크리스탈(X-tal)은 일정한 공진 주파수에서 정확하고 안정적인 신호를 생성하는 전자 부품이다. 마이크로컨트롤러(MCU)와 같은 디지털 회로에서 클럭 신호로 활용되어 시스템 동작의 기준이 된다. 이러한 크리스탈의 기능과 동작 원리를 알아보도록 하겠다.
크리스탈(X-tal)이란?
크리스탈은 Crystal이라 부르지 않고, X-tal 이라고 표기하 며, 이름 그대로 수정이나 석영(Quartz)이라고도 한다.
크리스탈은 압전 효과(Piezoelectric Effect)를 가지고 있어, 외부 전압에 반응하여 정확하고 안정적인 주파수로 진동을 생성한다. 이러한 특성 때문에 크리스탈은 쿼츠 시계나 전자 회로에서 클럭 신호를 생성하는 데 널리 사용되고 있다.
크리스탈의 기능과 역할
크리스탈의 기능
크리스탈의 기능은 클럭 소스(clock source)를 생성하는 것이다. 크리스탈이 만들어낸 정확한 클럭 신호는 다양한 디지털 회로에서 사용된다.
디지털 회로는 신호를 ‘0’과 ‘1’로 구분하며, 클럭 신호를 기준으로 데이터 처리와 동작이 이루어진다. 따라서 클럭 신호의 정확성이 부족하면 데이터 전송의 타이밍이 어긋나거나 동작이 불안정해질 수 있다.
크리스탈의 역할
크리스탈과 같은 클럭 소스들은 디지털 회로에서 필수적인 요소, 시스템 동작의 기준을 제공한다.
클럭 신호는 디지털 신호 레벨을 구분하고 용도에 따라 그 주기를 변경하여 시스템 동작의 타이밍을 조율하거나 시간 정보를 제공한다.
마이크로컨트롤러/프로세서의 시스템 클럭
마이크로컨트롤러(MCU)나 프로세서(MPU) 등의 시스템 클럭으로 크리스탈이나 오실레이터를 주로 사용한다.
크리스탈의 출력 신호는 시스템 클럭으로 직접 사용되거나, PLL(Phase-Locked Loop)을 이용해 주파수를 조절하여 시스템내에서 사용하는 다양한 기능들을 위한 클럭으로 사용할 수 있다.
RTC의 기준 클럭
RTC(Real Time Clock)는 시간을 정확하게 측정하는데 사용되며, 이때 기준이 되는 클럭으로 크리스탈이 주로 사용된다.
표준 클럭 주파수로 32.768kHz를 사용하며, 일반 전자시계(쿼츠 시계)에서도 동일한 주파수 대역의 클럭 소스를 사용한다. RTC 표준 클럭이 32.768kHz인 이유와 원리는 여기에서 확인할 수 있다.
통신
이더넷 PHY 칩 같은 것들도 기준 클럭으로 사용할 클럭을 외부에 달아주기도 한다.
이더넷 통신 규격(IEEE 802.3)에서 요구하는 100Mbps(100BASE-TX)나 1Gbps(1000BASE-T)를 만족하기 위해 25, 50, 125MHz의 발진기로 PLL을 이용하여 사용한다.
크리스탈의 동작 원리
크리스탈을 이용하여 마이크로컨트롤러(MCU)/프로세서(MPU,SoC,AP), 시계, 통신용 기준 클럭으로 사용할 수 있다는 걸 알겠는데, 어떤 원리로 동작하는 것일까?
크리스탈(X-tal)의 동작 원리를 이해하기 위해선 압전 효과(Piezoelectric Effect)를 알아야 한다.
압전 효과에는 전기적 신호를 기계적 진동으로 변환하거나, 반대로 기계적 진동을 전기 신호로 변환하는 특성을 말한다. 자세한 내용은 여기를 참고하자.
크리스탈의 특성
- 크리스탈은 비대칭적 결정 구조를 가지고 있다. 그래서 전압을 인가하거나 만지면 변형이 발생한다.
- 복원력이 강하다. 물리적 힘(압력)을 주거나 전기적 신호(전압)를 주다 제거 시 원래 모습으로 복구된다.
- 크리스탈은 비대칭적 결정 구조와 복원력이 강하다는 2가지 고유 특성으로 압전 효과가 나타난다.
크리스탈에 전압을 인가했을 때
전압을 크리스탈의 양단에 인가하면 크리스탈 내부에 전기장이 형성되며, 이 전기장의 영향으로 크리스탈 내부의 양전하와 음전하가 재배열되어 전기 쌍극자(Dipole)가 형성된다. 이때 전기장의 극성에 따라 양전하가 +극으로, 음전하가 -극으로 이동하며 크리스탈 표면에는 전위차(Voltage Difference)가 발생한다.
전압을 일정하게 인가했을 때
크리스탈 양단에 일정한 전압을 지속적으로 인가하면 크리스탈 내부에서 양전하와 음전하가 전기장에 따라 한 방향으로 이동하며 일시적으로 변형(진동)이 발생한다. 그러나 전압이 일정하게 유지되면 전기장이 변하지 않기 때문에, 전하의 이동도 멈추게 된다. 결과적으로 크리스탈은 더 이상 진동하지 않으며, 양단에는 일정한 DC 전압만 유지된다.
전압을 주기적으로 인가했을 때
크리스탈 양단에 주기적으로 전압을 인가하면 크리스탈 내부의 전기장이 시간에 따라 변하며 양전하와 음전하가 반복적으로 재배열된다. 전압이 제거되었을 때, 복원력에 의해 내부 구조가 원래 상태로 돌아가려는 기계적 변형이 발생하며, 이러한 과정을 반복하면 주기적으로 진동이 생성된다. 이 진동은 공진 주파수에서 안정적으로 유지된다.
크리스탈의 수축과 팽창
크리스탈에 전압을 인가하면 전기장의 영향으로 크리스탈이 수축하거나 팽창하는 기계적 변형이 발생한다. 전기장 방향에 따라 양전하와 음전하가 서로 밀거나 당기며 크리스탈의 구조에 직접적인 영향을 준다.
- 같은 극성이 많은 경우 : 전기장이 내부 전하를 밀어내어 크리스탈이 팽창한다.
- 반대 극성이 많은 경우 : 전기장이 내부 전하를 당겨 크리스탈이 수축한다.
크리스탈에 극성이 주기적으로 바뀌는 AC 전압을 인가하면 전기장의 방향이 계속 변화하면서 크리스탈 내부 쌍극자가 재배열된다. 이에 따라 수축과 팽창이 반복적으로 발생하며, 크리스탈은 주기적으로 진동하게 된다. 이러한 진동은 크리스탈의 공진 주파수에서 가장 안정적으로 유지된다.
크리스탈을 IC칩에 연결
크리스탈은 DIP타입이나 SMD타입 모두 2개의 핀으로 구성되어 있어, IC에 연결할 때 X1과 X2 사이에 두핀을 연결한다. SMD타입의 경우 실제로는 4핀으로 구성되어 있지만, 연결은 2핀만 한다.
최초에 보드에 전원을 인가하면 크리스탈을 연결한 IC가 XTAL_OUT 핀을 통해 전압을 출력한다. 이 전압으로 크리스탈은 역압전 효과로 인해 진동이 발생한다. 이 진동은 크리스탈의 두께와 크기, 컷팅 각도에 따라 공진주파수가 달라진다.
진동 후 곧바로 정압전효과가 나타나면서 전기 신호를 생성하는데, 이때 공진주파수로 신호가 생성된다. 이 과정은 계속 이어지다 손실 에너지로 인해 서서히 멈추게 된다.
클럭이 멈추지 않기 위해 MCU 같은 IC들이 주기적으로 전원을 주게 되면 무한히 동작할 수 있으나, 소비전력이 늘어날 것이다. 그래서 IC 내부에 별도의 발진회로가 내장된 경우가 많다. 아까 위에서 XTAL_OUT 핀을 통해 전압을 출력하는 것도 바로 이 발진회로가 한 것이다.
발진회로는 크리스탈의 진동을 시작시키는 초기 신호를 제공하며, 진동 과정에서 발생하는 에너지 손실을 보상하기 위해 신호를 증폭하여 크리스탈의 공진 주파수를 유지한다.
발진회로는 크리스탈로 부터 피드백 신호를 받아 증폭과 위상 조절을 통해 지속해서 공진을 유지하며, 최종적으로 안정적인 클럭 신호를 출력한다.
부하 캐패시터는 크리스탈 회로에서 크리스탈이 안정적으로 공진 주파수에서 동작할 수 있도록 돕는 역할을 한다.
부하 캐패시터의 용량 값은 크리스탈의 공진 주파수와 직접적으로 관련되며, 적절한 값으로 설정하지 않으면 크리스탈의 공진이 불안정해질 수 있다.