시간 계측 제품은 거의 어디에나 존재하며 현대 사회의 중요한 부분입니다. 정확한 타이밍을 위해서는 정확한 주파수로 진동하는 석영 크리스털과 같은 장치와 이 장치를 제어하는 집적 회로(IC)가 필요합니다. 패키지형 클록 모듈에는 일반적으로 크리스털 IC와 제어 IC가 모두 포함되어 있습니다. 전자 발진기 회로의 주파수 범위는 킬로헤르츠(kHz)부터 메가헤르츠(MHz)까지입니다.
KHz 수정은 별도로 판매되거나 수정 발진기(CXO), 디지털 온도 보상 수정 발진기(DTCXO) 및 실시간 시계(RTC)와 같은 다른 제품에 통합될 수 있습니다.
kHz 크리스털 선택을 결정하는 요소
애플리케이션에 맞게 kHz 크리스털을 선택할 때 크기와 필요한 주파수가 가장 중요한 고려 사항이지만, 적절한 회로를 설계하려면 다른 매개변수도 중요합니다.
여기에는 다음이 포함됩니다.
주파수 허용 오차, 안정성 및 노화
부하 용량(CL)
등가 직렬 저항(ESR)
드라이브 레벨(DL)
작동 온도
KHz 크리스털에는 일반적으로 필요한 매개변수의 값을 나열하는 ASIC 요구 사항이 있습니다. ASIC 정보는 회로 설계의 확실한 출발점을 제공합니다. 전자 회로의 소형화 추세는 부품의 크기와 조밀한 패키징이 결정의 특성과 성능에 영향을 미치기 때문에 설계자가 이러한 요소에 특별한 주의를 기울여야 함을 의미합니다. 그러나 포토리소그래피 제조 공정에서는 수정 발진기 회로의 소형화가 효율적인 작동에 필요한 매개변수에 영향을 미치지 않도록 보장합니다.
주파수 허용 오차, 안정성 및 노화
크리스털이 특정 주파수를 지정하더라도 제조 공정의 스트레스나 일상적인 작동 중 표면의 변형으로 인해 주파수 편차가 발생할 수 있습니다. 주파수 편차는 주파수 허용오차, 주파수 안정성, 노화라는 세 가지 매개변수를 평가하여 요약할 수 있습니다.
주파수 허용 오차는 +25°C에서 크리스털의 실제 주파수와 공칭 주파수 간의 차이로 정의됩니다. 주파수 안정성은 설정된 온도 범위 내에서 온도로 인해 발생하는 최대 주파수 이동을 나타냅니다. 수정 정확도를 향상하려면 온도에 따라 주파수가 변경되고(그림 1) 그에 따라 교정되는 kHz XO를 사용하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 노화는 시간이 지남에 따라 빈도가 변하는 현상입니다. 씰은 노화 효과를 감소시키지만 크기는 증가할 수 있습니다.
발진기 주파수 대 온도 차트
그림 1: 발진기 주파수는 온도에 따라 달라지며 특히 극한 환경의 경우 크기 조정 프로세스에서 고려해야 합니다. 이미지 출처: IEEE를 통해 제공되는 Epson)
부하 용량(CL)
크리스털의 두 단자 사이의 커패시턴스는 부하 커패시턴스입니다. 설계자는 주파수 드리프트를 유발하는 외부 부유 정전 용량을 고려해야 합니다.
CL과 회로 커패시턴스 간의 불일치는 더 작은 크리스털을 사용할 때 특히 중요합니다. 왜냐하면 더 작은 크리스털이 커패시턴스 변화에 더 민감하기 때문입니다. CL 값이 낮은 수정은 특히 주파수에 민감합니다. 제한된 공간에서 작은 회로를 설계하기 위해 설계자는 CL 값이 더 높은 크리스털을 선택하는 경우가 많습니다.
드라이브 레벨(DL)
DL은 구조적 손상을 최소화하면서 꾸준한 진동을 유지하는 데 필요한 전류량입니다. 주파수 불안정이나 조기 고장을 방지하려면 주어진 회로 구동 레벨보다 크거나 DL 값을 가진 크리스털을 선택하는 것이 좋습니다.
작동 온도
온도가 주파수에 미치는 영향은 주파수 안정성 지수에서 지정한 범위를 초과합니다. 설계자는 전체 회로의 작동 온도뿐만 아니라 회로 내 수정의 위치도 고려해야 합니다. 일부 영역은 다른 영역보다 가열되기 쉽기 때문입니다. 또한 회로와 크리스털이 작을수록 부품 패키지가 더 단단해지고 전체 시스템에서 더 많은 열이 발생합니다. 이 경우 DTCXO 또는 RTC 제품과 같이 특정 온도 범위에서 더 잘 교정된 크리스털을 사용하는 것이 가장 좋습니다. DTCXO 및 RTC 모듈은 소형 설계에서 우수한 성능을 발휘하며 높은 안정성이나 낮은 전력 소비가 필요한 애플리케이션에서도 유리할 수 있습니다.
KHz 크리스털 및 관련 모듈
Epson은 DTCXO 및 RTC 모듈뿐만 아니라 다수의 kHz 크리스털을 생산합니다. 이들 제품 중 일부와 해당 사양을 간략하게 소개합니다.
FC3215AN 시리즈는 35kΩ의 낮은 ESR과 소형 패키지를 갖춘 32.768kHz 크리스털로, 휴대용 전자 장치 및 공간이 제한된 애플리케이션에 이상적입니다. FC3215AN 시리즈는 무선 모듈, 사물인터넷, 의료, 산업, 보안 모니터링 장비, 스마트 미터, 가전제품, 저전력 MCU 애플리케이션 등 다양한 애플리케이션에 적용 가능합니다. 이 범위는 3.2mm x 1.5mm x 0.9mm 캡슐화 및 표준 핀 할당으로 -40°C ~+105°C의 확장된 작동 온도 범위를 지원합니다.
FC2012AN 시리즈 32.768kHz 크리스털은 FC3215AN 시리즈 사양과 유사하지만 더 작은 2.05mm x 1.2mm x 0.6mm 패키지와 표준 핀 할당을 사용합니다. 마찬가지로 FC2012SN 크리스털 시리즈(그림 2)는 웨어러블 장치 MCU, 사물 인터넷, 의료, 산업, 보안, 스마트 미터 등 분야의 무선 모듈과 같은 다양한 애플리케이션에 매우 적합합니다.