그림으로 배우는 전자회로의 기초 (3) - 그림으로 배우는 발진 회로

그림으로 배우는 전자회로의 기초 (Ⅱ) - 그림으로 배우는 발진 회로

 

그림으로 배우는 전자회로의 기초 (Ⅱ) - 그림으로 배우는 발진 회로




수정진동자가 발진하는 구조

1. 전압을 가하면 안정적으로 진동하는 주파수가 있다

수정진동자는 마이컴이나 디지털 회로의 클록 신호 생성 등에 사용된다. 그 속에는 무색투명한 판 형태의 수정판이 들 어 있다. 수정은 Si와 O₂가 결합한 단결정이며 압전 특성을 갖고 있다.
압전 현상이란 기계적인 압력을 가하면 전하를 발생하는 성질이나, 전하를 가하면 왜곡을 일으키는 물리적인 성질을 말한다(그림 1). 

수정 판면에 마주보는 전극이 달려 있고, 각각 수정진동자 의 외부 단자와 외부 전극에 연결되어 있다. 예를 들어 MHz 대에서 진동하는 수정진동자의 경우, 전압을 가하면 그림 2 와 같이 두께에 대해 직각 방향으로 진동한다. 수정은 상호 직각인 방향에서 X, Y, Z 결정축을 갖고 있다. 그 축에 대해 일정 각도에서 판형태를 잘라내면 주파수-온도 특성이 좋고 안정적으로 진동하는 수정편을 얻을 수 있다(그 림 3). 단, 수정진동자는 스스로 진동하지는 못한다. 아날로 그 반전 앰프와 함께 사용해야 한다.


2. 압력을 가하는 것뿐이라면 진동은 바로 멈춘다

수정 자체는 압전 특성을 갖고 있어 압력을 가하면 내부에 서 분극이 발생, 상대 면에 전하를 발생시킨다. 그러나 압력 을 계속 가하게 되면 발생한 전하는 매우 짧은 시간에 없어져 버린다. 
그림 4는 실제로 수정진동자 양 단자에 5V의 직류 전압을 가해 개방했을 때의 발생 전압을 FET 프로브로 측정한 전압 파형이다. 전압을 가하면 멈춘 순간에 수정진동자 양 끝 직류 전압이 약 20㎲ 후 0V 부근으로 떨어지고, 그 후에는 교류 전압이 발생한 것처럼 보인다. 약 3ms 후에는 진동이 감쇠되 어 보이지 않게 된다(노이즈에 묻히게 된다). 

진동하고 있는 것처럼 보이는 부분을 확대하면 그림 4(b)와 같은 특성이 된다. 수정진동자 단자 사이에 발생한 교류 전압의 주기는 1MHz이며 진폭은 40mV_P-P 정도이다. 1MHz 의 수정진동자가 진동하고 있다는 것을 알 수 있다. 여기서는 수정진동자에 가한 직류 전압을 OFF로 하여 측 정했지만 아무 것도 가하지 않은 상태에서 직류 전압을 더하 면 마찬가지로 교류 전압이 발생한다.

3. 반전 증폭되어 돌아오면 발진이 계속된다

수정진동자의 단자 2개에는 역상 교류 전압이 발생한다. 한쪽 단자에 발생한 교류 전압을 높은 임피던스의 반전 앰프 로 증폭해 수정진동자의 또 다른 한쪽 단자(가령 OUT 단자 라고 한다)에 가하면, OUT 단자에 연결된 수정편의 전극에 가해진다. 그렇게 되면 반전 측 단자(IN 단자라고 한다)에는 OUT 단자에 가한 교류 전압에 비례하는 역위상 교류 전압이 발생한다.
이어서 IN 단자에 나타난 교류 전압은 반전 앰프로 증폭되 어 OUT 단자에 가해진다. 이 동작이 수㎲∼수ms 사이에 최 대 진폭에 도달하여 계속 진동하게 된다. 계속되는 진동은 발 진이다. 
최대 진폭은 반전 앰프의 전원 회로에서 공급되는 전압 범 위로 제한되므로, DC 5V에서 동작하는 발진 회로라면 0∼＋5V 범위이다.

4. 수정진동자와 발진 회로가 매치되지 않으면 움직이지 않는다

수정진동자는 발진 회로와 조합하면 안정적으로 진동할 수 있다. 진동의 종류는 회로에서 수정진동자 전극에 가해지는 직류 전압이나 미소 노이즈 레벨 전압이다. 확실히 수정진동 자를 진동시키기 위해서는 발진 회로 전체가 일정한 조건을 만족해야 한다(그림 5).            


수정발진 회로가 동작을 시작할 때의 파형

수정발진 회로의 이상이라고 하면, 전원을 ON으로 한 직후 발진 진폭이 안정적인 주파수로 출력 단자에 나타나는 것이다. 현실에서는 발진 출력이 나타나는 동안 터무니없이 변화한다. 필자는 다른 곳에서 전원 ON일 때의 실제 발진 파형을 본 적이 없으므로소개해둔다.
그림 A는 16MHz인 CMOS 수정발진 회로의 기동 특성을 나타낸 것이다. 그림 A(a)가 기동 시의 진폭 변화, 그림 A(b)가 주파수 변화이다. 두개의그림은가로축의시간축을대비시킨것이다.

1. 진동시작

발진 회로에서 수정진동자에 전압이 가해지면 발진 회로는 순간적으로 진동을 시작한다. 그러나 이 때의 진폭은 매우 작으므로 노이즈에 묻힌다. 오실로스코프 등으로 진동 파형을 관측하는것은 매우어렵다.
진폭이 서서히 증가할 경우 주파수도 측정할 수 있지만 수정진동자의 일반적인 진동이 아니며, 발진주파수가 위아래로 약－6000ppm∼＋5000ppm이나크게변화한다.

2. 이행기간

⇔ 부분에서는 수정진동자가 직렬 공진과 병렬 공진을 교대로 반복하면서 서서히 직렬 공진을 향해 이행한다. 이 때 진폭은 오실로스코프로관측가능한레벨에서서서히증가한다.
그 후 진폭이 급격하게 증가할 때에는 수정진동자가 일반적인 진동으로 이행하므로 발진주파수도 빠르게 안정되어 간다. 1200㎲에서 1500㎲까지는 진폭이 정상 상태에 가까워지지만 발진주파수가 약간 하강한다. 스케일 관계로 인해 주파수가 안정된것으로보이지만, 실제로는주파수가약간하강하고있다.

3. 안정발진

수정발진 회로에서는 진폭이 완전히 안정되지 않을 경우 발진 주파수도 일정해지지 않는다. 일시적으로 진폭이 정상 대비 90%에도달할때까지의시간을시동시간이라고한다.
이 회로의 예에서는 전원을 ON으로 하고 나서 1500㎲ 후에는 안정된 진폭과 주파수로 발진하는 정상 발진이 된다. 발진 상태가 완벽하게 안정될 때까지의 시간은 수정발진 회로의 회로 조건에따라다르다.

수정발진 회로의 동작

그림 6은 수정발진 회로의 기본형을 나타낸 것이다. 디지털 소자의 인버터를 반전 앰프로 동작시켜 수정진동자와 조합했다.
발진 회로 전원이 ON되면 미소한 직류 전압이 수정진동자에 가해지고 수정진동자는 진동하기 시작한다. 발진 시작 초기에는 미약한 진폭이지만, 진동 전압이 반전 앰프의 IN 단자에 가해지면 반전 증폭되어 역극성 진폭으로서 OUT 단자에 나타난다. 동시에 이 진동 전압은 OUT 단자에 접속되어 수정진동자에 가해진다. 그러면 진동 전압의 진폭이 커져 발진이 계속된다.

1. COMS 발진 회로의 동작

(1) 인버터(반전 앰프)와 귀환 저항 R_f

그림 7은 CMOS 수정발진 회로의 기본형이다. 인버터는 디지털 반전 소자이므로 그것만으로는 수정진동자를 발진시킬 수 없다. 이것을 아날로그 반전 앰프로 동작시키기 위해 귀환 저항 R_f를 인버터의 IN과 OUT에 접속한다.
R_f가 접속됨에 따라 인버터의 입출력 단자는 자기 바이어스되어 거의 V_DD/2로 되며 아날로그 반전 앰프로서 동작한다. 이로써 발진 초기의 미소한 진동도 증폭할 수 있게 된다.
① 반전 앰프는 보통 마이컴에 내장되어 있다
언버퍼 타입의 범용 인버터가 수정발진 회로에 이용되고 있으며 범용 IC를 사용하여 수정발진 회로를 만드는 경우도있다. 마이컴 클록으로서의 용도가 많은 현재는 대부분의 경우 반전 앰프(인버터)가 내부 클록 발생 회로로 LSI에 내장되어 있다. 이 경우 귀환 저항 R_f도 LSI에 내장되어 있다.

(2) 부하 콘덴서 C₁, C₂ 

이것은 다음과 같이 두 가지 역할을 담당한다.
① 역할 1 : 발진 회로를 안정시킨다
하나는 수정진동자 전극에 발생하는 전하를 충방전하여 발 진을 안정시키는 역할이다. 여기에 3pF 미만의 콘덴서를 사 용하면 기동이 불안정해져 수정진동자가 진동을 시작할 수 없게 될 수도 있으므로 각각 3pF 이상으로 해야 한다. 
② 역할 2 : 발진주파수를 맞춘다
또 하나는 발진 회로의 부하용량으로 기능하여 발진주파수 를 원하는 주파수에 맞추는 역할이다. 이 부하용량에는 두 가 지가 있다. 한쪽은 수정진동자를 접속하는 단자에서 본 회로 측 콘덴서 성분인‘발진 회로의 부하용량’이고, 다른 한쪽은 수정진동자를 제작할 때 수정진동자에 직렬 접속하여 원하는 주파수로 조정할 때의‘수정진동자의 부하용량’이다. 
C₁과 C₂를 적절한 값으로 선택해 회로 측 부하용량을 수정 진동자의 부하용량에 맞추면 원하는 주파수를 얻을 수 있다. 일반적으로 여기에는 CH 특성의 콘덴서를 사용한다. 발진 회로의 부하용량은 C₁, C₂나 프린트 기판, 인버터 등의 기생 용량 성분의 합계이다. 

(3) 댐핑 저항 R_d

① 역할 1 : 고조파로 발진하는 것을 방지한다
MHz대의 수정진동자는 주로 3MHz ∼60MHz 정도가 생산되고 있다. 일반 적으로 기본파 모드에서 진동하도록 설 계되어 있는데, 3배나 5배 등 홀수 차 오버톤 모드에서 진동 하는 성질을 갖고 있다. 
오버 톤 주파수대의 게인이 기본파 주파수대보다 큰 반전 앰프와 조합하면 수정진동자는 기본파의 3배나 5배 등의 홀 수 차 오버톤 모드로 발진시킬 수 있다. 예를 들어 4MHz 수정진동자를 발진시킬 경우, 게인이 4MHz보다 12MHz로 큰 반전 앰프를 사용하면 12MHz에서 발진한다. 또한 12MHz나 그 이상의 주파수대에서 반전 앰프 의 게인을 작게 해야 한다. R_d는 이러한 목적으로 사용된다. 
R_d는 주로 10MHz 이하의 CMOS 발진 회로에서 수정진동 자가 오버톤 발진하지 않도록 하기 위해 사용된다. C₂와의 조 합으로 로우 패스 필터를 형성해 반전 앰프의 주파수 특성을 조정한다. 발진시키려고 하는 주파수의 3배 주파수대 앰프 게인을 저하시켜 오버톤 발진을 예방한다(그림 12). 

② 역할 2 : 진동 에너지가 너무 커지지 않도록 억제한다 
기타 10MHz 이상의 주파수대에서 수정진동자의 여진 전 력을 저하시키는 효과도 있다. 여진 전력이 커지면 수정발진 회로에서 허용 여진 전력이 작은 수정진동자를 안정적으로 발진시키기 위해 R_d가 사용된다. 
주로 20MHz 이상이고 크기가 5.0mm×3.2mm 이하인 SMT 수정진동자를 발진시킬 때, Rx만으로는 여진 전력 저감 효과가 충분하지 않은 경우 등에 사용한다. R_x를 사용해도 여 진 전력이 허용값을 넘는 발진 회로에서는 R_d를 병용함으로 써 발진 주파수가 계속 변동하거나 미소한 점프를 반복하는 불량을 예방할 수 있다(그림 14).


(4) 여진 전류 제한 저항 R_x

수정진동자에 저항기를 직렬 접속하여 수정진동자에 흐르는 고주파 전류(여진 전류)를 제한해 여진 전력 증가를 방지한다. 주로 20MHz 이상의 주파수대에서 5.0mm×3.mm이하 크기의 수정진동자를 전원전압이 3.3V∼5V인 발진회로에서 발진시킬 때 사용한다. 다른 역할로서 R_d 정도는 아니지만 오버톤 발진을 예방하는 효과도 있다.

마이컴은 최대 발진주파수의 1/2 정도에서 움직인다

1. 마이컴/LSI가 내장된 반전 증폭용 인버터나 귀환 저항 R_f는 스스로 선택할 수 없다
예를 들면, 범용 인버터는 표 A와 같이 발진주파수에 적합한 특성이 있으므로 이 중에서 선택할 수 있다. 그러나 LSI 내장 인버터는 IC 메이커가 인버터를 설계하므로 발진주파수에 맞춘 인버터를 스스로 선택할 수 없다.

2. 대부분은 주파수가 높은 영역에서 게인이 부족한 듯 하다
일반적으로 LSI에는 내부 분주 회로나 PLL 회로를 사용하여 몇 가지 주파수의 수정진동자를 사용할 수 있도록 설계되어 있다. 그러나 수정진동자를 발진시키기 위한 인버터의 특성은 다양하다. 특히 사용할 수 있는 상한 주파수에서 수정진동자를 발진시키기 위한 게인이 부족한 LSI는 상당히 많다.
수정발진 회로에서는 발진 마진(발진 회로의 부성 저항÷수정진동자의 부하 시 공진 저항)의 기준이 되는 인버터 능력(게인)은 낮은 주파수대에서 커지고 높은 주파수대에서 작아진다. 그러한 경우 상한 주파수에서는 게인이 작아지므로 발진 마진이 작아져 발진 회로의 신뢰성이 떨어지게 된다.

3. 현실적인 답 : 상한 발진주파수가 20MHz인 마이컴이라면 1/2인 10MHz 정도에서 발진시키는 것이 더 좋다
LSI 데이터시트에‘4MHz, 8MHz, 12MHz, 16MHz, 20MHz 사용 가능’등 비교적 넓은 범위가 기재되어 있다면 16MHz나 20MHz의 게인이 작은 경우가 있으므로 주의가 필요하다.
그러한 경우 상한 주파수의 절반 이하의 주파수를 선택하면
충분히 큰 발진 마진을 쉽게 얻을 수 있다. 예를 들어 4MHz, 8MHz, 12MHz, 16MHz, 20MHz를 사용할 수 있는 LSI의 경우 8MHz에서 12MHz 사이에 클록 주파수를 선택하면 발진 마진이나 여진 전력, 기타 여러 특성이 양호한 수정발진 회로를 쉽게얻을수있다.

발진주파수는 외장 콘덴서 C₁/C₂로 미세 조정할 수 있다

1. 부하 콘덴서 C₁, C₂의 용량값을 바꾸면 발진주파수를 미세 조정할 수 있다

수정진동자는 부하용량값(C₁/C₂ 등)의 크기에 따라 발진주파수가 변화하는 성질을 갖고 있다. 수정진동자가 양산될 경우에는주파수편차중심값의오프셋이변화하게된다(그림 8).

예를 들어 수정진동자 메이커 카탈로그에 있는 부하용량값이 8pF인 경우, 수정진동자에 8pF의 콘덴서를 직렬 접속하여 수정진동자의 직렬 공진점이 공칭주파수에 맞도록 수정진동자를 미세 조정한다.
다수의 수정진동자를 생산하면 공칭주파수에 대한 주파수 편차가 발생한다. 그 범위는 실온 편차라 불리며 공칭주파수에 대해‘±50×10^-6’등과 같이 표시된다.

2. 계산! C₁과C₂를 바꿨을 때 주파수가 어느 정도 변할까?

특성도에서 16MHz인 경우를 예로 들어 수정진동자의 부하용량과 발진 회로 부하용량의 관계에 대해 생각해 보자.
그림 9, 그림 10에서 R_d를 사용하지 않은 경우를 살펴보면 부하 콘덴서 C₁＝C₂＝6pF일 때의 회로 부하용량은 그림 9에서 약 8pF이 된다. 측정에는 부하용량＝8pF의 수정진동자를 사용했으므로 그림 10을 보면 그 때 주파수 편차의 오프셋 값은 거의 제로이다. 이 때 실온 편차＝±50ppm(±800Hz)의 수정진동자를 사용하면 양산 레벨의 발진주파수 편차는 15999200Hz∼16000800Hz의 범위가 된다.
C₁, C₂를 각각 8pF으로 변환하면 그림 9에서 회로의 부하 용량은 9pF보다 약간 커진다. 그 때 주파수 편차의 중심값 오프셋은 그림 10에서 약 －50ppm이 된다. 그렇다면 주파수 편차의 범위는 －100ppm∼±0ppm이 되므로 주파수 환산으로는 (15998400Hz∼16000000Hz)의 범위가 된다.


3. 흐트러지면 안 된다! 수정진동자의 부하용량과 발진 회로의 부하용량

수정진동자의 부하용량은 제조 시 수정진동자에 직렬 접속, 수정진동자의 내부를 미세 조정하여 원하는 주파수에 맞추기 위한 콘덴서이다. 수정진동자 메이커의 카탈로그에는 8pF이나 12pF 등으로 기록되어 있다.
회로의 부하용량이란, 수정진동자를 접속하는 단자에서 본 용량성 성분의 합계이다. 부하용량 12pF의 수정진동자란, 그림 7과 같은 수정발진 회로에서 C₁이나 C₂에 12pF을 사용한다는 것을 의미하는 것이 아니므로 주의한다.


부하 콘덴서 C₁/C₂ 선택 방법에 따라 발진 정지 난이도가 달라진다

1. 수정발진 회로의 증폭도를‘부성 저항’이라고 한다

발진 회로의 증폭도를 나타내는 파라미터를 부성 저항이라고 한다. 부성 저항은 발진 회로가 갖고 있는 능력이다. 수정 진동자의 내부 저항이 커졌을 때 어느 정도까지 발진 가능한지를 나타내는 기준으로, 마이너스 저항값으로 나타낸다. 마이너스의 값이 클수록 게인이 커진다.

2. 수정진동자에는 갑자기 내부 저항이 커지는 불량 모드가 있다

수정진동자에는 돌발적으로 내부 저항이 커지는 불량 모드가 있는데 DLD 불량이라고 한다. 수정진동자 제조 시 실수로 내부에 봉입된 작은 먼지가 검사 후 수정편 전극에 고착되어 수정 진동을 방해함으로써 일어난다.
메이커 출하 검사 시 대부분 검출되지만, ppm의 비율로 검사에서 누락되어 출하되는 경우가 있다. 검사할 때 수정편에 고착되어 있지 않으면 양품으로 출하되기 때문이다. DLD불량으로 내부 저항이 어느 정도까지 커지는지는 먼지의 크기나 질량, 고착 강도에 따라 다르다.

3. 내부 저항 증가에 의해 발진이 멈추지 않도록 발진회로 증폭도에 보험을 든다 … 발진 마진

가령 내부 저항이 100Ω인 수정진동자가 1000Ω으로 변화 했을 때, 발진 회로의 부성 저항이 －500Ω인 경우에는 발진이 일어나지 않는다(그림 11). 이 회로의 부성 저항이 －1000Ω이상으로 설계되어 있으면 발진이 일어나지 않는 불량은 피할 수 있다. 발진 회로의 부성 저항을 어느 정도로 설계할 것인지는 보험과 동일한 효과가 있다.
발진 마진은 발진 회로의 부성 저항을 수정진동자 내부 저항으로 나눈 값이다. 계산식의 분모가 되는 값은 수정진동자 카탈로그에 있는 직렬 저항 R1의 최대값을 토대로 회로의 부하용량과 수정진동자의 등가상수에서 산출된다.


4. 부성 저항은 부하 콘덴서 C₁/C₂에 따라 변화한다

발진 회로의 발진 능력은 반전 앰프의 증폭도나 회로상수, 프린트 기판의 배선 패턴이 가진 기생 용량에 의해 좌우된다. 이것이 마이너스의 저항값‘－R’이다. 발진 마진이 크면 예기치 않은 수정발진 회로의 이상이 일어났을 때 비발진을 피할 수 있는 가능성이 커진다. 수정발진 회로의 이상이란, 반전 앰프의 게인이 급격하게 저하하거나 수정진동자의 내부 저항이 급격하게 커지는 트러블을 말한다.
그림 12와 같이 C₁, C₂를 바꾸면 부성 저항이 변화한다. 그림 7의 댐핑 저항 R_d를 사용하면 3배 고조파의 부성 저항을 작게 할 수 있다.

5. 발진 마진은 너무 커도 독이 된다

발진 마진은 너무 커도 좋지 않다. 현실에서 10kΩ이 넘는 MHz대 발진 회로의 경우, 수정진동자 고유의 공진주파수와 관계없는 주파수에서 발진하기 쉬워지므로 바람직하지 않다. 강한 부성 저항 발진 회로는 보험이 되지만 너무 지나치면 역효과가 발생하는 경우도 있는 것이다.  

부하 콘덴서 C1/C2가 너무 크면 발진주파수가 점프/변동한다 … 최악의 경우 파괴된다

수정진동자의 내부 저항은 부하용량이 커지면 작아지는 성질이 있다. 수정발진 회로는 정전압 회로이므로 수정진동자의 내부 저항이 작으면 수정진동자에 큰 전류가 흘러 여진 전력도 커진다. 여진 전력이 너무 크면 발진주파수가 점프하거나 변동한다. 최악의 경우 파괴된다(그림 13).

1. 여진 전류가 너무 크면 … ① 발진주파수 점프가 일어난다

수정발진 회로에서 진동 중인 내장 수정편은 그림 2와 같은 편이를 반복한다. 진동 편이는 중심 부분에서 최대가 된다. 편이량은 수정진동자에 흐르는 여진 전류에 비례하여 커진다.
여진 전류가 너무 커지면 그림 2에 나타난 편이 부분의 왜곡이 과대해진다. 이 경우 수정편의 평행도가 유지되지 않아 발진주파수 변동이나 미소한 점프가 일어난다.

2. 여진 전류가 너무 크면 … ② 자기 발열에 의해 발진 주파수가 변동한다

여진 전류와 수정진동자의 내부 저항(부하 시 공진 저항)에 의해 수정진동자 내부에서 소비되는 에너지가 여진 전력이다. 다양한 수정발진 회로에서의 여진 전력이 32.768kHz인 경우에는 0.1μW∼0.5μW 정도이며, MHz의 수정진동자에서는 수μW∼수mW이다. 그림 14는 그 예를 나타낸 것이다.
수정진동자는 주파수-온도 특성을 갖고 있기 때문에, 자기 내부 발열에 의해 발진주파수가 그 수정진동자의 온도 특성 곡선에 따라 변화한다.
안정적인 주파수에서 발진하는 것이 바람직한 경우 여진 전력의 허용값이 수정진동자 메이커의 카탈로그에 기재되어 있으므로, 그 범위 내에서 수정진동자가 동작하도록 회로를 설계해야 한다.
MHz대 수정진동자에서는 모델명이나 공칭주파수에 따라 다르지만 100μW, 300μW, 500μW 등의 허용값이 있다.

3. 여진 전류가 너무 크면 … ③ 최악의 경우 파괴된다

여진 전력을 검토하지 않고 설계된 수정발진 회로의 경우, 수정진동자를 수mW에서 계속 동작시키면 결국 수정편이 부서지므로 수정발진 회로 설계 시 주의가 필요하다. 32.768kHz 수정발진 회로인 경우 0.2μW 이하에서 동작시키면 수정편 파손 등의 트러블을 피할 수 있을 것이다.  

진동자를 사용하지 않는다! RC만! … 이장발진 회로

디지털 회로에서는 기준 클록 신호를 사용한다. 마이컴이 있다면 수정진동자를 연결하는 것만으로도 클록 신호를 내부에서 생성해 주지만, 마이컴이 없을 경우에는 개별적인 회로에서 생성해야 한다. 정밀도가 요구되는 로직 회로나 스위칭 레귤레이터/D급 앰프의 타이밍 생성에는 이완 발진 회로가 자주 사용된다. 스위치를 사용하여 충전과 방전(긴장과 이완)을 주기적으로 전환함으로써 간단히 생성할 수 있다.

1. 비교적 간단하고 편리한 이장발진기

이장발진기는 RC를 사용하여 비교적 간단하게 주기 신호를 만들 수 있으므로 편리하다. 콘덴서의 충방전을 반복함으로써 파형을 얻는다.
디지털 회로의 클록에서 시간 정밀도가 별로 필요 없을 경우, 스위칭 레귤레이터나 D급 앰프 타이밍 발생 등의 용도에 사용되며, 다음과 같은 메리트가 있다.
① 확실하게 발진한다
② 정해진 전압간 상하 동작을 위한 진폭을 유지하는 회로
가 필요 없다
③ 발진주파수를 쉽게 변경할 수 있다
발진주파수는 구형파가 기본이며, 회로 방식에 따라 삼각파나 톱니파를 동시에 얻을 수도 있다. PWM 변조의 비교 기준 파형 등에 사용된다.


2. 회로 동작

(1) OP 앰프/콤퍼레이터를 사용한다
OP 앰프나 콤퍼레이터로 구성된 그림 17(a), 그림 17(b)과 같은 회로는 많이 사용되고 있다.
그림 17(a)은 OP 앰프 또는 콤퍼레이터 1개로 구성되어 있으며, 그림 17(b)은 OP 앰프가 2개 필요하지만 구형파와 삼각파를 동시에 얻을 수 있다.


(2) 표준 로직 인버터를 사용한다
회로에 따라서는 표준 로직 인버터를 사용하여 클록 신호를 만들 수 있으므로, 범용 OP 앰프가 발진되지 않는 높은 주파수에서의 동작이나 로직 IC와의 혼재에 편리하다.
어떤 회로든 콘덴서 충방전 회로와 콘덴서 단자 전압을 검출해 충전이나 방전을 전환하는 콤퍼레이터로 구성되어 있다. 충방전 타이밍은 시간과 전압의 관계로 계산할 수 있다.
이전에는 트랜지스터 하나만 사용한 비안정 멀티바이브레이터라는 회로도 널리 사용되었다. IC로는‘타이머 IC’라고 불리는 NE555가 유명하다.

3. 로직 IC에 의한 발진 회로에서는 히스테리시스가 있는 것을 사용한다

종종 로직 IC 등에서 사용되는 그림 18과 같은 회로는 주의를 기울여야 한다. 이상 발진하는 경우가 있기 때문이다.다른 유사한 회로는 히스테리시스가 있는 콤퍼레이터나 플립플롭 등으로 충방전 전환 전압을 검출하며, 다음 전환점까지는 잘못 검출하지 않도록 되어 있다.
그러나 그림 18과 같은 회로에서는 비교 레벨이 검출 전 방향으로 돌아가 파형이 흐트러진다. 기본 회로에서는 슈미트트리거 회로(히스테리시스가 있는 입력 회로)가 사용되었지만‘전승’되는 사이에 잊혀진 듯하다.


4. 보충 : 정현파 발진기는 디지털화되고 있다

그림 19와 같은 아날로그식 정현파 발진기는 거의 볼 수없게 됐다. 진폭 안정화에 특수한 소자나 회로를 필요로 하는 등 어려운 점이 있기 때문이다.
한편, 디지털 기술이 발달함에 따라 메모리에 기억된 파형 데이터를 D-A 변환하여 아날로그 파형을 간단하게 얻을 수 있게 되었다.
대표적인 방식으로 DDS(Direct Digital Synthesizer)가있으며, 전용 IC도 구할 수 있어 연결하기만 하면 안정적으로 동작한다.     

本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=11545