6. MCU 보드 제작기 - 외부 발진 회로

 

 마이크로컨트롤러(MCU)는 마이크로프로세서와 입출력 모듈을 하나의 칩으로 만들어 저어해진 기능을 수행하는 컴퓨터를 말한다. MCU가 제대로 동작하기 위해서는 MCU를 구성하는 소자들이 조화롭게 동작할 필요가 있다. 일정 주기로 진동하는 발진회로는 MCU 내의 소자들이 타이밍에 맞추어 동작할 수 있도록 기준 신호를 제공한다.

 프로젝트에서 사용하는 STM32F103RBT6 소자는 내부적으로 40kHz의 RC 발진회로를 제공하고 있다. 그러나 RC 발진회로의 경우 주파수가 낮고, 높은 주파수에서 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 고속 동작이 필요없고, 정밀한 타이머가 필요 없다면 내부 발진회로를 사용하는 것이 경제적이나, 이번 프로젝트에서는 외부 발진 회로를 추가해 줄 것이다.

 

외부 발진회로 핀맵

 

STM32F103RBT6 소자는 4MHz ~ 16MHz 범위의 외부 발진 회로를 추가해줄 수 있다. 데이터시트에 친절하게 회로 구성 예시가 나와 있다.

STM32F103RBT6 소자 HSE 특성

 

 RF의 역할은 오실레이터가 시동할 떄 시동조건을 만드는 역할을 한다. RF의 값이 너무 낮은 경우, 오실레이터가 발진을 하지 않아 시스템이 동작하지 않을 수 있다. 피드백 저항의 역할은 초기 진동 신호를 생성하는 것이다. 전원 인가 후 진동이 안정화되기까지 시간을 클럭 안정화 시간이라고 하는데, 이 시간이 지나고 나서 시스템을 동작시켜야 한다. 일반적으로 2ms 정도로 잡고 있다. 

 

 외부 발진회로를 구성해야한다. 크리스탈(Crystal, X-TAL)을 이용할 것이다. 크리스탈은 피에조 효과(Piezo Effect)에 의해 전위가 가해짐에 따라 수정자가 기계적으로 변형이 일어나며 진동하게 된다. 크리스탈을 활용한 발진회로는 높은 주파수 안정성과 정확도를 제공한다. 

 

크리스탈의 등가 모델

크리스탈 등가 모델

 

 직렬로 연결되어 있는 Ls, Rs, Cs는 Motioned ARM이라 부르며, 기계적인 움직임을 전기적으로 모델링 한 것이고, 병렬로 연결되어 있는 Cp는 Shunt Capactior라 하며, 금속 전극과 크리스탈에 생기는 커패시턴스를 모델링 한 것이다. 이 회로의 공진 주파수가 크리스탈의 기본 주파수가 된다.

 

오차율 PPM

 PPM은 허용 오차를 1/10^6 단위로 표기한다. 공식은 다음과 같다.

크리스탈의 오차율은 상온 에서의 오차율과 동작 온도에 따른 주파수의 오차를 합산해서 오차율을 고려해야한다.(최악의 상황을 고려해야 한다!) 

 

소자의 선정

 나는 저자가 추천하는 12MHz 크리스탈 소자인  X49SM12MSD2SC(C14871) 소자를 선택하였다. 해당 소자는 HC-49S-SMD 패키지이며, 20ppm±30ppm의 오차율을 가진다. 

X49SM12MSD2SC 전기적 특성

 

 커패시터를 선정해야 한다. 크리스탈 소자는 극점에 해당하는 직렬 공진 주파수와 영점에 해당하는 병렬 공진 주파수가 생성되는 데, 병렬 공진 주파수를 발진에 사용한다. 로드 커패시턴스에 따라서 공진 주파수를 미세하게 조정할 수 있다.

 

 데이터 시스트에 의하면 크리스탈의 로드 커패시턴스가 12pF일때 소자는 12MHz로 진동한다. CLoad, CL1, CL2의 관계를 식으로 표현하면 다음과 같다.

일반적으로 CL1과 CL2는 같은 값을 사용하므로 CLoad가 12pF이면 CL1, CL2도 12pF이다. RF 전기장 노이즈에 대해서 대응할 수 있어야 하는데 그라운드 플래인을 근처에 배치하는 것으로 노이즈를 분산시킬 것이다. 부유 용량을 대략적으로 2pF라 생각하였을 때, CL1, CL2는 각각 10pF가 적당하다.

 

REXT 값을 정해야 한다. 데이터시트에 의하면 수정 소자가 소비할 수 있는 전력량은 1 ~ 500uW(Max), 이며 일반적으로 100uW가 권장된다고 나와 있다. REXT는 인버터에서 출력되는 전류를 제한하여 소자를 보호하는 역할을 한다. 소비전력을 다음과 같이 근사할 수 있다.

해당 조건에 맞추어 전력을 계산해보면 약 310uW가 된다. 이론적으로 직렬 댐핑 저항을 설치할 필요는 없지만, 만약을 대비하여 1KΩ 저항을 직렬로 연결하여 주었다.

 

회로도는 다음과 같이 작성하였다.

 

 

이 것으로 글을 마친다. 다음글에서는 JTAG/SWD 인터페이스에 대해서 다루겠다.