수정 클록 제너레이터의 응력문제를 해결한eoSemi 솔루션
지난 수십 년 동안 수정이 클록 제너레이터 시장을 장악할 수 있었던 것은 광범위한 시스템에서 정확한 클록 신호를 생성할 수 있는 유일한 소재였기 때문이었다. 하지만 수정에는 너무 많은 제약이 있어 스마트폰, 미디어 플레이어와 같은 휴대용 기기 설계자들은 갈수록 다루기 어렵게 됐다. 따라서 엔지니어들은 한 동안 수정을 대체할 다른 소재를 연구해왔다. 최근 수정을 대신할 대체재로 실리콘 오실레이터 기술이 등장했다.
Steve Cliffe eoSemi
수정이 그 동안 시장을 장악할 수 있었던 이유는 간단하다. 약 1백년 전에 월터 캐디(Walter Cady)가 수정의 압전 특성을 이용한 오실레이터를 처음으로 만들었다. 수정 결정체에 전기 펄스를 가하면 결정 구조가 진동하면서 전기 신호가 생성된다. 여기에 전기 피드백을 가하면 공명 효과에 의해 수정이 특정 주파수를 중심으로 공진한다.
현재의 기술을 기준으로 보면 초기에 만들어진 수정 공진자는 클록 발생 타이밍이 정확하지 않았지만, 시간이 흐르면서 엔지니어들이 수정 공진자의 공명(Q)을 향상시키고 공진 주파수를 아주 작은 범위로 제한할 수 있도록 하는 커팅 및 쉐이핑 기술을 개발했다.
하지만 수정 오실레이터는 아직도 많은 문제를 갖고 있다. 일단 수정 공진기의 정확도는 크기와 모양에 따라 크게 달라 진다. 크기가 아주 작은 수정은 상대적으로 큰 수정보다 주파수 안정도가 떨어진다.
또한 커팅 방법에 따라서는, 온도의 영향을 많이 받는 이 재료의 특성상 제거되지는 않지만 조정할 수는 있는 2차 또는 3 차 다항곡선을 만들어 내게 된다.
일반적으로 많이 사용하는 AT 커팅을 사용하면 석영 로드 (rod)를 35.25°의 각도로 절삭해 수정 격자가 만들어지며, 3차 온도 특성 곡선이 상온 부근에서 가장 평탄해지므로 군사용 기기에서 요구하는 온도 범위에서 디바이스를 사용할 수 있게 된다. SC 커팅을 사용할 경우 반대로 120℃ 부근에서는 거의 평탄한 모습을 보이지만, 50℃ 미만에서는 공칭값과 괴리가 있는 편차가 나온다. 따라서 이 방법을 통해 만들어진 수정 오실레이터는 온도가 높은 환경에서 사용하는 데 적합하며, 네트워크 장비 등에 사용되는 오븐 제어 수정 오실레이터(온도 가 안정된 환경에서 사용)에 사용된다.
휴대용 기기에 쓰이는 32kHz 마스터 클록은 튜닝 포크 (Tuning Fork) 구조를 사용하며 온도 특성 자체는 상대적으 로 단순하지만, 제조 분산(Manufacturing Variance)이 100ppm이고 상온 범위의 양 끝단 중 한 곳에서 공칭값과의 편차가 최대 100ppm이 된다.
비록 이러한 온도 특성은 서미스터를 여러 개 사용하여 수정할 수 있고, 대부분의 휴대용 기기에서 볼 수 있듯이 디지털 제어 장치 및 온도 센서를 사용하여 수정할 수도 있지만, 이것 역시 베이스밴드 컨트롤러를 설계할 때 보정 회로를 구현해 넣어야 한다는 단점이 있다.
SC는 Stress Compensated(응력 보상)의 약자이며, 그 이름에서도 알 수 있듯이 클록 제너레이터로 쓰일 때 또 다른 문제점이 있다.
부정확한 클록 발생의 또 다른 원인 중 하나는 기계적 응력이며, 수정 오실레이터에 에이징(Aging) 효과가 발생하게 되는 주요 요인이다.
처음에는 수정 웨이퍼 가장자리에 장착된 기계 장치에서 발생한 압력으로 인해 마이너스 방향으로 주파수 편이가 발생하고, 시간이 지나 응력이 완화되면서 진동수가 증가한다. 따라서 이런 에이징으로 인한 변형을 보정하도록 조치를 취해야 한다.
수정은 크기에 민감한 재료이다. 수정의 크기가 작을수록 성능이 저하될 뿐 아니라, 실제 수정 오실레이터 패키지의 크기를 줄이면 다양한 환경에서 클록 제너레이터로 작동하는 데 필요한 특성을 모두 갖추게 되지는 않는다. 클록 제너레이터의 안정성을 보장하려면 수정 오실레이터 회로에 스트레이 간섭(Stray Interference)을 방지하기 위한 조치를 취해야 한다. 이렇게 하려면 회로의 대부분을 수정 패키지 및 이를 지원하는 패시브 부품들로부터 격리해야 하며, 회로 아래쪽에 있는 PCB 기판 레이어로부터도 격리되어야 한다(그림 2).
수정 공진자는 부유 용량(Stray Capacitance) 및 PCB 기판에서 발생하는 다른 신호로부터 발생된 노이즈에 민감하다. 예를 들면 클록으로 연결된 선이나 고주파 데이터 버스는 오실레이터 피드백 루프에 스위칭 노이즈를 넣어 사인파(Sine Wave) 신호를 약하게 만들 수도 있다. 따라서 수정 패키지의 핀과 신호선(Aggressor Trace) 사이의 용량 결합이 저하되지 않도록 수정 오실레이터를 고주파 디바이스 및 신호선에서 격리시켜 놓아야 한다.
로드 커패시터(Load Capacitor)는 오실레이터 회로에 반드시 필요한 부품이며, 이를 위해 추가로 조치를 취해야 한다. 이 부품을 효율적으로 격리시키려면 오실레이터 회로 내부의 큰 접지 편면에 연결해야 한다. 기생 용량을 줄이기 위해 입출력 핀에 연결된 신호선을 되도록 멀리 떼어 놓아야 한다.
이러한 요건을 모두 갖추면 수정 오실레이터 패키지 자체보다 훨씬 더 큰 면적을 차지하게 된다. 또한 회로 연결 민감성이 증가하여 그렇지 않아도 작은 외장 내부에 디스플레이, 카메라, 안테나 등 덩치가 큰 부품을 넣어야 하므로 회로 설계가 더 복잡해진다.
회로 디바이스를 오실레이터, 로드 커패시터, 접지 편면에서 격리시켜야 하므로, 8레이어 PCB 기판에 회로를 넣을 때 최대 80mm2의 면적이 여기서 낭비된다.
실리콘 오실레이터는 수정 오실레이터와 비교했을 때 여러 가지 잠재적 이점이 있다. 실리콘 오실레이터는 기생 용량에 대한 저항성이 훨씬 더 우수하며 별도의 부품이 필요하지 않으므로 회로에서 훨씬 적은 면적을 사용한다.수정 오실레이터를 대체할 가장 현실적인 대안은 MEMS(Microelectromechanical Machine : 미세 전자 제어 장치)이다. 여기서는 기계적 공진기를 핵심 주파수 생성기로 사용하면 이것을 실리콘 웨이퍼에 에칭하고 신호 제어 회로에 연결하여 사용한다.
MEMS 기술을 사용하면 공진 주파수가 온도에 따라 다르지만, 수정 오실레이터를 사용할 때보다 좀 더 선형으로 변경 되는 특성이 있어 보정하기 쉽다.
원칙적으로 MEMS 공진기와 여기에 필요한 CMOS 회로는 한 개의 디바이스에 집적해 넣을 수 있지만 실제로는 그렇게 하지 않기 때문에 제품의 크기가 커진다. 그리고 또 한 가지 고려할 것은 이 공진기가 습도에 민감하다는 점이다. 웨이퍼 분자의 무게가 늘어나면 아주 작은 공진 빔(Resonating Beam)으로 흡수되며 공진 주파수가 달라진다. 이를 방지하려면 MEMS 디바이스를 완전히 밀봉된 패키지 안에 넣어야 하는데, 이렇게 하면 비용이 증가한다.
인덕터와 커패시터로 구성된 이 LC 회로를 사용하면 안정성과 정확성이 높은 클록 제너레이터를 만들 수 있으므로 기계적 공진기를 전혀 사용하지 않고도 공진 전자 회로를 구현 할 수 있다.
이 회로가 사용된지는 수 년이 지났지만 공진 안정성은 심지어 비보정형 수정 오실레이터(Uncompensated Quartz Crystal)보다 훨씬 더 떨어진다. 하지만 생산 기술과 회로 설계의 발전으로 인해 공진 회로 출력의 정확도와 주파수 안정성이 비약적으로 향상됐다.
일반적인 실리콘 클록에서는 테스트를 통해 제조 가변성을 줄이고 동적 온도 보상을 수행할 수 있는 보정 계수를 선택해야 한다. 지금까지 만들어진 디바이스를 사용하면 전류 소모량이 많아진다. 이는 이러한 디바이스가 아주 높은 주파수에서 작동한 후 전류를 나누기 때문인데, 휴대용 기기에 사용하기에는 적합하지 않다. 전류 소모량은 작동 온도 범위를 아주 좁게 유지해야 하므로 실리콘 오실레이터의 열적 안정성에 도움이 된다. 하지만 좀 더 정교한 전자 보정 기술을 사용하면 좀 더 낮은 주파수에서 손쉽게 작동하고 전력 소비가 적은 아키텍처를 사용하는 핵심 아날로그 회로의 안정성을 향상시킬 수 있다.
실리콘 오실레이터 제조업체가 아직까지 생각하지 못하고 있는 점 중 하나는 응력(Stress)을 어떻게 다루느냐 하는 것이다. 비록 LC 회로의 공진자가 기계 부품은 아니지만, 수정 오실레이터와 마찬가지로 응력이 회로 작동 주파수에 큰 영향을 미친다. 시스템 온도가 변경됨에 따라 응력이 쌓이고 PCB 회로 구성에 따라서는 부품 수백 개의 성능이 표시 성능보다 백 만분의 일 단위로 변경될 수도 있다. 이와 같은 응력은 대부분 PCB, IC 패키지 및 IC의 열팽창이 각기 다르기 때문에 발생한다.
비록 이 응력 문제는 온도 변형시와 마찬가지로 코어 오실레이터 회로의 용량이 주변 환경에 맞춰 변경되도록 조치하여 보정할 수 있지만, 실리콘 클록 제너레이터 제조업체에서는 응력을 어떻게 측정하느냐 하는 고민을 안게 된다.
eoSemi는 ATOCTM(Accurate Timing Oscillator Circuit : 고정밀 타이밍 오실레이터 회로) 클록 제너레이터(그림 3) 개발의 일환으로 한 개의 실리콘에 온도 센서와 응력 센서를 한 꺼번에 집적해 넣을 수 있는 기술을 개발했다. 이제 설계 제약 없이도 사용 공간을 대폭 줄임으로써 실리콘 오실레이터 기술 이 수정 오실레이터에 도전할 수 있는 길이 열린 것이다. 
eoSemi의 클록 제너레이터 패키지는 약 2mm2(그림 1) 정도의 면적만 차지할 정도로 작으며, 그 크기는 수정 오실레이터 회로를 사용했을 때에 비해 1/10 정도이다. 또한 이 제품은 수정 오실레이터와 달리 IC에 클록 신호를 보낼 때 낮은 인덕 턴스를 사용할 필요가 없으므로 PCB 회로 기판의 어떤 위치에 놓아야 하는가 라는 부분에 크게 구애 받지 않는다. 이 클록 제너레이터는 온도 및 응력을 보정함으로써 매우 안정성이 높으며 오차도 50ppm 이하이다.
ATOC 기술을 사용하면 실리콘 오실레이터가 가진 문제를 극복하여 수정 오실레이터가 가진 제약을 극복한 휴대용 장비를 만들 수 있다.
