XO Introduction

XO

(1) XO란?

XO란 quartz crystal oscillator를 일컫는다. 이는 압력을 가하면 전기가 발생되고 반대로 전기를 가하면 진동을 하는 ‘압전효과’를 이용한다. 즉, 적절한 제어 회로를 통해 크리스탈을 초당 32768회 진동하게 만들 수 있다. 이러한 진동을 감지하여 디지털 회로의 clock 및 RF 회로 내 PLL의 reference clock으로 사용할 수 있다. 이처럼 clock generation에 crystal을 사용하는 이유는 crystal의 정확성에 있다. 특히 PLL같이 매우 정확한 frequency가 요구되는 회로에는 비교적 low frequency에서 정확한 주파수를 생성할 수 있는 기제가 필요하다. 때문에 crystal 기반의 XO는 이에 가장 적합한 것이다.

그러나 quartz crystal이 절대적으로 정확하게 동작하는 것은 결코 아니다. Quartz crystal은 주변의 온도 및 압력에 따라 주파수 편차를 발생시킨다. 이 때문에 온도 및 압력에 따른 주파수 편차를 보상해줄 수 있는 방법이 추가적으로 필요한 것이다. 물론 크리스탈 자체를 상온으로 유지되는 환경에 위치시킨다면, 추가적인 노력없이 크리스탈의 공진 주파수를 안정시킬 수 있다. 그러나 회로 내 혹은 SMD 환경에서는 transmitter 등에 의한 열에 필연적으로 노출될 수 밖에 없으므로 주파수 편차를 보상할 수 있는 추가적인 방법이 필요한 것이다.

 

(2) XO의 종류

A. TCXO (Temperature-Compensated Crystal Oscillator)

  위에서 언급한 바와 같이, 크리스탈은 압력을 가하면 전기가 발생되는 현상인 압전현상을 기반으로 주파수를 발생시킨다. 그러나 크리스탈이 발생시키는 주파수는 주변 온도에 영향을 받는다. TCXO는 온도가 변화하더라도 크리스탈이 특정 주파수를 생성할 수 있는 XO의 일종이다. TCXO가 생성하는 주파수는 항공 및 우주 분야에서도 사용될정도로 매우 정확하다.

TCXO는 ‘XO가 직렬로 연결한 load capacitance 값에 따라 주파수가 변동된다(Oscillator의 발진 원리는 외장 capacitance와의 병렬 공진이므로)’는 점을 활용한다. 즉, 온도 변화에 따른 주파수 변동을 load capacitance의 값을 조정(voltage-variable capacitor/varactor)하여 보상하는 방법이다. 물론 여기에도 직접 보상(온도에 따라 변화하는 감응 저항으로 주파수 편차 보상), 간접 보상(온도보상회로에 의해 주파수 변동 전압 제어) 디지털 보상 등의 다양한 기제가 있다. 이 중에서도 수동 소자만으로 이루어진 TCXO를 Passive TCXO로 일컫는다. Passive TCXO는 작은 size 및 작은 소모 전류의 장점을 갖는다

 

B. VCXO (Voltage-Controlled Crystal Oscillator)

  VCXO는 XO가 생성하는 주파수를 전압으로 제어하는 XO의 일종이다. 일반적으로 VCXO의 주파수는 0~3V의 제어 주파수에 따라 매우 작은 편차로 동작한다. XO의 spec으로 흔히 제시되는 Q factor는 주파수 제어가 얼마나 작은 범위까지 가능한지와 관련된다. 즉, Q factor 값이 높을수록 더 작은 범위의 주파수까지 제어할 수 있다.

 

C. VCTCXO (Voltage-Controlled Temperature-Compensated Crystal Oscillator)

  VCTCXO 혹은 TCVCXO는 VCXO의 일종으로, 온도에 따라 변화하는 XO의 공진 주파수를 보정하기 위한 component를 추가적으로 포함하고 있다. VCXO가 작은 범위의 주파수까지 제어할 수 있다는 장점이 여기서 다시 활용된다. 즉, VCTCXO는 온도에 따라 변화하는 XO의 공진 주파수를 전압 제어 메커니즘으로 보상한다.

 

D. DCXO (Digital-Controlled Crystal Oscillator)

  DCXO는 XO의 주파수를 디지털 방식으로 제어한다. 즉, XO에 의해 생성되는 주파수가 외부 source로부터의 x-bit의 이진 word에 의해 제어된다. DCXO는 디지털 제어 방식이므로, 다른 XO에 비해 비교적 주파수 제어가 용이하다. 이에 따라 DCXO는 VCXO에 비해 주파수 생성 측면에서 보다 정확하며 안정적이다. 최근 DCXO가 기존의 VCTCXO를 대체하는 트렌드(특히 모바일 산업)가 나타나고 있다. 이는 VCTCXO가 DCXO에 비해 추가적인 component의 필요성으로 인해 더욱 비쌀 뿐 아니라, 사이즈 면에서도 더욱 커서 실장 측면에서 불리하기 때문이다.

 

자료 출처 및 인용

https://www.arnikjewellers.com/blogs/news/72016387-quartz-clocks-and-watches-how-do-they-work

https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=r2adne&logNo=220018941640&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=3573

http://blog.daum.net/trts1004/12108842

https://en.wikipedia.org/wiki/Voltage-controlled_oscillator#TCVCXO

https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=keukrae&logNo=110016570506&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F

https://www.everythingrf.com/community/what-is-a-dcxo