실험 5 : 수정 발진기 (Crystal Oscillator)

【 이론 】

LC발진기보다 높은 주파수 안정도가 요구되는 곳에서는 수정 제어 발진기가 이용되고 있다. 수정 발진기는 LC회로의 유도성 소자 대신에 수정의 압전(piezo electric)효과를 사용한 것이다. 수정은 그 자체의 고유공진주파수를 가지고 있으나, 최적 성능은 외부 커패시턴스와 결합되어질 때 얻어진다. 수정편의 양면에 교면전위를 인가하면 기계적인 진동이 나타나는데, 수정편은 고유의 공진주파수에서 최대 진폭으로 진동을 하게 된다.

수정편의 전기적 등가회로는 그림 10-10과 같다. 이 회로는 직렬공진회로(손실 저항을 갖는)와 커패시턴스

$$ C_p

를 병렬로 하는 수정편을 나타낸 것이다. 이 두 개의 공진회로(직렬과 병렬)의 공진주파수는 서로 매우 인접(1% 이내)하여 있으므로, 수정편의 임피던스는 좁은 주파수 범위에서 첨예하게 변한다. 이 회로는 매우 높은 Q를 갖는 회로와 등가이며, 실제로 수정편의 Q값은 보통 20,000 정도로부터

$$ 10^6

까지 크게 할 수 있다. 이것은 Q가 약 1,000 정도가 되는 고품질의 인덕터와 커패시터에 비교할 수 있다. 수정편의 특성이 시간과 온도에 대개 양호한 안정도를 가지기 때문에 비교적 넓은 온도범위에 걸쳐 주파수 편차를

$$ +- 0.001%

로 유지할 수 있다.

$$ +- 0.001%

는

$$ +- 10ppm

과 등가이며, 이러한 표현은 아주 적은 분율을 나타내는 데에 적합하다. 또한 수정편이 넓은 온도 변화에 대하여 발진 주파수 안정도를 갖게 하기 위해서는 작은 온도제어오븐(oven) 내에 둠으로서

$$ +- 1ppm

의 안정도를 얻을 수 있다.

수정편은 천연의 석영을 매우 정밀하게 잘라서 제작하며, 절단하는 방법은 전문적인 기술로서 온도, 특성 뿐만 아니라 수정편의 고유 공진주파수를 결정한다. 수정편은 약 15kHz 또는 그 이상의 주파수에서 이용되고 있으며, 주파수가 높을수록 주파수 안정도가 좋아진다. 그러나 100MHz이상의 주파수에서는 수정편이 너무 얇아지기 때문에 취급상 문제가 뒤따른다.

수정편은 앞에서 논의한 LC발진기 회로소자 중에서 인덕터 대신에 사용되고 있으며, 그림 10-11은 특별히 수정발진기를 채용한 피어스 발진기회로이다. 회로에서 FET를 사용하면 FET자체의 높은 임피던스 때문에 수정편에 부하가 가볍게 걸리며, 좋은 안정도를 가지고 또한 Q가 저하되지 않는 장점이 있다. 이 회로는 본질적으로 콜피츠 발진기와 같으며, 인덕터 대신에 수정편이 사용되었고, 분할 커패시터를 FET의 고유접합용량으로 대치한 것이다. 이 접합용량들은 일반적으로 작은 값을 갖기 때문에, 이 발진기는 높은 주파수에서만 효과적으로 동작한다.

피어스 발진기의 특별한 이점은 주파수를 변화시키기가 용이하다는 것이다. 이 회로는 동조회로가 없으므로 그림 10-11의 회로에서 X와 Y점에 다른 수정편을 삽입함으로서 주파수를 쉽게 바꿀 수가 있다. 이것은 여러개의 서로 다른 주파수로 동작할 필요가 있는 무선송신기에 유용한 사양이다.

디지탈 손목시계의 높은 정확도는 수정발진기의 높은 주파수 정밀도에 의존하고 있으며 석영박편은 1개월에 수 초 정도의 오차를 갖는다.