발진기를 선택하고 효과적으로 적용하는 방법

작성자: Art Pini

Digi-Key 북미 편집자 제공

동기식 디지털 시스템의 출현은 평범한 발진기를 첨단 마이크로 프로세서 기반 디지털 시스템의 핵심으로 변화시켰습니다. 수천 가지에 달하는 응용 제품은 매니폴드 공진기 구조를 이용하여 매우 광범위한 발진기 소스 및 구성을 조성했습니다.

다양한 발진기, 수없이 많은 내부 증폭기, 여러 온도 안정화 스키마로 인해 사용에 대한 충분한 이해 없이 공진기를 선택하는 경우가 아직도 너무 많습니다. 이러한 모든 요소는 장치의 크기, 정확도, 안정성 및 비용은 물론 설계에 적용하는 방식에까지 영향을 미칩니다.

이 기사는 발진기의 작동 및 구조, 중요 사양, 설계 요구 사항에 어느 정도로 부합해야 하는지에 대한 설계자의 이해를 높이는 데 도움이 될 것입니다.

그 과정에서 성공적인 설계를 위해 발진기를 최상으로 적용하는 방법과 함께 출력 파형, 주파수 정확도 및 안정성, 위상 잡음, 지터, 부하 및 온도 변화, 비용에 대해서도 알아볼 예정입니다.

발진기 기본 사항

발진기는 원하는 주파수로 주기적 파형을 생성하는 전자 회로입니다. 일반적인 발진기의 기능별 제품 구성도에는 주파수 선택 피드백 네트워크가 포함된 피드백 경로와 증폭기가 포함됩니다(그림 1). 발진은 루프 이득이 원하는 발진 주파수의 단위와 같거나 큰 동시에, 루프에 관한 위상 변이가 2p 라디안의 배수와 같을 때 시작되고 유지됩니다. 이는 포지티브 피드백 조건입니다.

주파수에 종속적인 네트워크는 인덕터-커패시터(LC) 또는 저항기-커패시터(RC) 네트워크일 수 있지만 정밀 발진기는 대개 공진기를 사용합니다. 각각 고유한 강점과 약점이 있으므로 공진기 유형 선택은 중요하게 다뤄야 할 사양 중 하나입니다.

기본 발진기의 기능별 구성도

그림 1: 주파수 선택 네트워크가 포함된 증폭기나 포지티브 피드백 구성의 공진기로 구성되는 기본 발진기의 기능별 구성도 (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

일반적으로 사용되는 공진기는 수정 진동자, 표면 음향파(SAW) 필터 또는 미세 전자 기계 시스템(MEMS)입니다.

이와 같은 발진기의 전원을 처음으로 켰을 때 회로에서 감지되는 유일한 신호는 잡음입니다. 이득을 충족하는 주파수에서의 잡음 요소와 발진을 위한 위상 상태는 회로의 포지티브 피드백으로 인해 진폭이 증가하는 회로 루프 주변에서 순환합니다. 신호 진폭은 증폭기 특성이나 외부 자동 이득 제어(AGC) 장치에 의해 제한될 때까지 증가합니다. 이 지점에서 발진기 출력의 파형을 제어할 수 있으며 일반적으로 선택하는 파형은 사인파, 잘린 사인파 또는 논리(“0” 또는 “1”) 출력입니다. 논리 출력을 선택했다면 논리 제품군(HCMOS, TTL, ECL, LVDS…)도 선택해야 합니다.

사인파 출력은 스펙트럼 순도를 가장 중요시하는 통신 관련 응용 분야의 캐리어 및 로컬 발진기 신호 발생기에 주로 사용됩니다. 사인 파형은 기본 주파수에서 상당한 전력을 보유하며 고조파 주파수에서는 전력을 거의 또는 전혀 보유하지 않습니다.

발진기의 핵심 사양은 발진기가 이러한 주파수를 얼마나 잘 유지하는지를 정의하는 주파수 안정성입니다. 관련 사양은 장기간, 일반적으로 한 해에 걸친 발진기의 주파수 변동 추이를 지정하는 에이징입니다. 응용 제품의 속도가 높아짐에 따라 발진기 위상의 단기적 변화가 중요한 문제가 되고 있습니다. 이 단기적 위상 변화는 발진기의 위상 잡음으로 설명됩니다. 위상 잡음은 주파수 도메인 사양입니다. 등가 시간의 도메인 사양은 위상 지터 또는 시간 간격 오류입니다.

공진기

기본 발진기의 피드백 네트워크는 몇 가지 공진 구조 중 하나일 수 있습니다. 가장 일반적인 구조는 수정 진동자입니다. 수정 진동자 공진기는 압전 효과를 사용합니다. 수정 전체에 소량의 전압이 가해지면 변형을 일으키며, 수정에 힘이 가해지면 전기 전하를 생성합니다. 이 일련의 전기 기계적 교환이 매우 안정적인 발진기의 기반을 형성합니다. 이 효과로 인해 수정의 유형, 수정이 절단된 기하학적 방향, 수정의 크기와 관련된 특정 주파수에서 발진이 생성됩니다.

수정은 수정 공진기의 입력 및 출력을 구성하는 두 개의 전극 사이에 고정됩니다. 이 조건에서 수정은 고도의 선택성을 지닌 LC 회로와 같은 역할을 합니다(그림 2). 홀더 안의 수정은 모델 부품 LS 및 CS에 의해 지배되는 직렬 공진 주파수를 나타내는 직렬 RLC 회로로 표시됩니다. 병렬 연결된 커패시터는 홀더 및 관련 배선의 정전 용량을 나타냅니다. 병렬 정전 용량 CP는 직렬 유도 용량 LS에 반응해 병렬 공진 주파수를 일으킵니다. 작동 시에는 직렬 공진이 공진기 작동을 지배합니다. 수정의 기본 주파수 범위는 킬로헤르츠(kHz) 범위에서 약 200MHz에 해당합니다.

수정 진동자를 위한 등가 회로 모델의 구성도

그림 2: 수정 진동자를 위한 등가 회로 모델의 구성도. 모델 부품 LS 및 CS가 직렬 공진 주파수를 결정하는 반면 LS, CS 및 CP는 병렬 공진을 결정합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

또 다른 일반적인 공진기는 표면 음향파(SAW) 장치입니다(그림 3).

인터디지털 트랜스듀서를 사용하는 SAW 필터/공진기의 구성도

그림 3: SAW 필터/공진기는 압전 기판에 실장된 인터디지털 트랜스듀서를 사용해 트랜스듀서 사이의 간격 전반에 표면 음향파를 생성하여 출력에서 주파수에 종속적인 응답을 생성합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

SAW 필터는 탄성이 있는 기판 표면을 따라 누적된 표면 음향파를 사용하는 주파수 선택 장치입니다. SAW는 그림에서 볼 수 있듯이 기판의 전도 경로에 의해 형성된 인터디지털 트랜스듀서(IDT)를 사용하여 생성 및 감지됩니다. SAW 필터/공진기는 10MHz ~ 2GHz 주파수 범위에서 작동합니다. 주파수는 기판 소재의 특성과 IDT 소자의 크기에 따라 달라집니다. SAW 장치의 회로 모델은 수정 진동자의 회로 모델과 같습니다. SAW 공진기는 포토리소그래피를 사용하여 저비용의 소형 패키지로 경제적으로 제조할 수 있습니다. 이러한 발진기는 SAW 발진기 또는 SO라고 합니다.

이 기사에서 설명할 마지막 공진기 기술은 미세 전자 기계 시스템(MEMS)을 기반으로 하는 기술입니다. MEMS는 표준 반도체 제조 공정을 이용해 미니어처 기계식 소자를 생산합니다. 이러한 장치의 크기는 마이크로미터에서 밀리미터 범위로 다양합니다. 고주파 소리굽쇠와 유사한 공진기는 정전기 여기에서 진동하도록 설계됩니다. 이러한 공진기의 다이 구조는 프로그래밍 가능한 발진기/컨트롤러 IC와 결합됩니다(그림 4).

MEMS 발진기 모듈의 구성도

그림 4: MEMS 발진기 모듈은 MEMS 기계 구조와 발진기/컨트롤러 IC를 단일 패키지로 결합니다. (이미지 출처: SiTime)

발진기/구동기는 MEMS 구조를 자극하고 그 출력을 MEMS 장치의 출력 주파수를 프로그래밍 가능한 인수 ‘N’과 곱하는 분수형 N 위상 고정 루프(PLL)에 공급합니다. 1회 프로그래밍 가능(OTP) 메모리는 모듈 구성 파라미터를 저장합니다. 온도 보정은 PLL 내부에서 출력 주파수를 조정해 달성됩니다. 또한 PLL은 프로그래밍이 가능하므로 발진기에 디지털 방식으로 제어된 주파수 출력을 제공할 수도 있습니다.

MEMS 발진기의 가장 큰 장점은 기계적 충격과 진동에 대한 내성입니다. 이는 휴대폰, 카메라, 시계 등의 모바일 응용 제품에서 중요한 요인입니다.

발진기 회로 유형

모듈식 발진기의 회로 토폴로지는 수십 년에 걸쳐 개발되었으며, 현재 이용할 수 있는 기술이 매우 많습니다. 거의 모든 사례에서 발진기 출력 주파수의 정확도와 안정성을 향상하기 위한 회로 개선이 이루어졌습니다. 이전 단락에서 소개한 예시에는 비석영 기반 SAW 및 MEMS 발진기가 포함되었습니다. 석영 발진기에 적용된 기술은 모든 유형의 발진기에 적용될 수 있습니다. 이러한 발진기는 모두 15pF 부하 정전 용량에서 작동한다고 평가됩니다. 부하 정전 용량의 변화는 작동 주파수에 영향을 미칩니다.

이러한 토폴로지를 비교하는 기준은 기본 수정 진동자 발진기(XO)입니다(그림 5). 이 예시는 논리 게이트를 이용해 구현되며 튜닝을 허용하는 버랙터 다이오드를 포함합니다. 이러한 단순한 발진기는 20ppm ~ 100ppm 정도의 주파수 안정성을 보여줍니다.

논리 인버터를 이용하여 구현된 기본 수정 발진기의 구성도

그림 5: 논리 인버터를 사용해 구현된 기본 수정 발진기에는 수정 진동자와 직렬 연결된 버랙터 다이오드를 통한 전압 제어 제공이 포함됩니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

AbraconASV-10.000MHZ-LCS-T는 표면 실장 수정 시계 발진기입니다. 이는 HCMOS 논리 레벨의 디지털 출력을 제공합니다. 이 유형의 발진기는 저가형이라는 주요 장점을 제공합니다. 이 장치의 주파수 안정성은 ±50ppm이지만, 이 발진기 제품군의 다른 장치는 20ppm ~ 100ppm 범위의 안정성 사양을 보여줍니다. 주파수 변동의 주요 원인은 온도 변화입니다. 또 다른 원인은 시간 경과에 따른 수정 에이징이나 주파수 변화입니다. 에이징 속도는 기본 안정성에 비례합니다. 이 발진기의 경우 에이징 속도가 연간 ±5ppm입니다. XO는 고주파 안정성을 요구하지 않는 범용 응용 제품에 적합합니다. 해당 응용 분야에는 마이크로 프로세서용 시계 소스가 포함됩니다.

온도 보정형 수정 발진기 또는 ‘TCXO’는 석영 공진기와 증폭기의 온도 관련 변화를 보정하기 위해 회로 소자를 추가합니다(그림 6).

석영 공진기 및 증폭기의 구성도

그림 6: 석영 공진기와 증폭기는 온도에 민감하므로 TCXO는 주파수 변동을 수정하기 위해 온도 센서와 온도 보정 네트워크를 추가합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

서미스터와 같은 온도 센서는 적합한 네트워크를 통해 수정과 직렬로 연결된 전압 가변 버랙터 다이오드에 적용되는 보정 전압을 일으켜 주파수를 제어하는 데 사용됩니다. 이는 수정 진동자의 정전 용량 부하를 변경하는 방식으로 작동합니다. 온도 보정을 통해 주파수 안정성을 20배 이상 향상시킬 수 있습니다.

Abracon의 ASTX-H12-10.000MHZ-T는 HCMOS 출력 수준과 ±2ppm의 주파수 안정성 사양을 지닌 일반적인 TCXO입니다. 비용은 기본 XO의 약 3배입니다.

온도 안정화에 대한 또 다른 접근법은 발진기 모듈을 온도 조절형 오븐에 넣는 것입니다(그림 7). 이 토폴로지를 오븐 제어 수정 발진기(OCXO)라고 합니다.

발진기 온도를 안정화하는 OCXO의 구성도

그림 7:OCXO는 발진기를 수정 주파수 대 온도 곡선이 0의 기울기를 보이는 온도와 일치하는 온도로 설정된 오븐에 넣어 발진기 온도를 안정화합니다. (이미지 출처: Digi-Key Electronics)

수정 발진기는 온도가 제어되는 오븐에 담겨 있습니다. 미세한 온도 변화가 발진기 주파수를 거의 또는 전혀 변경하지 않도록 오븐 온도는 수정 주파수 대 온도 곡선이 0의 기울기를 갖는 값으로 설정됩니다. OCXO는 발진기의 안정성을 수천 배 향상시킬 수 있습니다. 이와 같은 발진기는 탐색 시스템 또는 고속 직렬 데이터 통신 등의 정밀한 타이밍이 필요한 응용 분야에 필요합니다.

Connor-WinfieldDOC050F-010.0M은 LVCMOS 출력 수준을 가진 OCXO입니다. 지정된 주파수 안정성은 ±0.05ppm입니다. 이 향상된 성능에는 오븐, 커진 크기, 기본 수정 발진기에 비례하는 비용(XO의 약 30배 ~ 40배)으로 인해 전력 소비량의 증가가 수반됩니다.

앞에서 다루었던 MEMS 발진기는 디지털로 제어되는 발진기(DCXO)의 한 예입니다.

SiTimeSIT3907AC-23-18NH-12.000000X는 LVCMOS 논리 출력과 10ppm의 주파수 안정성을 지닌 MEMS 기반 DCXO입니다. 여기에는 ±25ppm ~ ±1600ppm의 “풀” 범위를 지닌 내부 PLL을 사용하여 주파수 변화를 프로그래밍할 수 있는 기능이 탑재되어 있습니다.

마이크로 컴퓨터 제어식 수정 발진기(MCXO)는 더 작은 패키지와 저전력 요구 사항으로 OCXO와 동일한 주파수 안정성을 보유합니다. MCXO는 두 방법 중 하나를 사용해 출력 주파수를 안정화합니다. 첫 번째는 원하는 출력보다 높은 주파수에서 소스 발진기를 작동하고 펄스 삭제를 이용해 원하는 출력 주파수를 달성하는 방법입니다. 두 번째는 원하는 출력 주파수보다 약간 낮은 주파수에서 내부 소스 발진기를 작동하고 소스 출력 주파수에 내부 직접 디지털 파형 합성기(DDS)를 통해 생성된 보정 주파수를 추가하는 방법입니다.

IQD Frequency ProductsLFMCXO064078BULK는 0.05ppm의 주파수 안정성으로 HCMOS와 호환되는 MCXO입니다. 이 제품군에는 핵심 고정 주파수 범위가 10MHz ~ 50MHz인 발진기가 포함됩니다. 물리적 부피는 88mm3에 불과하며 총 전력 소비량 33mW에 대해 3.3V에서 단 10mA만 필요합니다.

일부 응용 분야에서는 발진기의 주파수를 조정해야 합니다. 디지털이나 아날로그 제어를 통해 조정할 수 있습니다. 아날로그 제어는 전압 제어식 수정 발진기(VCXO)를 이용해 달성됩니다. 그림 5에서는 공진기와 직렬 연결된 버랙터 다이오드에 전압을 적용하고 부하 정전 용량을 변경해 주파수를 변경하는 방식으로 발진기를 조정하는 방법을 보여줍니다. 이는 VCXO의 기본 원칙입니다.

Integrated Device Technology Inc.XLH53V010.000000I은 VCXO 공급 HCMOS 출력 수준과 ±50ppm의 주파수 안정성을 보여주는 예입니다. VCXO의 풀 범위는 제어 전압을 변경하여 달성할 수 있는 최대 주파수 오프셋을 나타냅니다. 이 발진기의 풀 범위는 ±50ppm입니다. 10MHz의 공칭 출력 주파수에 대한 풀 범위는 ±500Hz입니다.

공진기에 관한 섹션에서 설명한 SAW 발진기는 높은 신뢰성을 특징으로 하는 또 다른 저가형 발진기입니다. EPSONXG-1000CA 100.0000M-EBL3은 SO의 한 가지 예입니다. 이러한 장치는 원격 제어 송신기 같은 고정 주파수 응용 제품에 사용됩니다. 우수한 안정성과 지터 사양을 제공하는 이 제품의 가장 큰 이점은 신뢰성입니다.

응용 분야에 적합한 발진기

일반적으로 정밀 시간축으로 발진기를 사용하는 응용 분야에는 향상된 주파수 안정성을 지닌 장치가 필요합니다. 따라서 GPS 관련 응용 분야가 OCXO 또는 MCXO 기반 발진기와 잘 맞습니다. 충격 및 진동으로부터의 격리를 요구하는 응용 분야에는 SO 발진기가 적합합니다. 클로킹 고속 직렬 인터페이스에는 낮은 타이밍 지터가 필요합니다. 비용은 모든 설계에서 고려되는 요인이며 일반적으로 제공되는 주파수 안정성 정도에 따라 달라집니다. 크기나 전력 요구 사항 등의 다른 요인은 사용된 기술에 따라 장치별로 달라집니다. 여기에는 엔지니어링 트레이드 오프가 필요할 수도 있습니다. 개별 기능과 이점에 주목하는 데 도움이 되도록 이 기사에서 설명한 발진기 핵심 사양을 표 1에 비교해 두었습니다.

유형 모델 공진기 주파수(MHz) 주파수 안정성(±ppm) 에이징(±ppm) 지터 전력(mW) 부피(mm3)
XO Abracon ASV 계열 수정 10 50 5 2.5 33 64
VCXO IDT XLH 계열 수정 10 50 3 1.3 106 24
SO Epson XG-1000CA 계열 SAW 100 50 5 3 36 49
DCXO SiTIME SIT3907AC-23-18NH 계열 MEMS 10 50 5 1 62 6.6
TCXO Abracon ASTX 계열 수정 10 2.5 1 1.6 a 13 4.75
MCXO IQD LFMC 계열 수정 12 0.05 1 1.6 a 61 84
OCXO Connor-Winfield DOC050F 계열 수정 10 0.05 0.3 1 2500/1100 b 1000

참고:

  1. 위상 잡음으로 계산된 예측값
  2. 시작/안정 상태

표 1: 다양한 발진기의 비교 기준이 되는 일반적인 파라미터 각 파라미터는 설계 요구 사항 및 비용과 설계 시점의 가용성을 비롯한 기타 요인을 기반으로 하여 선택되었습니다. (표 출처: Digi-Key Electronics)

이 표의 발진기는 주파수 안정성 순으로 정렬했습니다. 이 기사에서는 특정한 출력 주파수를 사용했지만 이러한 발진기 모두 각 모델 계열에서 다양한 출력 주파수를 제공한다는 점에 유의하십시오.

결론

발진기 구조 및 작동에 대한 철저한 이해는 설계자가 제품 응용 분야의 요구 사항에 적합한 장치를 파악하는 데 도움을 주는 중요한 요소입니다. 늘 그렇듯, 설계 프로젝트에 사용할 발진기를 선택하는 과정에는 비용, 전력, 공간, 안정성, 정확도를 비롯한 엔지니어링 트레이드 오프가 수반되지만, 현재 다양한 발진기가 출시되어 있으므로 기성품 솔루션으로 이러한 트레이드 오프를 최소화할 수 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Art Pini

Arthur(Art) Pini는 Digi-Key Electronics의 기고 작가입니다. Art는 뉴욕시립대에서 전기공학 학사 학위를 취득하고 뉴욕시립대학교에서 석사 학위를 취득했습니다. 그는 전자 분야에서 50년 이상의 경력을 쌓았으며 Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek, Nicolet Scientific에서 주요 엔지니어링 및 마케팅 역할을 담당했습니다. Art는 오실로스코프, 스펙트럼 분석기, 임의 파형 생성기, 디지타이저, 전력계와 관련된 측정 기술과 폭넓은 경험에 관심을 갖고 있습니다.

게시자 정보

Digi-Key 북미 편집자