듐 증기가 전자기장에 노출될 때, 약 0.1%의 빛 출력을 감소시킵니다. 이 전자기장의 주파수는 루비듐의 초미세 전이 주파수인 6.834,682,612 GHz에 근접합니다.

마이크로파 장치의 주파수는 모든 루비듐 시계에 존재하는 10MHz 결정 발진기에서 합성됩니다. 빛의 강도가 감소하면, 마이크로컨트롤러는 주파수가 정확히 6.834,682,612 GHz임을 인식하고 결정 발진기를 이에 맞춰 조정할 수 있습니다.

루비듐 시계는 시간이 지날수록 점점 더 작아져, 이제는 DC-DC 변환기와 유사한 패키지로 30g 이하의 무게로 제공됩니다.

매개변수	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-10
조정 가능성	-
주파수 범위	10MHz만 해당
비용	200-2000USD

 

GPS/GNSS 규제 발진기

 

휴대폰에 탑재된 GPS 수신기는 다양한 위성에서 신호가 도달하는 시간을 비교하여 자신의 위치를 삼각 측량합니다.

이 작업을 성공적으로 수행하려면 위성에 매우 정밀한 원자 시계가 장착되어 있어야 합니다. GPS 위성은 보통 루비듐 원자 시계를 사용하고 있으며, 더 최신의 갈릴레오 시스템은 중복된 수소 마이저와 루비듐 원자 시계를 결합하여 훨씬 더 높은 안정성을 달성할 수 있습니다.

두 시스템 모두 위성에서의 신호는 지상의 원자 시계 네트워크와 비교되어 여러 번 하루에 교정됩니다.

따라서 GPS 시스템은 뛰어난 장기적인 안정성을 제공합니다. 그러나 대기 간섭으로 인해 단기 안정성은 좋지 않습니다.

TXCO 및 OCXO는 루비듐 백업 장치를 갖추고 GPS 신호에 동기화되어 단기 및 장기 안정성을 합리적인 비용으로 달성할 수 있습니다.

또한, GPS는 시간을 알려주는 시계 신호뿐만 아니라 날짜와 시간을 제공하여 RTC(실시간 시계)로도 작동합니다.

매개변수	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-13 (장기)
조정 가능성	-
주파수 범위	10MHz만 해당
비용	50-2000USD

세슘, 수소 마이저 및 기타 고급 원자 시계

 

수소 마이저는 10만 달러 이상이 들 수 있지만, 세슘 원자 시계는 더 저렴해져 많은 데이터 센터에서 사용되고 있습니다. 많은 데이터 센터는 GPS 규제 발진기를 사용할 수 없는데, 이는 전자기 방해에 민감하여 미국이 전쟁을 선언하면 작동이 멈출 수 있기 때문입니다.

수소 마이저는 상용화된 모든 원자 시계 중에서 유일한 "실제 및 직접적인" 발진기로, 단기적으로도 매우 신뢰할 수 있으며, 세슘 및 수소 시계는 여전히 기본 시간 기준에 동기화된 보조 발진기가 필요합니다.

매개변수	값
안정성 (낮을수록 좋음)	10^-14 (수소 마이저)
조정 가능성	-
주파수 범위	10MHz만 해당
비용	5000-500000USD

결론

 

우리는 시장에서 사용 가능한 모든 시계 소스를 논의했습니다. 이 글이 각 솔루션의 장단점에 대한 더 나은 이해를 제공했기를 바랍니다.

클록 소스는 특히 단일 클록 신호에서 여러 하위 회로를 통합하거나 외부 리소스와 통신할 때 선택이 시스템의 안정성과 성능에 깊은 영향을 미칠 수 있는 드문 종류의 구성 요소입니다. 예를 들어, TLS 또는 기타 개인/공개 키 암호화 체계와 같은 암호화된 프로토콜을 통해 통신하는 모든 최신 장치에는 정확한 시간 유지 기능이 있어야 합니다. 이를 분실하면 귀하의 장치는 더 이상 서버와 통신할 수 없게 됩니다.

마찬가지로, 디지털 아날로그 설계의 부정확한 RC 클록은 연결된 ADC 및 DAC, 특히 SAR(Successive Approximation Registrator) ADC 및 델타-시그마 ADC 및 DAC의 성능을 변경할 수 있습니다.

또한 클록 소스는 종종 변덕스러운 장치일 수 있습니다. 석영 크리스털을 보상하기 위해 잘못된 커패시터를 사용하거나 단순히 온도 계수가 높은 커패시터를 선택하면 장치가 파손되거나 신뢰할 수 없는 상태 사이에서 진동하게 됩니다.

구성 요소를 정확하게 선택하고 추적하여 적절한 오실레이터와 적절한 커패시터만 보드에 맞는지 확인하는 것이 가장 중요합니다. 이를 달성하려면 두 가지 작업을 수행해야 합니다.

• 프로젝트의 적절한 수정 및 릴리스 관리를 보장하십시오.
• 각 부품이 BOM에서 적절하게 식별되었는지 확인하십시오.

Concord Pro®는 특히 Altium 365®에서 Octopart의 데이터에 완전히 액세스할 수 있을 때, 두 가지 모두를 처리합니다.

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프로젝트는 또한 완전한 추적 가능성을 보장하기 위해 관리되어야 하며, 이는 이전 기사에서 논의된 바 있습니다. 이 예제에서는 Mark Harris의 팬 컨트롤러 프로젝트를 클라우드로 마이그레이션하는 데 몇 번의 클릭만 필요합니다.

Altium Designer®의 설계 도구는 새로운 기술을 따라갈 수 있는 모든 기능을 제공합니다. 오늘 저희와 상담하여 다음 PCB 설계를 어떻게 개선할 수 있는지 알아보세요.