개요: 실리콘 발진기는 대부분의 마이크로컨트롤러 (µC) 클록 회로에서 크리스털 및 세라믹 공진기 소자를 대신할 수 있다. 진동, 쇼크, EMI 내성의 장점 외에도, 실리콘 기반의 타이밍 소자들은 크리스털 또는 세라믹 공진기보다 더욱 소형이며 사용하기 쉽다. 이 애플리케이션 노트는 크리스털 및 세라믹 공진기 회로 클록을 실리콘 발진기 소자로 교체하는 방법을 기술하고자 한다.
머리말
실리콘 발진기는 대부분의 마이크로컨트롤러 ((µC) 클록 조건을 충족시키는 단순하고 효율적인 솔루션이다. 크리스털 및 세라믹 공진기를 기반으로 하는 발진기와 달리, 실리콘 기반 타이밍 소자들은 진동, 쇼크, EMI 효과에 상대적으로 덜 민감하다. 게다가, 실리콘 발진기는 까다로운 타이밍을 요구하는 부품이나 보드 레이아웃을 요구하지 않는다.
애플리케이션에서 환경적 고려사항을 별개로 하면, 클록 소스에 대한 선택 기준은 정확도, 전원 전압, 크기, 잡음의 4가지 기본 파라미터에 달려 있다. 정확도의 조건은 애플리케이션을 위해 정의된 통신 표준에 의해 일반적으로 결정된다. 예를 들어, 고속 USB는 ±0.25%의 전체 클록 정확도를 요구한다. 대조적으로 외부 통신 기능이 필요 없는 시스템은 5%, 10% 또는 20%의 클록 소스 정확도에서도 기능을 잘 수행할 수 있다.
실리콘 발진기와 크리스털 또는 세라믹 공진기 비교
마이크로컨트롤러 클록의 전원 전압 범위는 일반적으로 1V ~ 5.5V이다. 실리콘 발진기를 위한 전원 전압 범위는 2.4V ~ 5.5V이다.
클록 잡음은 증폭기 잡음, 전원 잡음, 보드 레이아웃 및 발진 요소의 진성 잡음 거절 (즉 'Q') 특성을 포함한 수많은 원인들에 의해 영향을 받는다. 높은 Q 수치 때문에, 크리스털은 최저 잡음 발진기 회로를 일반적으로 생성하며 오디오 CODEC과 같은 낮은 베이스밴드 잡음을 요구하는 시스템에 특히 적합하다.
그러나 실리콘 발진기는 보통 초소형 공간을 차지하며 추가적인 타이밍 부품을 요구하지도 않는다. 일반적으로 전원 바이패스 커패시터는 대부분의 실리콘 발진기에서 요구되는 유일한 외장 부품이다.
피어스 발진기(Pierce Oscillator)
크리스털 및 세라믹 공진기 기반 발진기는 피어스 발진기(Pierce oscillator)로 종종 구현된다. 여기서 크리스털 및 공진기는 반전형 증폭기의 피드백에서 튜닝 요소로 작용한다. 이러한 설계에서 안정적인 동작을 위해, 위상 변이 보상 및 이득 조절은 추가적인 커패시터 및 저항을 통해 제공된다. 게다가 저항은 과구동을 방지하기 위해 필요한 진폭 감소를 제공하며 이것이 크리스털 또는 공진기에 영구적인 손상을 입힐 수 있다.
그림 1은 2가지의 피어스 발진기 예를 제시한다. 그림 1a는 외장 커패시터와 저항을 이용한 전형적인 크리스털 발진기 회로이다. 그림 1b는 보상 커패시터를 통합한 3단자 세라믹 공진기를 이용한 피어스 발진기를 보여준다. 이러한 설계에서 각각의 부품 값은 동작 주파수, 전원 전압, 인버터 유형, 구성요소 유형 (크리스털 또는 공진기), 제조업체에 따라 달라진다.
그림 1. 크리스털 및 3단자 세라믹 공진기 피어스 발진기.
피어스 발진기의 가장 보편적인 적용법은 증폭기로서 CMOS 인버터 게이트를 사용하는 것이다. 일반적으로 트랜지스터 기반 발진기에 비해 덜 안정적이고 더 높은 소비전력을 갖는다 해도, CMOS 인버터 기반 설계는 여러 조건 상 단순하고 매우 유용하다. 버퍼형(buffered) 및 비버퍼형(unbuffered) 인버터 모두 증폭기 구성요소를 위해 사용될 수 있지만, 비버퍼형 인버터가 비록 소비전력이 증가한다고 하나 더욱 안정적인 발진기를 만들기 때문에 더 선호된다. 비버퍼형 게이트는 강력한 출력 단을 가지고 있지 않기 때문에 장거리 보드 트레이스 구동을 위해 표준형 인버터를 통해 버퍼되어야 한다.
실리콘 발진기의 장점
가장 단순한 클록 소스는 실리콘 발진기와 같은 독립적인 발진기 소자를 통해 제공된다. 이러한 소자들은 특정 주파수에서 구형파를 생성하며, 이는 µC 클록 입력에 직접 인가된다. 실리콘 발진기는 발진 주파수로 기인하는 기계식 공진 특징에 의존하지 않으며 대신, 내부 RC 타임 상수를 사용한다. 이 설계는 실리콘 기반 소자를 외부 기계식 영향으로부터 상대적으로 안전하게 만든다. 또한 기존 발진기에서 볼 수 있는, 하이 임피던스 노드의 노출이 적은 것이 실리콘 발진기를 습도 및 EMI 효과에 더욱 잘 견디게 한다.
실리콘 발진기로 대체하기
크리스털 또는 공진기 소자를 실리콘 발진기로 대체할 경우, 먼저 발진기 회로와 관련된 모든 부품들을 없앤다. 보통 1개나 2개의 저항과 커패시터 2개를 제거하게 된다 (이것들이 공진기 패키지에 포함되어 있지 않은 경우에). 그 다음, 발진기는 µC 클록 입력 (OSC1) 핀에 연결된 클록 출력으로 편리한 위치에 놓을 수 있다. 발진기 소자에 전원을 공급하는 것은 µC 클록 입력 회로에 공급할 때와 같은 동일 전원에서 공급되도록 해야 한다.
이 설계의 예는 그림 2와 3에 제시되어 있으며 MC68HC908 µC를 위한 발진기 회로를 보여준다. 그림 2는 3단자 세라믹 공진기에 대한 권장 회로를 나타낸 것이다. 그림 3은 실리콘 발진기를 이용한 회로이며, 이 경우 MAX7375는 리드(lead)를 포함해 겨우 2.0mm x 2.1mm 크기의 SC70 패키지로 공급된다.
그림 2. 소형 3단자 공진기 기반 발진기를 내장한 MC68HC908 µC.
그림 3. MAX7375 실리콘 발진기를 이용한 MC68HC908 µC.
실리콘 발진기의 보드 위치는 일반적으로 중요하지 않다. 이러한 소자들은 다른 신호의 간섭을 걱정할 필요 없이 적당한 거리에서 전송이 가능한 로우 임피던스 구형파를 출력하기 때문이다. 실리콘 발진기는 여러 개의 클록 수신자를 구동시킬 것이다. 고속 신호처럼, 클록 출력은 장거리의 트레이스를 구동할 경우, EM(electromagnetic)을 방사할 것이다. 이러한 방사는 각 클록 신호와 저항을 직렬 배치하고 클록 발생기 핀을 근접하게 놓으면 최소화할 수 있다. 이러한 접근방식은 그림 4에 나와있고, MAX7375가 저항과 각각 나란히 위치해 2개의 클록 수신자를 구동시키는 것을 보여준다.
그림 4. 직렬 저항이 EM 방사를 최소화해 줌.
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