수정 발진기 (Crystal Oscillator)
쉽게 풀면
수정 조각에 전압을 걸면 아주 정확한 주파수로 기계적으로 떨리고, 그 떨림이 다시 전기 신호로 나타납니다. 이 성질을 이용하면 전기 소자만으로 만든 공진회로보다 훨씬 날카롭고 온도에 둔한 기준 주파수를 얻을 수 있습니다. 증폭기 루프 안에 수정을 넣으면 수정이 정한 주파수에서만 발진 조건이 성립하므로, 회로는 그 주파수를 충실히 따라갑니다.
왜 중요한가
통신, 계측, 디지털 시스템의 시간 기준은 모두 클록 정확도에 의존하는데, 수정 발진기는 저렴한 가격에 백만분의 일 수준의 안정도를 제공합니다. 그래서 마이크로컨트롤러의 주클록, 무선 송수신기의 기준 발진기, 실시간 시계 등 거의 모든 전자 시스템의 시간 축이 여기서 출발합니다. 논문에서 주파수 오차나 지터를 논할 때 기준 신호원으로 흔히 명시됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
안정도가 높은 수정 발진기를 기준으로 삼아 뒤따르는 회로의 잡음만 분리해 평가한 사례입니다.
조금 더 깊게 보면
수정 진동자는 전기적으로 직렬 RLC 가지와 병렬 커패시터가 결합된 등가회로로 모형화되며, 직렬 공진과 병렬 공진이 아주 가까운 두 주파수에 나타납니다. 등가 Q가 일반 LC 공진회로보다 수백 배 높아 주파수 안정도가 뛰어납니다. 실제 회로로는 인버터형 증폭기와 두 개의 부하 커패시터를 쓰는 피어스 구조가 집적하기 쉬워 가장 널리 쓰이며, 부하 용량 값이 실제 발진 주파수를 미세하게 당기거나 미는 효과를 냅니다. 온도 보상형이나 항온조형 구조를 쓰면 안정도를 한층 더 높일 수 있습니다.
주의할 점
데이터시트의 공칭 주파수는 규정된 부하 용량 조건에서의 값이므로, 기판의 기생 용량이 다르면 실제 주파수가 어긋납니다. 전압제어 발진기가 넓은 주파수 가변을 목표로 하는 것과 달리, 수정 발진기는 고정된 주파수의 정확도를 목표로 합니다.