VCXO(Voltage-Controlled Crystal Oscillator)를 클록 (CLK) 발생기로 사용
개요: "VCXO"(Voltage Controlled Crystal Oscillator)는 크리스털로 주파수가 결정된 발진기이지만, 제어 전압을 변경하여 약간 조정될 수 있다. VCXO 클록 (CLK) 발생기는 디지털 TV, 디지털 오디오, ADSL 및 STB 등 다양한 애플리케이션에서 사용되어 왔다. 이 애플리케이션 노트는 VCXO CLK 발생기의 일반 구조, 주요 성능 측정치, PCB 설계 가이드 및 MPEG2 및 AC-3 오디오 애플리케이션 용 VCXO CLK 발생기 칩인 MAX9485에 대한 테스트 설정을 제공한다.
VCXO CLK 발생기의 구조와 애플리케이션
"VCXO"(Voltage Controlled Crystal Oscillator)는 크리스털에 의해 결정된 주파수로 발진하지만, 이 주파수는 일반적으로 0V ~ 2V 또는 0V ~ 3V 범위에서, 제어 전압에 의해 소폭 조정될 수 있다. VCXO의 동조 범위는 약 ±100ppm ~ ±200ppm이다. 그림 1은 기본적인 VCXO CLK 발생기의 구조와 크리스털의 회로 모델을 나타낸 것이다.
그림 1. 기본적인 VCXO CLK 발생기의 블록 다이어그램
배랙터 CV1과 CV2의 커패시턴스가 변경되면 크리스털 모델이 영향을 받으며 발진 주파수가 변경된다. 두 개의 외부 션트 커패시터 CS1과 CS2는 동조 범위를 조정하고 중심 주파수를 오프셋하기 위해 사용된다. 수학적으로, 그림 1의 크리스털 회로에 따라 크리스털의 공진 주파수는 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기에서 CL은 CV1, 2와 CS1, 2에서 나온 총 합계인 등가 부하 커패시터이다. 더 정확하게 말하면, CL = (CV 1 +CS1) || (CV2 + CS2)이다. 1차 근사값을 취하고 C1 << C0 및 CL이라는 사실을 고려할 때, 다음과 같은 fC에 대해 주파수 증가분을 얻을 수 있다.
그림 2는 CS1 값 측면에서 fC의 기본 도표를 나타낸 것이다. 여기에서 CS1 = CS2이다.
그림 2. VCXO 주파수 vs. 션트 커패시터 CS1 (CS1 = CS2)
이 마이크로 동조 기능을 사용할 경우, 일반적으로 VCXO과 PLL을 결합하여 마이크로 동조를 갖춘 CLK 발생기를 생성한다.
VCXO CLK 발생기는 디지털 TV, 디지털 오디오, ADSL 및 STB와 같은 다양한 애플리케이션에 사용되어 왔다. Maxim의 MAX9485는 MPEG-2 및 돌비 디지털 오디오 (AC-3) 애플리케이션을 위해 설계된 CLK 발생기 칩이다[1]. 이 칩은 오디오 디지털-아날로그 컨버터에 사용되는 거의 모든 주파수를 제공할 수 있으며, 12KHz에서 최대 96KHz까지 주파수 샘플링을 지원한다. Maxim은 또한 다른 애플리케이션을 위한 VCXO CLK 발생기도 개발하고 있다.
VCXO CLK 발생기의 주요 매개변수
VCXO CLK 발생기를 특성화하는 많은 매개변수가 있으며, 그 중 가장 중요한 매개변수는 동조 전압 범위, 중심 주파수, 풀링(동조) 범위 및 출력 CLK의 지터이다.
동조 전압 범위는 VCXO 제어 전압의 변동 범위이다. 이 전압은 배랙터의 커패시턴스를 제어한다. 일반적으로 이 전압의 범위는 0V ~ 2V 또는 0V ~ 3V이다. 중심 주파수는 VCXO의 출력 주파수 범위의 중앙에 존재하는 주파수이다. 풀링 범위는 상위(또는 하위) 주파수 변동 대 중심 주파수의 비율이다. 이 비율은 ppm(part per million)으로 표시된다. 이 측정치는 VCXO의 상대 풀링 범위를 제공한다. 통상적으로 풀링 범위는 VCXO 구조와 선택된 크리스털에 따라 약 100ppm ~ 200ppm이다.
CLK 지터는 CLK 발생기의 주요 측정치이다. 몇 가지 지터 정의가 있으며, 가장 자주 사용되는 두 가지 지터 측정치는 "주기" 지터와 "사이클-투-사이클" 지터이다. 이들에 대해서는 섹션 4에서 자세히 설명한다. 지터는 CLK 발생기의 구조에 따라 다르며 칩마다 다르고 CLK 발생기에 대한 지터 요구사항도 애플리케이션에 따라 다르다.
크리스털 선택 및 보드 설계
VCXO CLK 발생기의 품질과 특성은 크리스털 선택과 PCB 레이아웃에 영향을 받을 수 있다. VCXO 애플리케이션을 위해 주파수, 패키지, 정밀도 및 동작 온도 범위 외에 크리스털을 선택할 때, 사용자는 등가 직렬 저항 및 부하 커패시턴스에도 주의를 기울여야 한다. 직렬 저항은 크리스털의 전력 소비 크기를 제공한다. 저항값이 작을수록 발진기의 시동은 더 쉽다. 부하 커패시턴스는 크리스털의 중요한 매개변수이다. 무엇보다 이 커패시턴스는 크리스털의 공진 주파수를 결정한다. 일반적으로 크리스털의 표시 주파수는 지정된 부하 커패시턴스를 크리스털과 병렬로 연결한 후 크리스털의 공진 주파수를 의미한다. 이 표시 주파수는 CL이 지정된 부하 커패시턴스와 같을 때 공식 (1)에서 얻어진 값과 같지만, 이것은 π √L1C1)에서 얻어진 값은 아니다. 따라서, VCXO의 동조 범위는 CL 값과 밀접한 관련이 있는 것이 분명하다. 부하 커패시턴스의 작은 값에 대해 VCXO 동조 범위는 상위면에서 제한되고, 마찬가지로 커패시턴스의 큰 값은 하위면의 동조 범위를 감소시킨다. 사용할 부하 커패시턴스의 적합한 값은 VCXO의 특성에 따라 다르다. 예를 들어, MAX9485 설계에서, 동조 범위, 동조 곡선의 중심 및 보드 설계의 용이성의 균형을 유지하기 위해 우리는 Ecliptek (ECX-5527-27) 사의 14pf 부하 커패시턴스가 있는 27MHz 크리스털을 선택하였다[2]. 이러한 크리스털을 사용하여 MAX9485는 ±200ppm의 풀링 범위를 제공할 수 있다(그림 3 참조). 크리스털의 풀링 범위도 패키지에 따라 달라진다는 것을 언급해야 한다. 일반적으로, 금속 캔 패키지는 표면 실장 소자(SMD)에 비해 풀링 범위가 크다. 그러나, 최근에 DAISHINKU Corp[5]사는 금속 캔 크리스털과 유사한 풀링 범위를 제공할 수 있는 새로운 SMD 크리스털을 제조하였다. 이 SMD 크리스털(DSX530GA)을 테스트한 결과, 두 개의 4pf 션트 커패시터를 사용할 경우 공조 범위가 약 ±200ppm임이 밝혀졌다(그림 4 참조).
그림 3.
그림 4.
VCXO의 동조 범위를 제한하기 위해서는 외부 션트 커패시터를 변화시킴으로써 상위 범위를 설정할 수 있다. 션트 커패시터의 값은 보드 기생 커패시턴스에 따라 4ps ~ 7ps의 범위에 있다. 한편, 하위 범위는 외부적으로 변경될 수 없는 내부 배랙터 값에 의해 결정된다. 기생 커패시턴스가 상위 동조 범위에 미치는 영향을 감소시키기 위해, 보드 레이아웃에서 접지에 대한 크리스털 핀의 기생 커패시턴스를 최소화하여 접지 및 전원 계획에 따라 핀 간에 충분한 여유 공간을 제공해야 한다. 세부 보드 레이아웃에 대해서는 MAX9485 EV 킷을 참조한다[4].
출력 CLK 지터 측정을 위한 설정
발진기에서 지터는 중요한 성능 척도이다. 두 가지 가장 자주 사용되는 지터 정의는 "주기" 지터와 "사이클-투-사이클" 지터이다. 자세한 내용은 그림 5를 참조한다. 지터를 측정하려면, 고속 디지털 샘플링 스코프를 사용하여 대량의 데이터를 샘플링하고 정의에 따라 지터를 계산할 수 있다. Tektronix (TDS 7254) 또는 Lecroy (Wavepro 960) 사의 샘플링 스코프는 장착된 소프트웨어를 사용하여 이러한 측정치를 제공한다. 또한 고속 디지털 스코프를 사용하여 시간 영역에서 주기적인 지터를 측정할 수 있다[3]. 그림 5는 그러한 설정을 보여준다. 시간 영역 접근방식으로는 사이클-투-사이클 지터를 측정할 수 없다. 그러나, 각 사이클에서 지터 잡음이 독립되어 있고 동일하게 분산될 경우, 사이클-투-사이클 지터는 주기적인 지터의 1.414배이다. MAX9485는 상이한 오디오 샘플링 주파수와 주파수 배율에 근거하여 21가지 상이한 출력 주파수를 발생시킬 수 있다. 우리는 모든 가능한 출력 CLK 주파수에 대한 주기 지터를 측정하는 그림 6과 같은 설정을 사용하였다. 표 1은 측정 결과를 나타낸 것이다.
그림 5. 출력 지터 측정치
그림 6. 자체 트리거 지터 측정 설정
표 1. 주기 지터 vs. 출력 주파수
FOUT
Scaling Factor
Fs
JP (RMS)
(MHz)
(kHz)
(ps)
(UI)
73.728
768
96
21
0.00155
67.7376
768
88.2
23.2
0.00157
49.152
768
64
42.6
0.00209
36.864
768
48
40
0.00147
36.864
384
96
37
0.00136
33.8688
768
44.1
44
0.00149
33.8688
384
88.2
41.3
0.00140
24.5760
768
32
66
0.00162
24.5760
384
64
92
0.00226
24.5760
256
96
50
0.00123
22.5792
256
88.2
55.1
0.00124
18.4320
384
48
59
0.00109
16.9344
384
44.1
69
0.00117
16.3840
256
64
134
0.00220
12.2880
256
48
84.8
0.00104
12.2880
384
32
170
0.00209
11.2896
256
44.1
100
0.00113
9.126
768
12
106
0.00097
8.1920
256
32
250
0.00205
4.608
384
12
198
0.00091
3.072
256
12
324
0.00100
이 표에서 우리는 일반적으로 주파수가 높을수록 지터가 낮아짐을 알 수 있다. 그러나, 우리가 지터를 설명하기 위해 표의 마지막 열에 표시된 단위 간격(UI)과 같은 상대적 척도를 사용할 경우, 지터는 비교가 가능하다. 또한, 주파수 36.864MHz, 33.8688MHz, 24.5760MHz, 및 12.288MHz는 상이한 샘플링 주파수 F와 배율에 의해 생성될 수 있고, 이에 따라 상이한 지터 측정치가 나온다. 따라서, 이러한 주파수가 사용될 경우, 사용자는 최저 지터를 생성하는 F와 스케일링 배율을 선택해야 한다.
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