발진기 회로 설계 고려사항

발진기가 작동하는 정확한 주파수는 발진기 회로 내에서의 루프 위상 각도 변화에 따라 달라집니다. 위상 각도의 순 변경이 발생하면 출력 주파수에 변화가 생깁니다. 발진기의 일반적인 목적은 변수를 거의 영향을 받지 않는 주파수를 제공하는 것이기 때문에, 순위상 변경을 줄이기 위한 수단을 사용해야 합니다. 순위상 변경을 최소화하기 위한 최고의 방법이자 가장 일반적인 방법은 피드백 루프에 석영 결정 장치를 사용하는 것입니다.

석영 크리스탈의 임피던스는 적용된 주파수의 변화에 따라 매우 극적으로 변하기 때문에, 다른 모든 회로 구성 요소들은 사실상 연속적인 리액턴스를 가진 것으로 간주할 수 있습니다. 따라서 크리스탈 유닛이 오실레이터의 피드백 루프에서 사용될 때, 크리스탈 유닛의 주파수는 자체적으로 조정되어 크리스탈 유닛이 루프 위상 조건을 충족시키는 리액턴스를 나타내도록 합니다. 석영 크리스탈 유닛의 리액턴스와 주파수 간의 관계를 나타내는 그래프는 아래에 표시되어 있습니다.

그림 B에서 분명히 나타나듯이, 수정 크리스탈 유닛은 두 개의 0위상 주파수를 가지고 있습니다. 첫 번째, 즉 두 개 중 작은 주파수는 직렬 공진 주파수로, 일반적으로 Fs로 약칭됩니다. 두 번째 혹은 높은 주파수는 대응 공진 주파수 또는 역공진 주파수로, 일반적으로 Fa로 약칭됩니다. 직렬 및 대응 공진 주파수는 모두 발진기 회로에서 저항성으로 나타납니다. 직렬 공진 지점에서 저항은 최소화되고 전류 흐름은 최대화됩니다. 반면에 병렬 지점에서는 저항이 최대화되고 전류 흐름이 최소화됩니다. 따라서 병렬 공진 주파수인 Fa는 절대로 발진기 회로의 지배 주파수로 사용해서는 안 됩니다.

석영 크리스탈 유닛은 발진 회로의 피드백 루프에 리액티브 부품(일반적으로 커패시터)을 포함시킴으로써 직렬 공진 및 병렬 공진 지점 사이의 선상의 어느 지점에서든 발진하도록 제작될 수 있습니다. 따라서 커패시턴스 추가로 인해 나타나는 주파수는 직렬 공진 주파수보다 높지만, 이는 일반적으로 병렬 주파수라고 불리며 실제 병렬 주파수보다는 낮습니다.

마치 석영 결정 단위와 관련된 두 개의 영 위상 주파수가 있는 것처럼, 두 개의 주요 발진기 회로가 존재합니다. 이 회로들은 대개 사용될 결정 단위의 유형에 따라 정의되며, 즉 "직렬" 또는 "병렬"로 구분됩니다.

직렬 회로: 직렬 공진 발진기 회로는 자연적인 직렬 공진 주파수에서 작동하도록 설계된 크리스탈을 사용합니다. 이와 같은 회로에서는 피드백 루프에 컨덴서가 존재하지 않습니다. 직렬 공진 발진기 회로는 구성 요소의 수가 최소화되기 때문에 주로 사용됩니다. 그러나 이러한 회로는 크리스탈 유닛을 통한 경로 이외의 피드백 경로를 제공할 수도 있습니다. 따라서 크리스탈이 고장 났을 경우, 이러한 회로는 주관적인 주파수에서 계속 발진할 수 있습니다. 기본적인 직렬 공진 발진기 회로의 표현은 아래에 나타내었습니다.

그림 C에서 알 수 있듯이, 직렬 공진 발진기 회로는 출력 주파수를 조정할 수 있는 방법을 제공하지 않으므로 수정이 필요할 경우 문제가 발생할 수 있습니다. 위 회로에서 저항기 R1은 인버터를 바이어스하기 위해 사용되며, 인버터가 선형 영역에서 동작하도록 합니다. 이 저항기는 또한 인버터에 음의 피드백을 제공합니다. 커패시터 C1은 연결 커패시터로, DC 전압을 차단하기 위해 사용됩니다. 저항기 R2는 크리스탈 유닛을 바이어스하기 위해 사용되며, 너무 작은 값을 선택하지 않도록 주의해야 합니다. 크리스탈 유닛 Y1은 직렬 공진 크리스탈 유닛으로, 원하는 주파수에서 작동하도록 지정되며 원하는 주파수 허용 오차와 안정성을 가지고 있어야 합니다.

병렬 회로: 병렬 공진 발진기 회로는 특정 값의 부하 커패시턴스와 함께 작동하도록 설계된 수정 단위를 사용합니다. 이는 수정 주파수가 직렬 공진 주파수보다 높지만, 실제 병렬 공진 주파수보다는 낮은 결과를 생성합니다. 이 회로는 수정 단위를 통하지 않고는 피드백 루프를 완료할 다른 경로를 제공하지 않습니다. 수정 단위가 고장나는 경우 회로는 더 이상 발진을 지속하지 못합니다. 병렬 공진 회로에 대한 간단한 설명은 아래에 제공됩니다.

이 회로는 피드백 루프에 두 개의 커패시터를 포함하는 단일 인버터를 사용합니다. 이 커패시터는 "부하 커패시턴스"를 포함하며, 크리스탈 유닛과 함께 동작할 진동기의 주파수를 생성합니다. 부하 커패시턴스 값이 변경되면 진동기의 출력 주파수도 변경됩니다. 따라서 이 회로는 출력 주파수를 조정해야 할 경우 적절한 조정 방법을 제공합니다.

저항 R1과 R2는 그림 C에 나타난 직렬 공진 회로에 대해 설명된 것과 동일한 기능을 수행합니다. 두 개의 부하 커패시터 CL1과 CL2는 크리스탈 유닛과 따라서 오실레이터가 작동할 주파수를 설정하는 데 도움을 줍니다. 크리스탈 유닛 Y1은 병렬 공진 크리스탈 유닛으로, 지정된 부하 커패시턴스 값에서 선호 주파수로 작동하며 원하는 주파수 허용 오차와 안정성을 제공합니다.

“지정된 부하 커패시턴스”에 대해 언급된 바 있습니다. 부하 커패시턴스는 “크리스탈의 연결 지점을 통해 발진기 회로 안에 존재하는 커패시턴스 값을 측정하거나 계산한 것”으로 설명될 수 있습니다. 직렬 공진 회로의 경우, 크리스탈 유닛의 연결점 사이에 커패시턴스가 존재하지 않으므로 직렬 공진 크리스탈 유닛에는 부하 커패시턴스를 명시할 필요가 없습니다. 병렬 공진 발진기 회로의 경우, 커패시턴스가 존재합니다. 이 커패시턴스를 직접 측정하는 것은 비합리적이므로 값을 계산해야 할 필요가 자주 생깁니다. 부하 커패시턴스 값의 계산은 다음과 같은 공식으로 이루어집니다:

CL1과 CL2는 부하 커패시터이고, Cs는 회로 유랑 커패시턴스(대개 3.0에서 5.0 pF 범위)입니다.

구동 레벨: “구동 레벨”은 크리스탈 유닛이 작동 중일 때 소모되는 전력을 의미합니다. 이 전력은 입력된 전류의 함수이며 일반적으로 밀리와트(Milliwatts) 또는 마이크로와트(Microwatts) 단위로 표시됩니다. 크리스탈 유닛은 특정 최대 구동 레벨 값을 가지도록 지정되며, 이는 주파수 및 작동 모드의 함수로 변환됩니다. 특정 크리스탈 유닛에 허용되는 최대 구동 레벨 값을 확인하기 위해 크리스탈 유닛 공급업체와 상담하는 것이 좋습니다. 주어진 크리스탈 유닛의 최고 구동 레벨을 초과하면 불안정한 작동, 노화 속도 증가, 그리고 경우에 따라 치명적인 손상이 발생할 수 있습니다. 구동 레벨은 아래 수식을 통해 계산할 수 있습니다:

여기서 "I"는 결정 소자를 통과하는 rms 전류이고, R은 해당 결정 소자의 최대 저항 값입니다. 방정식 (2)는 단순히 전력에 대한 "옴의 법칙"입니다.

동작 중인 발진기 회로에서 실제 구동 레벨을 측정하려면 크리스탈 유닛과 직렬로 저항기를 임시로 삽입하여 수행할 수 있습니다. 저항기는 크리스탈 유닛과 동일한 옴값을 가져야 합니다. 저항기에서 발생하는 전압 강하를 측정한 후, 전류와 전력 소모를 계산할 수 있습니다. 그 후 저항기를 제거해야 합니다. 구동 레벨을 측정하는 대안적인 방법으로, 공간이 허용되는 경우 크리스탈 유닛 출력 리드에 전류 프로브를 사용할 수 있습니다. 방법은 아래 그림 1에 설명되어 있습니다.

주파수 vs 모드: 석영 크리스탈 장치의 주파수는 진동하는 석영 요소의 물리적 크기에 의해 제한됩니다. 일부 경우에는 제한적인 크기(들)가 길이와 너비일 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 크리스탈 장치인 "AT" 컷 크리스탈 장치의 경우, 진동하는 석영 요소의 두께가 제한적인 크기입니다. 두께가 줄어들수록 주파수가 증가합니다. 일반적으로 약 30.000MHz 근처에서 석영 판의 두께가 너무 얇아져 처리가 어려워지는 지점에 도달합니다.

주파수 한계보다 더 높은 주파수에서 발진기를 개발하려면, 석영 결정 유닛이 “기본” 주파수의 홀수 정수 배수에서 발진할 수 있다는 사실을 활용해야 합니다. 여기서 "기본" 주파수는 '주어진 기계적 치수에서 자연스럽게 발생하는 주파수'로 정의할 수 있습니다. 따라서, 만약 결정 유닛의 기본 주파수가 10.0MHz라면, 이를 3배, 5배, 7배 등 기본 주파수의 홀수 배수로 발진하게 할 수 있습니다. 즉, 이 유닛은 30.0MHz, 50.0MHz, 70.0MHz 등에서 발진할 수 있습니다.

기본 주파수의 배수는 “배음(오버톤)”이라고 하며, “3배 배음”, “5배 배음” 등과 같이 곱셈의 정수에 의해 식별됩니다. 배음 주파수에서의 사용이 필요한 경우, 크리스탈 유닛은 원하는 주파수 및 원하는 배음에서 작동하도록 명시되어야 합니다. 기본 모드 크리스탈을 주문한 후 배음 주파수에서 작동시키려는 시도를 해서는 안 됩니다. 이는 기본 크리스탈 유닛과 배음 크리스탈 유닛의 제조 과정이 다르기 때문입니다.

많은 경우 특정 발진기 설계에 사용된 집적 회로의 특성이 원하는 주파수와 원하는 오버톤에서 작동을 보장하기 위해 크리스탈 유닛의 기본 주파수를 억제해야 한다는 것을 의미합니다. 이러한 경우, 발진기 회로를 수정하는 것이 일반적으로 필요합니다. 수정 방법 중 하나는 인덕터와 커패시터로 구성된 “탱크” 회로를 추가하는 것입니다. 이러한 수정 사항은 그림 F 및 G에 나타나 있습니다.

두 경우 모두 탱크 회로는 기본 주파수와 원하는 주파수 사이의 어느 주파수에서 공진하도록 조정됩니다. 이를 통해 원하지 않는 주파수는 접지로 우회되고, 발진기의 출력에는 원하는 주파수만 남게 됩니다.

설계 고려사항: 발진기 회로의 원활한 작동을 위해 특정 설계 고려사항을 따라야 합니다. 모든 경우에 회로의 불필요한 기생 용량을 줄이기 위해 병렬 배선을 피하는 것이 권장됩니다. 모든 배선은 가능한 짧게 유지해야 하며, 결합을 방지하기 위해 부품을 분리해야 합니다. 신호를 격리하기 위해 접지 플레인을 사용하는 것이 좋습니다.

부성 저항: 발진기 회로가 최적의 성능을 발휘하려면, "부성 저항"을 증대시키도록 설계되어야 합니다. 이는 때로 "발진 허용치"라고도 불립니다. 주어진 회로에서 부성 저항의 값을 평가하기 위해 수정 발진기 유닛과 직렬로 가변 저항기를 일시적으로 설치합니다. 저항기는 처음에 최저 설정값, 즉 가능하면 0옴에 가깝게 설정되어야 합니다. 이후 발진기를 작동시키고, 오실로스코프를 사용하여 출력 신호를 모니터링합니다. 그 후 가변 저항기를 조정하여 저항값을 증가시키며 출력을 지속적으로 모니터링합니다. 특정 저항값에서 발진은 멈추게 됩니다. 이 시점에서 가변 저항기를 측정하여 발진이 멈춘 저항값(옴값)을 결정합니다. 이 값에 벤더가 명시한 수정 발진기 유닛의 최대 저항값을 더해야 합니다. 이 총 저항값이 "부성 저항" 또는 "발진 허용치"로 간주됩니다. 안정적이고 신뢰할 수 있는 회로 작동을 위해, 부성 저항은 수정 발진기 유닛의 명시된 최대 저항값의 최소 5배 이상이 되는 것이 권장됩니다.

음극 저항 값이 수정 단위의 최대 저항의 5배를 초과하는 경우가 훨씬 더 좋습니다. 음극 저항은 높은 온도에서 감소하는 경향이 있으므로, 테스트는 작동 범위 내 최고 온도에서 수행하는 것이 권장됩니다. 아래에 설명된 특별 절차를 참고하십시오.

음의 저항 측정 절차