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오늘은 Murata Crystal Unit Matching의 기초 지식 설명 2탄으로 발진 주파수 및 발진 진폭에 대해 추가로 설명드리려 합니

다.  

 

이전에 포스팅했던 Ctystal Unit의 소개와 Crystal Unit Matching의 기초 지식①이 궁금하신 분은 아래의 링크를 참고 부탁드리겠습니다.

LINK : [Murata Product] Crystal Unit이란? (tistory.com)

LINK : [Murata product] Crystal Unit Matching의 기초 지식① (tistory.com)

발진 주파수란? 

발진 주파수란  Crystal Unit과 함께 동작하는 발진 회로의 실제 주파수입니다.

Frequency Tolerance를 확인하며, Datasheet상 발진 주파수보다 몇 ppm이 틀어져 있는지 파악하고자 측정하게 됩니다.

 

* Frequency Tolerance: Crystal Unit의 발진 주파수에서의 허용 주파수 편차 [단위 : ppm]

* 1ppm = 0.000001=1 ×10-6=0.001%

 

주로 Crystal Unit에 의해 결정되며 MCU, 외부 Load Capacitance, PCB의 Stray Capacitance 등의 영향을 받게 됩니다.

공칭 주파수와 발진 주파수의 차이가 클 경우, 어플리케이션이 적절하게 동작하지 않을 가능성이 있습니다.

 

1.    계산법

발진 주파수는 아래 공식으로 계산됩니다.

• fL  : Load resonant frequency
• fr  : resonant frequency
• Cs  : Load capacitance
• C0  : 등가회로 상수
• C1  : 등가회로 상수

 

2.    측정법

# 측정 장비 및 장치

• 발진 회로
• Spectrum Analyzer
• 안테나(동축 케이블도 안테나로 사용 가능합니다)

1. 아래 그림과 같이 측정 장비를 준비합니다

.

2.     안테나를 발진 회로에 최대한 가깝게 댑니다.

3.     Spectrum analyzer에서 응답된 발진 주파수를 읽습니다.

❗ 발진 회로에 안테나가 접촉되지 않도록 주의해주세요.

???????? 프로브의 영향을 방지하기 위하여 발진 회로에 접촉하지 않고 주파수를 측정하는 것이 중요합니다.

프로브가 발진 회로에 접촉하면 Capacitance에 의해 발진 주파수가 이동하게 됩니다!

❗ 정확한 측정을 위해 Spectrum Analyzer의 span을 줄여 발진을 측정하세요.

 

3.    측정 예시

상기 사진처럼, 27.000225MHz에서 발진하는 것을 확인하실 수 있습니다.

발진 주파수를 확인한 후에는 Frequency Correlation을 확인하게 됩니다.

 

Frequency Correlation란 발진 회로 상의 발진 주파수와, Crystal Unit의 공칭주파수와의 주파수 Gap입니다.

동일한 Crystal Unit을 사용하더라도 IC와 회로 조건의 차이에 의해 발진 주파수가 달라지기 때문에, 고객사의 기판과 Murata의 표준 회로 간에는 발진 주파수의 차이가 존재하게 됩니다. 이와 같은 차이를 Frequency Correlation이라고 합니다.

 

Frequency Correlation은  아래 공식으로 계산됩니다. 

• fn  : Required frequency (Nominal frequency)
• fo  : Actual frequency (Oscillation frequency)

 

예를 들어 무라타의 표준 회로에서는 27.000MHz로 발진하나 고객사의 회로상에서는 27.010MHz로 발진하는 경우가 발생했을 때, 고객사 회로에서 27.000MHz로 발진하기 위해서는 Murata의 표준 회로에서 26.990MHz로 발진하면 되기 때문에, 이와 같은 확인이 필요하게 됩니다.

 

발진 진폭이란?

발진 진폭은 발진 회로의 입력 및 출력 측 전압의 진폭입니다.

즉 Crystal Unit의 발진 시에 생성되어 IC에 공급되는 전압 파형(AC voltage, Clock signal)의 진폭입니다.

발진 진폭은 얼마만큼의 발진을 하는지 측정하기 위함입니다. 최대 발진 진폭은 반전 Amp의 전원 회로에서 공급되는 전압 범위로 제한되므로 DV 5V에서 동작하는 발진 회로라면 0 ~ +5V의 범위입니다.

입출력 전압의 진폭이기 때문에 계산법은 따로 존재하지 않습니다.

 

1.    측정법

# 측정 장비 및 장치

• 발진 회로
• 오실로스코프
• 프로브

상기 그림처럼 측정계를 구축한 후, 프로브를 MCU(Inverter)의 입력 또는 출력 단자에 연결하면 파형의 Max, Min값이 오실로스코프에 표시됩니다.

 

❗ 이 측정에 사용되는 오실로스코프와 프로브는 모두 측정하는 주파수보다 두 배 이상의 고주파 기능을 가지고 있어야 합니다.

❗ 발진 회로에 대한 영향을 방지하기 위해서 높은 임피던스의 프로브를 사용하는 것이 좋습니다.

???????? 특히 인버터의 입력 측에 Passive 프로브를 연결하지 않는 것이 좋습니다.

일반적으로 오실로스코프에 장착된 Passive 프로브는 인버터의 입력 임피던스보다 임피던스가 낮으며, 발진 정지의 원인이 될 수 있습니다. Murata에서는 일반적으로 임피던스가 10Mohm/2pF인 Passive 프로브를 사용하고 있습니다.

 

2.    측정 예시

실제 측정 예시입니다. 입력, 출력 단자에 프로브를 댔을 때 하기의 Oscillation waveform처럼 Vin과 Vout이 찍혔을 때 진폭 값을 확인하시면 됩니다.

 

이상으로 Crystal matching의 기초 지식 1탄에 이어서 발진 주파수, 발진 진폭에 대해 설명드렸습니다.

 

무라타에서는 말씀드린 Crystal Unit의 발진 특성 (Drive Level, 발진 여유도, 발진 주파수 등)을 취득한  후, 고객사 설계 상 발진 회로 조건에 문제가 없는지 확인합니다.

뿐만 아니라 ESR 조건, 발진 증폭 측정, 발진 Start Up도 측정하며 대책이 필요하다고 생각되는 경우 최적의 솔루션을 제공하고 있습니다.

 

고객사가 요구하는 주파수의 허용범위 내에서 조정 및 발진 회로가 정상적으로 동작할 수 있도록 하는 최적의 “회로 정수”와 “사용 조건”을 조사하고 제안 드립니다.

기존의 매칭 흐름보다 더욱 빠르게 대응할 수 있도록 한국무라타전자에서 Crystal Unit IC matching을 지원해오고 있으니, 많은 관심 부탁드립니다.

출처  

- 한국무라타전자 매거진, https://koreamuratablog.tistory.com

- 무라타, https://murata.com, 무라타 웹사이트 및 이미지별 기입