크리스탈발진기는 어떻게 정확한 클럭신호를 만들어내나요?

Question

컴퓨터나 전자기기 내부의 크리스탈발진기가 정밀한 주파수의 신호를 만든다고 배우는데, 수정 결정체가 어떤 물리적 원리로 이렇게 일정한 진동을 발생시키는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

크리스탈 발전기는 수정 결정체에 압전 효과를 이용합니다. 수정 조각에 전기를 가하며 모양이 살짝 변하죠. 반대로 수정을 누르면 전기가 생깁니다. 전기 전원과 물리적인 변형이 서로 연결되어 있기 때문이죠. 수정판에 전압을 주면 엄청나게 빠른 속도로 떨리기도 하죠. 수정을 자른 두께와 각도에 따라서 진동수가 결정되기도 하고요. 이렇게 정밀하게 가공된 수정은 칼같이 일정한 속도로 따르게 됩니다.

그리고 이 핵심은 고유한 떨림이 열이나 자극에도 흔들리지 않는 점입니다. 수정 조각은 외부 변화에 매우 강합니다. 떨림의 오차가 거의 발생하지 않죠. 그리고 발진 회로가 이 떨림을 잡아서 고른 전기 파형으로 만들어 냅니다. 그리고 오차가 거의 없는 정밀한 디지털 신호가 되고 이 원리를 이용해서 컴퓨터와 각종 전자 기기의 기준 클럭으로 사용이 되는 겁니다.

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

크리스탈발진기는 수정의 압전효과를 이용해서 전압을 가하면 수정이 미세하게 진동하고 그 고유 진동수를 발진 회로가 증폭,되먹임하여 안정적인 쿨럭 신호를 만들어서 작동합니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

수정은 누르면 전압이 생기고, 반대로 전압을 걸면 모양이 미세하게 휘는 압전 성질을 가진 결정이에요. 이 수정을 정해진 각도와 두께로 얇게 깎으면, 크기와 탄성에 따라 가장 잘 떨리는 고유 진동수가 하나로 정해져요. 소리굽쇠가 크기에 따라 늘 같은 음을 내는 것과 비슷해요.

발진 회로는 이 수정에 전압을 걸어 진동을 일으키고, 진동하면서 수정이 만들어내는 전기 신호를 증폭해 다시 수정에 되먹여요. 처음에는 온갖 주파수가 섞인 잡음에서 시작하지만, 고유 진동수와 맞는 성분만 되먹임을 거칠수록 계속 커지고 나머지는 사라져요. 그래서 결국 수정의 고유 진동수 하나로만 안정적으로 떨리는 신호가 남아요.

수정이 특별한 건 이 떨림이 매우 순수해서예요. 진동이 얼마나 오래 유지되는지를 나타내는 품질 계수가 수만에서 수백만에 이르러, 코일과 커패시터로 만든 회로보다 수백 배 이상 높아요. 온도가 변해도 주파수가 거의 흔들리지 않는 방향으로 결정을 잘라 쓰기 때문에, 일반 시계용 수정도 하루 오차가 1~2초 수준에 그쳐요. 손목시계에 32,768Hz 수정을 쓰는 것도, 이 값을 15번 절반으로 나누면 정확히 1초에 한 번씩 뛰는 신호가 되기 때문이에요 :)

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

크리스탈 발진기는 수정 결정에 전압을 가하면 미세하게 변형되고 반대로 전압을 제거하거나 압력을 가하면 전기를 발생시키는 압전 효과를 핵심 원리로 활용합니다 수정 교류 전압을 더하면 자극에 반응하여 기계적인 진동을 시작하며 결정의 고유한 크기와 두께 절단각에 따라 정해지는 고유 진동수에서 가장 크게 공명합니다 이렇게 발생한 미세한 진동을 피드백 회로를 통해 전기적 신호로 지속적으로 증폭하여 환류시킴으로써 극도로 안정적인 공명 상태를 유지합니다. 그 결과 온도나 외부 환경 변화에도 오차가 거의 없는 정밀하고 일정한 주파수의 클럭 신호를 연속해서 만들어낼 수 있습니다