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X-TAL의 기술적인 내용 |
김종호
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1. CL(Load Capacitance)의 의미는?
X-TAL이 장착될 SET를 바라보았을 때의 부하용량값으로
그 값의 변화에 따라 주파수변화가 있게 됩니다. SET 설계자는
필요로 하는 기준주파수를 X-TAL로 구현할 경우 X-TAL 제조업체에게 그 값을 SPEC으로 알려주게 되어 있습니다. 그래야만
X-TAL 제조업체는 제조상에서 SET에 적합한 CL치로 부여하여
제품을 생산하게 됩니다. 그렇게하여 SET에 실장될 경우 필요로하는 기준주파수를 구현할 수가 있게됩니다.
--> X-TAL이 장착될 SET의 CL = X-TAL의 CL(주파수매칭)
일반적으로 CL은 발진용 IC업체의 DATA SHEET에 명기된 경우가 있으나 그렇지 않은 경우 대략적으로 그 값을 추정하여
크리스탈 샘플을 제작하고 그 후에 external cap.을 가변시켜 주파수 매칭을 시도하게 됩니다. 주로 CMOS 크리스탈 발진회로에서 external cap.을 CL1, CL2 또는 Cd,Cg 그리고 편의상 C1, C2로 부르기도 합니다. 그 수치는 명기된 경우도 있지만
대부분 3 ~ 33pF로 나타내고 있고 그 수치는 설계자가 결정할 사항입니다. 간략히 CL치 계산식을 말씀드리자면 아래와 같습니다.
CL= C1*C2/(C1+C2) + C ic + C line
(Cic=적용되는 IC가 가지는 용량치, C line = PCB상의 패턴에서 나타나는 부유용량치)
CL이 16pF이란 의미는 크리스탈 양쪽의 CAP용량치가 아니라 윗수식에서 나타낸바와 같이 합성용량이 됩니다. 여기서 C ic,C line치는 적용될 IC 및 PCB에 따라 값이 상이합니다. (일반적으로 C ic 는 4~10pF 정도이며 C line는 1~2pF 정도임)
여기서는 정확한 값을 알려드리기는 어려우나 C1, C2를 16pF정도로 먼저 test해보십시요.(C ic 는 대략 8pF로 추정 적용함)
2. Shunt Capacitance 의미?
Static Capacitance라고 부르기도 하며 수정의 전기적등가회로에서는 C0로 표기됩니다.
C0는 사용되는 수정편을 절연체로 보았을 때, 수정편의 유전율과 두께 그리고 수정편에에 증착된 금속전극면적과 관계하는 CAPACITANCE입니다. 제공되는 제품의 CO는 TYPE 및 주파수에 따라 그 값이 상이합니다.
3.시리즈 상태보다 load 상태에서 각도 특성이 높게 나오는 이유
; 상온상태에서는 임의로 제조된 X-tal의 공진주파수는 부하가 serise상태일 때보다 C.L 이 낮은 값일 때가 주파수가 높게 나타납니다.
Fr(직렬공진주파수)= 1/(2*Φ*(L1*C1)½)로 표현되며
FL(부하시공진주파수)=Fr*((1+C1/(C0+CL))½
그리고 온도변화에 따른(F-T 특성곡선)주파수 특성곡선은 역시 부가될 CL 치에 따라 다르게 나타납니다.
그 경향은 CL치가 낮을수록 상온을 기준으로하여 저온부에서는 낮게 나타나며, 고온부에서는 높게 나타납니다.
CL에 의해 온도특성파라메타에 영향을 미치는것으로 보입니다.
X-tal의 주파수 온도특성은 load capacitance와도 관련있겠지만 일반적으로 주파수 온도특성을 결정짓는 인자는 수정편 절단각도와 밀접한 관계가 있습니다.
4. x-tal load 가 바뀌면 C0값이 바뀌고 이 C0 와 CL 값에 따라 SET 상에 걸리는
크리스탈의 LORD Rr 값(일반 spec 에나오는 Rr:series 상태의 값아님) 이
바뀌는 것으로 나오더군요. 그럼 load 변화에 따라 바뀌는 변화 정도는 얼마나
되는 지요.
; X-TAL의 CO(static capacitance)는 수정의 유전율과 두께, 전극면적에 관련되는
파라메타입니다. CL 변화가 C0에는 영향요소로는 볼수가 없을 것 같군요
RL(load resonace resistance)
= Rr(1+C0/CL)^2 으로 표현됩니다.
5. 3rd overtone 일때, 3,4의 특성 변화
3rd overtone X-TAL은 동일한 FUNDAMENTAL X-TAL보다 pulling sensitivity가
낮은 특성을 보입니다. load 변화에 따른 주파수 변화는 fund.보다는 크지 않습니다.
6.AT CUT 와 BT CUT의 다른점은 무엇인가요?
수정진동자를 설계하는데 있어 인공수정을 육성 절단 하여 만든는데 절단 과정에서
상기의 CUT 개념이 도입 됩니다
수정진동자는 진동자중에서도 온도에 따른 변화가 CUT 상태에서 결정되며 그 중에서도
AT-CUT이 가장 안정적인 온도 변화를 보이기 때문에 X-TAL중에서는 AT-CUT이 가장
일반적으로 사용되고 있습니다. AT-CUT은 25℃를 기준으로 "+" "-" 온도 변화에 따라
3차원 형태로 온도 곡선이 이루어지며 일반적으로 -20℃~70℃ 온도변화에서 25℃
측정 주파수를 기준으로 +/-30PPM 이내의 주파수 변화를 STD SPEC으로 보장
합니다. 하지만 AT-CUT로는 FUNDMENTAL 주파수 제작에 한계가 있어 이러한 제작의 한계를 조정하고자 제작하는것이 BT-CUT 입니다.
BT-CUT는 FUNDMENTAL 주파수 대역의 한계를 일부 벗어나 고주파수 대역의FUNDMENTAL를 양산으로 제작할 수 있지만 온도 변화에 따른 주파수 안정도 면에서 AT-CUT 대비 크게 불안정합니다. 즉 BT-CUT는 상온 25℃를 기준으로 "+","-" 변화에서 "-"주파수 변화 특성만을 나타내는 2차원 곡선의 온도 곡선이 이루어집니다.
따라서 상기와 같은 특성으로 인하여 BT-CUT는 -20℃~70℃ 변화에서 "-" 100PPM 이내의 주파수 변화특성을 STD SPEC으로 보장합니다
참고적으로 AT-CUT이 고 주파수 대역의 FUNDMENTAL에 한계가 있다고 하는 부분이 아예 못 하는 것 은 아니고 단가가 높아지면 가능하나 양산 개념으로 대량 생산은 곤란함을 의미합니다.
또한 CUT 개념에서 원석 절단 각도 등 여러 가지 상이 점이 있으나 X-TAL을 사용하시는 고객께서는 상기 내용 정도만 알고 계시더라도 크게 문제없으리라 판단 됩니다
(02-3282-7531 이범진 차장)
6-1.AT-CUT, BT-CUT이란?
수정진동자를 만들기 위해서는 인공수정을 절단해야 합니다.
인공수정을 절단할 때에는 사용되는 주파수 및 주파수 온도특성에 따라 결정되어집니다. 민생용 X-TAL인 경우에 가장 많이 사용되어지는 것이 AT-CUT이고 그 중 극히 일부를 BT-CUT을 이용합니다.
AT-CUT과 BT-CUT의 차이점은 다음과 같습니다.
AT-CUT BT-CUT
절단각도: 35˚ 15´ -49˚ 20 ´
주파수온도특성:± 50 PPM ± 100 PPM(-20℃ ~ 70℃)
BLANK 두께: 0.055mm 0.085mm(30MHz)
ATSFUND: 3.579545 ~ 27.000 ~
가능 주파수 32.999999MHz 40.000MHz
AT-CUT, BT-CUT은 수정을 절단하는 각도에 따라 분류 된 것 입니다.
인공수정의 Z축을 기준으로 35˚15´ 로 절단하는 것이 AT-CUT이며, Z축을 기준으로 -49˚20´ 으로 절단한 것이 BT-CUT입니다.
완제품상에서 AT-CUT제품과 BT-CUT제품을 구별하는 방법은 MARKING 두 번째 줄에 BT라고 기재되어 있습니다.
그리고 마지막으로 6MHz 제품에서 Rs값은 2.2kΩ을 많이 쓰고 있으나 이 부분은 IC등 주변회로에 바뀔 수 있습니다.
7.PPM의 의미
1)예를 들어서 10MHz의 오실레이터가 1PPM의 주파수 안정도를
갖는 다는 의미는 무엇인가요?
답) 10MHz 개별 단품을 측정할 경우 1ppm 이내의 범위에서의 주파수가
측정된다는 애기입니다 .즉 10MHz의 1ppm인 10Hz내에의 주파수 안정도를
갖는다는 의미입니다, 그리고 오실레이터 및 x-tal에서는 주파수 안정도는
항상 "+/-"로 표현됩니다
2)주파수를 지속적으로 측정했을 때 10MHz에서 +/- 1Hz의 오차로흔들린다는 말인가요?
답) 흔들린다는 의미는 아닙니다
즉 1개의 제품을 측정하면 +/-10Hz내에서 측정된다는 의미입니다.
즉 1개의 단품은 지속적으로 동일한 값이 측정되는데 그것이 +/-10Hz 이내에서
측정되는것을 의미합니다. 하지만 승인원상에 오실레이터는 년간 +/-5ppm의
주파수 안정도(변화폭)를 보장한다고 표시하고 있기에 장기적으로는 +/-5ppm정도내의 주파수 변화가 있을 수 있습니다
3) 오차는 가우시안적으로 분포하는것인지 아니면 오차가 증가해서 누적하는 것인지
궁금합니다.
답) 가우시안적 분포의 의미는 잘 이해를 못하겠고요. 오차가 증가해서 누적하는것은
아닙니다 초기 제품을 제작하는데 있어 결정되는것이며 시간의 변화에 따라 위항의 답변처럼 약간의 변화는 있을 수 있습니다.
좀 더 자세한 내용을 원하시면 전화 3282-7520(답변자)
또는 3282-7543(연구소 이종우 차장)에게 문의 바랍니다
8.Fundamental 과 3re overtone 의 차이는 무엇 입니까?
같은 주파수라도 둘다 가능하다면 어떤 것이 더 특성이 좋으것 입니까?
답변 기다리겠습니다.
crystal은 두께진동에 의해 주파수를 발생합니다. 따라서 두께가 얇아짐에 따라 주파수가 증가합니다.
이러한 crystal이 발생하는 주파수는 fund, 3rd, 5rd....와 같은 주파수 대역을 가지고 있는데, 이는 어떤 주파수를 이용하는야에 따라 달라집니다.
예를 들어 20MHz를 발생하는 두께를 가진 crystal의 경우는 사실상 20, 60, 100MHz 대역의 주파수를 발생하고 있는 것이죠..
여기에서 20MHz를 이용하면 fund.이고 60MHz를 이용하면 3rd 가 되는 것입니다.
가장 안정적으로 발진을 할 수 있는 주파수는 FUND.을 이용한 주파수 이지만..두께진동을 하는 crystal은 주파수가 높아지면 두께가 얇아져, 가공 및 제작하기가 힘들어집니다.(fund. 고주파수가 가격이 높은 이유가 여기에 있습니다.)
이와 같은 이유로 두께는 fund. 두께와 동일하면서 주파수는 3배나 높은 3rd세력을 이용하여 crystal을 만듭니다.
현재는 연마 및 가공 기술이 발달하여 3rd라 할 지라도 안정적으로 발진을 할 수 있으며(물론 fund.비해 약간은 떨어지지만)귀하께서 사용하실 때는 주변의 발진회로와 안정성, 가격적인 측면을 고려하시어 저희 회사 연구원과 상담하시면 보다 귀하의 set에 맞는 crystal spec.을 정하실 수 있습니다.
9.크리스털 진동자사양 예
항목 내용
기준 주파수 (Center Frequency) 21.250MHz.
주파수 허용편차 (Frequency Tolerance) ±10ppm (@25°C)
주파수 안정도 (Frequency Stability) ±3ppm
사용온도범위 (Operation Temp. Range) 0°C to 50°C
저장온도범위 (Storage Temp. Range) -40°C to +85°C
CL (Load Capacitance) 14pF
C0 (Shunt Capacitance) 7pF Maximum
C1 (Motional Capacitance) 15fF Minimum
CI (Resistance) 20 Ohms Maximum
경시 변화 특성 (Aging) ±2ppm/year
발진 방식 (Mode of Operation) Fundamental
구동 레벨 (Drive Level) 0.1 mW
Co/C1 (C0/1 Ratio) 250 Maximum
Trim Sensitivity 20 ppm/pF Minimum
Pullability Not Specified
Spurious -3dB [max]
Type of Cut AT Cut
Package ATS-49/U
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