개요: 온도에 대한 쿼츠 크리스털의 열악한 특성으로 인해 항상 전자시간 유지 시에는 고도의 정확도가 부족하였다. 32.768kHz 쿼츠 크리스털을 통해 정확도를 향상시키는 여러 가지 기술이 응용되어 왔다. 이 글에서는 보정되지 않은 독립형 실시간 클록(RTC)과 거의 비슷한 가격으로 탁월한 시간유지 정확도를 제공하는 고집적 소자에 대해 기술한다. 이 소자를 통해 현재의 정확성 향상 기술은 진부해지고 정확한 시간유지 성능은 고급 기능이 아닌 표준이 된다.
"You may delay, but time will not."
- Benjamin Franklin
만약 벤자민 프랭클린이 시간을 유지하기 위해 쿼츠 크리스털과 RTC를 사용해야 했다면 이 말을 다시 생각했을지도 모른다. 온도에 대한 크리스털의 부정확성으로 인해 일반적으로 시간이 지연되는 것처럼 (또 어떤 때는 더 빠른 것처럼) 보인다.
32.768kHz 쿼츠 음차계 크리스털 발진기(quartz tuning-fork crystal oscillator)가 내장된 RTC는 대부분의 전자 애플리케이션 용도의 표준 시간유지 기준이다. RTC는 초를 세어 시간(time)과 일자(date)를 유지하는데, 이렇게 하려면 32.768kHz 크리스털 발진기에서 발생된 1Hz의 클록 신호가 필요하다. 현재 시간 및 일자 정보는 통신 인터페이스를 통해 액세스되는 한 세트의 레지스터에 저장된다.
문제점
시간유지를 위해 RTC를 사용하는 것이 본질적으로 문제가 되지는 않는다. 그러나 시간은 사용되는 기준만큼만 정확할 뿐이다. 유감스럽게도, 일반적인 32.768kHz의 음차계 크리스털은 넓은 온도 범위에 대해서 정확도가 그리 좋지 않다. 온도에 대한 크리스털의 포물선 특성(그림 1)으로 인해 정확도는 실온(+25°)에서 일반적으로 ±20ppm이다. 이는 매일 1.7초의 시간 또는 매년 10.34분이 더 가거나 덜 가는 것과 같다. 그림 1에서와 같이, 온도가 매우 높거나 낮을 때 정확성은 더욱 감소한다. 매우 높거나 낮은 온도에서 일반적인 정확성은 150ppm 미만으로 더 떨어지는데, 이는 매일 거의 13.0초 또는 매년 1.3시간을 잃는 것과 같다.
그림 1. 일반 32.768kHz 음차계 크리스털 온도 대비 정확도를 보여준다.
특정 주파수(f) 및 온도(T)에서 일반 크리스털의 주파수 편차(Δf)는 다음과 같다.
Δf/f = k(T - To)2 + fo
여기서, f는 공칭 크리스털 주파수, k는 곡률 상수, T는 온도, TO는 전환 온도, fO는 실온에서의 주파수 편차이다.
이 등식을 분석하면 온도에 대한 각 크리스털의 주파수 응답을 제어하는 변수가 오직 3개 즉, 곡률 상수, 전환 온도 및 실온에서의 주파수 편차라는 것을 알 수 있다. 곡률 상수의 경우 온도에 대한 주파수 편차의 포물선 특성에 가장 큰 영향을 주지만 이 상수의 편차는 매우 작다. 편차 곡선은 여러 다른 전환 온도에서는 좌우로, 실온에서 여러 다른 주파수 편차에서는 상하로 이동된다.
다양한 솔루션
시간유지 정확도가 요구되는 애플리케이션의 경우, 크리스털의 부정확도를 향상시킬 수 있는 이용 가능한 옵션이 제한되어왔다. 이러한 애플리케이션은 크리스털 스크리닝(screening), 집적화된 크리스털, 캘리브레이션 레지스터 또는 온도 보상식 크리스털 발진기를 통해 시간유지 정확도를 향상시킬 수 있다.
크리스털 스크리닝
시간유지 성능을 향상시킬 수 있는 옵션 중 하나가 특정 범위의 실온 정확도에 부합되는 크리스털을 공급업체가 제공하도록 하는 것이다. 단, 이렇게 하려면 공급업체가 선적하기 전 실온에서 각 크리스털의 주파수 편차를 분석해야 하며, 크리스털 비용이 추가 될 만한 스크리닝 공정이 요구된다. 이 방법은 크리스털의 정확도 곡선이 보여주는 포물선 특성에 전혀 영향을 주지 않는다.
이와 같은 스크리닝 절차를 사용할 경우 크리스털 제조업체는 실온 정확도를 ±20ppm에서 ±10ppm 또는 ±5ppm으로 향상시켜주는 크리스털 서브세트를 제공할 수도 있다. 그러나 이와 같이 "향상된" 크리스털의 경우, 높거나 낮은 온도에서는 부정확도가 커지는 단점이 있다.
요구되는 정확도 및 부하 커패시턴스 레벨에 따라 수율 손실도 발생하게 된다. 이 경우, 허용 가능한 크리스털 수량이 부족해지는 결과를 가져올 수 있다.
또한 제조업체는 크리스털이 본래 절단되는 각도에 의한 크리스털의 전환 온도도 제어할 수 있다. 그러나 이는 실용성이 없을뿐더러 비용이 많이 든다. 크리스털 제조업체는 여러 가지 자동화 공정을 사용하지만 요구사항을 맞추기 위해 여전히 고군분투하고 있다. 제조업체로 하여금 비표준 부품에 대한 제조 절차를 중단하게 유도하는 확률은 낮다.
크리스털 내장
크리스털 스크리닝 절차에 더하여 일부 회사는 시간유지 소자와 동일한 패키지 안에 음차계 크리스털을 내장시킨다. 이렇게 하면, 크리스털을 제공해야 하는 책임은 소자 제조업체 쪽으로 넘어간다. 크리스털을 내장하여 제공할 경우, 크리스털 조달 문제가 없어지므로 설계자는 작업부하를 줄일 수 있다. 또한 크리스털 파라미터를 시간유지 소자 요건에 부합시키는 문제가 완화될 뿐만 아니라 PCB 레이아웃 문제도 줄어든다.
크리스털제조에 익숙하지 않은 업체의 경우, 크리스털 파라미터를 측정하거나 트리밍할 능력이 없어, 공급업체로부터 크리스털을 구매하여 다이와 크리스털을 단일 패키지에 조립한다. 이 경우, 정확도 향상은 기대할 수 없다. Dallas Semiconductor는 이러한 유형의 집적 소자 DS1337C, DS1338C, DS1339C, DS1340C 및 DS1374C 등을 공급하고 있다. 이 소자들은 고도의 정확도가 요구되지 않는 애플리케이션에 적합한 RTC이다.
자체 크리스털을 제조하는 기타 회사의 경우, 특정 정확도 요건을 충족할 수 있도록 패키지 처리되지 않은 쿼츠인 크리스털 블랭크(crystal blank)를 보다 작고, 밀폐 처리된 패키지에 장착하고 블랭크를 트리밍할 수 있는 능력을 보유하고 있다. 이전 섹션에서 언급했듯이 이 방법은 포물선 곡선을 변경하지는 않지만 실온에서 정확도가 매우 근소한 정도로만 향상된다. 높거나 낮은 온도에서의 향상 정도는 무시할만한 수준이다. 이 방법의 단점은 세라믹 패키지 및 크리스털 트리밍으로 인해 총 솔루션 비용이 증가된다는 점이다.
온도 보상
넓은 온도 범위에 대하여 시간유지 정확도를 구현하려면 몇 가지 온도 보상 기법이 요구된다. 온도 보상의 경우 온도를 정기적으로 측정하고 측정된 온도에 따른 크리스털 로딩 또는 클록 소스를 추가 조정해야 한다.
다음 두 가지 방법 중 하나를 이용하여 온도 보상을 수행할 수 있다. 첫 번째 방법은 일부 아날로그 또는 디지털 클록 캘리브레이션 기능을 제공하는 시간유지 소자와 온도 센서를 사용하여 온도 보상 알고리즘을 개발하는 것이다. 이 방법은 주로 상당한 개발 및 캘리브레이션 투자 비용이 필요하다. 두 번째 방법은 상용 온도 보상식 크리스털 발진기(TCXO)를 RTC의 클록 소스로 사용하는 것이다.
캘리브레이션 레지스터
DS1340와 같이 일부 RTC는 하루의 시간을 개별량으로 정기적으로 조정할 때 사용 가능한 디지털 캘리브레이션 레지스터를 제공한다. 이 방법은 크리스털의 양상을 변경하려고 시도는 것은 아니다. 대신 특정 온도에서 계획된 주파수 편차에 따라 시간을 정기적으로 조정한다. 따라서 32.768kHz의 포물선 곡선을 상하로 움직여 희망 온도에서 0.0ppm의 정확도에 근접하게 된다. 이는 발진기의 분주기 체인의 클록 사이클을 더하거나 빼서 구현된다. 제거된 (네거티브 캘리브레이션의 경우는 감소되고) 또는 삽입된 (포지티브 캘리브레이션의 경우 더해지고) 클록 펄스의 수는 캘리브레이션 레지스터의 값으로 설정된다. 클록 펄스를 더하면 시간이 빨라지는 (크리스털 곡선이 위로 이동) 반면 클록 펄스를 빼면 시간이 느려진다(크리스털 곡선이 아래로 이동). 그림 2에는 정확도가 0.0ppm에 가까워질 때까지 일반 크리스털 곡선이 어떻게 상향 이동되는지 보여준다. 이 예에서 측정된 온도는 +55°이다.
그림 2. 정확도가 0.0ppm에 가까워질 때까지 일반 크리스털 곡선이 상향 이동한다.
캘리브레이션 레지스터가 장착된 RTC는 온도 센서와 결합하여 특정 온도에서 정확도 레벨을 -2.034ppm ~ +4.068ppm 정도로 구현할 수 있다. 총 조정 범위가 -126ppm ~ +63ppm이므로, 온도가 매우 높거나 낮을 경우 0.0ppm이 될 만큼 곡선을 충분히 조정할 수 없다. 프로세서 오버헤드는 온도를 정기적으로 측정하고, 새로운 캘리브레이션 값을 계산하며 적정 RTC 레지스터를 조정하는 데 필요하다.
이 방법의 주요 난관은 출하 전 캘리브레이션 작업이 요구된다는 점이다. 각 크리스털마다 반응이 다르기 때문에 희망 온도 범위에 대한 맞춤 캘리브레이션 표가 각 시간유지 소자에 필수적인 요소가 된다. 이 같은 노력에 소요되는 인력 및 시간이 번거로울 수 있다. 일정량의 비휘발성 메모리 역시 캘리브레이션 데이터를 저장하는데 필요하므로 전체 비용이 증가된다. 또한 보상 값이 필연적인 크리스털 노화를 보상하지 않으므로, 오직 첫 해 동안만 ±3ppm에 가까워지게 된다. 캘리브레이션 레지스터 방법은 온도 변화에 따른 자동 조정 기능을 제공하지 않지만 점진적으로 정확도를 향상시켜 준다.
온도 보상식 크리스털 발진기
시간유지 정확도를 크게 향상시켜주는 또 다른 옵션은 독립형 RTC의 클록 소스로, DS32kHz와 같은 32.768kHz 온도 보상식 크리스털 발진기(TCXO)를 사용하는 것이다. 이 같은 TCXO는 사전 캘리브레이션되며, 산업 온도 범위(-40° ~ +85°)에서 최대 ±7.5ppm의 정확도를 제공할 수 있다. 사실상, TCXO는 온도 전반에 걸쳐 크리스털 곡선의 포물선 특성을 평평하게 만들어준다(그림 3).
그림 3. TCXO를 사용할 경우 크리스털 곡선이 평평해진다.
TCXO에는 센서가 내장되어 있어 소자의 온도를 정기적으로 측정한다. 이 측정값은 룩업 테이블을 액세스할 때 사용되며, 룩업 테이블의 출력은 내장된 32.768kHz 크리스털이 0.0ppm을 달성할 수 있도록 부하 커패시턴스 값을 계산하고 적용할 때 사용된다. 룩업 테이블은 TCXO상에 있으며, 외부 입력이 필요하지 않다.
크리스털이 제조될 때, 데이터 시트에 명시된 특정 부하 커패시턴스에 맞게 최적화된다. 실제 부하 커패시턴스가 규격과 일치하지 않는 경우, 공칭 주파수의 편차가 발생하게 된다. TCXO는 이와 같은 점을 활용하여 정확도를 향상시켜 준다. 특정 크리스털에 대해 각 온도에서 주파수 편차 정도를 알고 있는 경우, TCXO는 부하 커패시턴스를 조정하여 온도에 따라 달라지는 주파수의 편차를 오프셋한다.
TCXO를 사용할 때 얻는 이점은 알고리즘 개발 또는 사전 캘리브레이션이 필요하지 않다는 점이다. 단, 멀티칩 솔루션으로 인해 추가 비용과 PCB 공간이 필요하다는 단점이 있다.
가장 정확한 솔루션 — RTC/TCXO/크리스털 집적 솔루션
이상적인 정확한 시간유지 소자는 단일 패키지에 RTC, TCXO 및 쿼츠 크리스털이 집적화되는데, DS3231S가 바로 이와 같은 소자이다. DS3231S는 0° ~ +40°에서 ±2.0ppm라는 최상의 정확도를 제공하는데, 매년 겨우 ±1.0분 정도라는 얘기다. -40° ~ 0° 및 +40° ~ +85°에서의 정확도는 ±3.5ppm으로 매년 ±1.8분에 해당한다. 이 소자의 최저의 정확도는 그림 4에 나와 있다. 이전 섹션에서 언급한 대로, 통합 TCXO는 온도 전반에 걸쳐 크리스털 곡선의 포물선 특성을 평평하게 해준다.
그림 4. DS3231S의 최저 정확도.
앞에 나온 DS32kHz의 TCXO 솔루션과 마찬가지로 통합 DS3231S도 공장에서 미리 캘리브레이션되므로 사용자 캘리브레이션 또는 개발 노력이 필요하지 않다. 이 단일 패키지 솔루션은 보다 작은 크기에 절감된 비용으로 동일한 기능을 결합시켜 놓은 솔루션이다.
독립형 TCXO와는 달리 이 통합 소자 레지스터는 직렬 인터페이스 포트를 통해 액세스 가능하다. 내장된 노화 레지스터(aging register)는 부하 커패시턴스와 온도 보상에 맞게 조정된다. 따라서 애플리케이션이 크리스털 노화로 인해 손실된 정확도도 보상할 수 있다.
요약
TCXO, RTC 및 32.768kHz 크리스털을 한 소자에 집적하기 전에는 시간유지 정확도가 요구되는 애플리케이션의 옵션은 제한된 상태였다. 이용 가능한 옵션 모두가 개발 노력, 사전 캘리브레이션 및 추가 비용을 어느 정도 결합시켜야만 했다. TCXO/RTC/크리스털 단일 패키지가 등장함에 따라 시간유지 정확도는 더 이상 고급 기능이 아니며, 모든 애플리케이션에 이용 가능하다!
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