개요: 마이크로컨트롤러(µC)에 사용되는 클록 소스로는 크리스털, 세라믹 공진기, RC(저항, 커패시터) 발진기와 실리콘 발진기의 네 종류가 있다. 어떤 애플리케이션을 위한 최적의 클록 소스는 원가, 정확도 및 환경 파라미터 등의 인자에 따라 달라진다. 이 애플리케이션 노트는 마이크로컨트롤러 클록의 선택을 결정짓는 요소의 대해 설명하고 있다. 발진기 유형도 비교된다.
마이크로컨트롤러용 클록 소스의 대부분은 크리스털이나 세라믹 공진기와 같은 기계식 공진 소자 기반과 RC(저항 및 커패시터) 발진기와 같은 전기적 위상 편이 회로 기반의 두 가지 형식으로 나눌 수 있다. 실리콘 발진기는 일반적으로 안정성을 높이기 위해서 전류 소스, 정합 저항이나 커패시터, 온도 보상 회로등의 이점을 추가한 RC 발진기의 완벽한 통합 버전이다. 그림 1에 클록 소스의 두 가지 예가 나와있다. 그림 1a는 크리스털 및 세라믹 공진기와 같은 기계식 공진 소자와 함께 사용하기 적합한 Pierce 발진기 회로 구성을, 그림 1b는 간단한 RC 피드백 발진기를 보여준다.
그림1. 간단한 클록 소스의 예. (a) Pierce 발진기 구성 예, (b) RC 피드백 발진기
기계식 공진기와 RC 발진기의 주요 차이점
크리스털 및 세라믹 공진기 기반의 발진기(기계식)는 일반적으로 초기 정확도가 매우 높고 온도 계수가 비교적 낮다. 반대로RC 발진기는 기동 시간이 짧고 저렴하지만, 일반적으로 온도와 전원 전압에 대한 정확도가 낮고 공칭 출력 주파수에서 5%~50%의 편차가 있다. 그림 1에 나와 있는 회로는 깨끗하고 신뢰성이 있는 클록 신호를 만들어 내는 한편, 환경적 요소와 회로 부품 선택, 발진기 회로의 레이아웃 등에 의해 크게 영향을 받는다. 세라믹 공진기와 관련 부하 커패시터 값은 반드시 개별 로직 제품군과 함께 사용할 때에 관하여 최적화된 값을 써야 한다. 크리스털의 경우 Q가 높아 증폭기 선택에 그렇게 민감한 것은 아니지만, 과잉 구동될 때는 주파수 이동에 민감하고 심지어 손상이 될 수도 있다. 전자기 간섭(EMI), 기계적인 진동과 충격, 습기와 온도 등이 발진기 동작에 영향을 주는 환경적 요소이다. 이러한 환경적 요소들은 출력 주파수의 변동이나 지터의 증가, 그리고 심한 경우 발진기 기능이 정지되는 등의 결과를 초래할 수 있다.
발진기 모듈
위에서 다룬 문제들 중 많은 부분은 발진기 모듈을 사용하여 해결할 수 있다. 이 모듈은 모든 발진기 회로 부품들을 포함하고 있으며, 로우 임피던스 구형파 출력으로써 클록 신호를 제공한다. 다양한 조건에서 동작이 보증된다. 가장 널리 쓰이는 두 가지의 형식은 크리스털 발진기 모듈과 실리콘 발진기가 완벽하게 통합된 모듈이다. 크리스털 발진기 모듈은 크리스털을 사용하는 개별 소자 회로와 유사한 수준의 정확도를 제공한다. 실리콘 발진기는 개별 소자 RC 발진기 회로보다 정확도가 높으며 많은 경우 세라믹 공진기 기반 발진기에 필적할만한 정확도를 제공한다.
소비 전력
발진기 선택의 또 하나의 중요한 고려사항은 소비 전력이다. 개별 소자 크리스털 발진기 회로의 소비 전력은 주로 피드백 증폭기의 소비 전류와 회로 내에 사용된 커패시터 값에 의해 좌우된다. CMOS 공정으로 제조된 증폭기의 소비 전력은 동작 주파수와 대략 비례하며 이를 소비 전력 커패시턴스 값으로 표현할 수 있다. 예를 들어 인버팅 증폭기로 사용된 HC04 인버터 게이트의 소비 전력 커패시턴스 값은 일반적으로 90pF이다. 5V 전원에서 4MHz로 동작하는 소비 전류는 1.8mA 이다. 개별 소자 크리스털 발진기 회로는 일반적으로 20pF의 추가 부하 커패시턴스를 추가하면 전체 소비 전류는 2.2mA가 된다.
세라믹 공진기 회로는 일반적으로 크리스털 회로보다 큰 값의 부하 커패시턴스를 가지며 같은 증폭기를 사용하는 크리스털 회로보다 더 많은 전류를 소비한다.
비교를 하자면 크리스털 발진기 모듈은 일반적으로 10mA~60mA의 소비 전류를 소비하는데 그 이유는 온도 보상과 제어 기능이 포함되기 때문이다.
실리콘 발진기의 소비 전류는 형태와 기능에 따라 달라지며, 주파수 프로그래밍가능한 부품의 경우 저주파 (고정) 소자의 경우 수 μA에서 프로그램 가능 소자의 경우 수십 mA 정도까지 분포한다. MAX7375와 같은 저전력 실리콘 발진기는 4MHz로 동작할 때 2mA 이하의 전류를 소비한다.
요약
개별 마이크로컨트롤러 애플리케이션에 대한 최적의 클록 소스는 정확도, 원가, 소비 전력 및 환경적 요구사항 등의 조합에 의해 결정된다. 아래 표는 이러한 발진기의 일반적인 형식과 장단점 등을 요약해 놓은 것이다.
표 1. 클록 소스 형식에 따른 성능 비교
Clock Source
Accuracy
Advantages
Disadvantages
Crystal
Medium to high
Low cost
Sensitive to EMI, vibration, and humidity. Complex circuit impedance matching.
Crystal Oscillator Module
Medium to high
Insensitive to EMI and humidity. No additional components or matching issues.
High cost; high power consumption; sensitive to vibration; large packaging.
Ceramic Resonator
Medium
Lower cost
Sensitive to EMI, vibration, and humidity.
Integrated Silicon Oscillator
Low to medium
Insensitive to EMI, vibration, and humidity. Fast startup, small size, and no additional components or matching issues.
Temperature sensitivity is generally worse than crystal and ceramic resonator types; high supply current with some types.
RC Oscillator
Very low
Lowest cost
Usually sensitive to EMI and humidity. Poor temperature and supply-voltage rejection performance.
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