개요: 크리스털 발진기는 다양한 제조업체에서 다양한 형태와 크기, 그리고 다양한 성능 사양으로 출시되고 있다. 이 사양들에는 공진 주파수, 공진 모드, 부하 커패시턴스, 직렬 저항, 홀더 커패시턴스, 구동 레벨 등이 포함되어 있다. 이 응용 노트에서는 이러한 파라미터의 이해를 돕고 사용자의 응용 회로에 알맞은, 그리고 MAX1470 수퍼헤테로다인 수신기 회로에서 가장 좋은 결과를 얻을 수 있는 크리스털을 선택하기 위한 참고 사항들을 살펴본다.
크리스털 발진기는 다양한 제조업체에서 다양한 형태와 크기, 그리고 다양한 성능 사양으로 출시되고 있다. 이 사양들에는 공진
주파수, 공진 모드, 부하 커패시턴스, 직렬 저항, 홀더 커패시턴스, 구동 레벨 등이 포함되어 있다. 이러한 파라미터를 이해하면
사용자의 응용 회로에 알맞고 MAX1470 회로에서 가장 좋은 결과를 얻을 수 있는 크리스털을 선택할 수 있을 것이 다.
크리스털의 등가 회로가 그림 1에 나와 있다. 이 회로는 저항 Rs, 인덕터 Lm, 커패시터 Cm, 그리고 병렬 커패시턴스 Co 등 동적 요소로 구성되어 있다. 동적 요소들은 직렬 공진 주파수와 공진 회로의 Q를 결정한다. 병렬 커패시턴스 Co는 크리스털 전극, 홀더 및 리드 등의 함수이다.
그림 1. 크리스털 모델
다음은 각 핵심 성능 사양에 대한 세부 내용들이다.
공진 주파수
선택할 크리스털의 주파수는 수신 시에 사용할 주파수에 따라 달라진다. MAX1470의 경우 10.7MHz의 IF와 low측 주입을 사용하므로, 크리스털 주파수는 다음의 식으로 주어진다(단위는 모두 MHz).
따라서, 315MHz 애플리케이션에서 크리스털 주파수는 4.7547MHz이고, 433MHz에 대해서는 6.6128MHz가 필요하다. 이 경우 기본 모드 크리스털만 사용되어야 한다(오버톤(overtone)은 사용하지 않는다).
공진 모드
크리스털 공진에는 직렬 공진(두 개 중 낮은 주파수)과 병렬 공진(또는 반공진(anti-resonance), 두 개 중 높은 주파수)의 두 가지 모드가 있다. 모든 크리스털은 두 가지 공진 모드를 다 가지며 발진기 회로 내에서 저항성을 갖는다. 직렬 공진에서 동적 커패시턴스 Cm 및 인덕턴스 Lm의 유도 저항은 동일하고 극성이 다르며 저항은 최소가 된다. 그러나 반공진 포인트에서 저항은 최대가 되고 전류의 흐름은 최소화된다. 반공진 포인트는 발진기 설계에는 사용되지 않는다.
외부 소자(일반적으로 커패시터)를 추가하면 크리스털을 반공진 주파수와 직렬 공진 주파수 사이의 어떠한 주파수로든 발진하게 할 수 있다. 업계에서는 이를 병렬 주파수 또는 모드라고 한다. 이 주파수는 직렬 공진 주파수보다 높으며 크리스털의 진정한 병렬 공진 주파수(반공진 포인트)보다는 낮다. 그림 2에는 일반적인 크리스털 임피던스와 주파수 간의 그래프가 나와 있다.
그림 2. 크리스털 임피던스 대 주파수
부하 커패시턴스 및 풀링성
부하 커패시턴스는 병렬 공진 발진 모드를 사용할 경우 중요한 사양이다. 이 모드에서 크리스털의 전체 유도 저항은 약간의 인덕턴스성을 띠며 이는 발진기의 부하 커패시턴스와 병렬을 이루어 LC 탱크 회로를 구성, 발진기 주파수를 결정하게 된다. 부하 커패시턴스의 값이 바뀜에 따라 출력 주파수도 달라진다. 따라서 크리스털 제조사는 발진기 회로에 사용되는 부하 커패시턴스를 파악하여, 공정 내에서 동일한 부하 커패시턴스를 사용하여 이 값에 대한 조정이 이루어지도록 해야 한다.
만약 서로 다른 부하 커패시턴스로 발진하도록 크리스털이 설계된다면 크리스털은 명목상의 동작 주파수와 다른 값으로 멀어져 레퍼런스
주파수 상에 오차가 발생하게 된다. 따라서, 크리스털을 다시 원하는 동작 주파수로 돌려 놓기 위해서는 외부 커패시터를 추가하여
부하 커패시턴스를 변경하게 된다.
그림 3에는 MAX1470EVKit 회로 내의 크리스털이 나와 있다. C14 및 C15는 직렬 풀링 커패시터이고, C16은 병렬 풀링 커패시터이다. Cevkit은 MAX1470 등가 회로에 EV 킷의 PCB에 산재한 커패시턴스를 더한 값이다.
Cevkit은 약 5pF이다.
그림 3. EV 킷 등가 회로
직렬 풀링 커패시터는 크리스털의 속도를 "끌어올리며", 병렬 커패시터는 이를 "늦추게" 된다. Cevkit이 5pF이므로, 부하 커패시턴스가 5pF인 크리스털을 사용하면 의도한 주파수로 동작하며 추가적인 커패시턴스가 불필요하게 된다(C16은 개방인 상태로 두고, C14와 C15는 보드 상에서 단락됨). EV 킷 자체가 3pF 부하 커패시턴스의 크리스털을 사용하므로, 속도를 올리기 위해서는 2 x 15pF 커패시터를 직렬로 사용해야 한다. 커패시턴스 값을 계산하기 위해서는 다음 식을 사용한다.
EV 킷의 경우, 만약 2개의 직렬 커패시터를 사용하지 않는 경우에는 4.7547MHz 크리스털이 실제로 4.7544MHz로 발진하여 수신기는 315.0MHz가 아닌 314.98MHz로 튜닝되어 약 20kHz(60ppm)의 오차가 발생한다. 따라서 핵심은 직렬 또는 병렬 또는 (사용할 수 있는 커패시터 값의 종류에 제한이 있는 경우) 직/병렬 혼합으로 커패시터를 사용하여 크리스털의 부하 커패시턴스를 매칭하는 것이다. 예를 들어, 1pF의 병렬 커패시터가 있으면 6pF 부하 커패시턴스를 갖는 크리스털에 대응할 수 있다(또는 C14 = C15 = 27pF, C16 = 5pF의 조합을 사용할 수 있다).
C16에 너무 큰 값을 사용하지 않도록 주의해야 한다. 왜냐하면 발진기 회로를 통해 흐르는 전류가 증가하여 단락 사고가 일어날 수 있기 때문이다. 그림 4에는 병렬 커패시턴스와 발진기 회로 간의 관계가 나와 있다.
그림 4. 크리스털 발진기 전류 대 추가된 병렬 부하 커패시턴스
주문형 PCB에서 Cevkit이 알려져 있지 않으면 스펙트럼 분석기로 IF를 관찰하고(이 때 신호를 스펙트럼 분석기로 넣기 전에 DC 블로킹 커패시터를 꼭 사용해야 한다), 직렬 및 병렬 커패시터를 사용하여 IF를 10.7MHz로 다시 '튜닝'해야 한다.
직렬 저항
직렬 저항은 일반적으로 대부분의 크리스털의 경우 25Ω~100Ω의 분포를 보인다. 일반적으로 크리스털 제조업체는 이 저항값을 특성화하여 그 최대값을 밝히고 있다. MAX1470 발진기 회로에 대해서는 100Ω을 넘기지 않도록 한다.
홀더 또는 병렬 커패시턴스
이것은 크리스털 전극 및 리드의 커패시턴스이다. 통상적으로 2pF~7pF의 값을 갖는다.
구동 레벨
크리스털에서 소모되는 전력이 낮게 제한되지 않으면 과도한 기계적 진동에 의해 크리스털이 고장을 일으킬 수 있다. 또한 크리스털의
특성도 비선형 회로동작에 의한 구동 레벨로 변화할 수 있다. 크리스털 제조업체는 특정 제품군에 대해 최대 구동 전압 레벨을
규정하고 있다. 1µW 수준의 구동 레벨을 갖는 크리스털을 사용하도록 한다. 이러한 사양을 참고함으로써 MAX1470 발진기
회로의 요구사항에 가장 잘 부합하는 크리스털을 선택할 수 있고, 이로써 전반적인 성능 향상을 꾀할 수 있다.
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