KR20070095808A - 클록 신호 생성 회로 - Google Patents

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KR20070095808A
KR20070095808A KR1020070027612A KR20070027612A KR20070095808A KR 20070095808 A KR20070095808 A KR 20070095808A KR 1020070027612 A KR1020070027612 A KR 1020070027612A KR 20070027612 A KR20070027612 A KR 20070027612A KR 20070095808 A KR20070095808 A KR 20070095808A
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clock signal
circuit
signal generation
inverted mesa
oscillator
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KR1020070027612A
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Inventor
로미 메이더
Original Assignee
베리지 (싱가포르) 피티이. 엘티디.
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Abstract

낮은 위상 잡음 고속 안정화 시간 기반은, 1백 내지 수백 MHz의 원하는 주파수에서 직접적으로 동작하는 결정 공진기를 사용한다. 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정(an inverted mesa AT-cut quartz crystal)은 이 기준을 만족한다. 주파수 안정성을 촉진하기 위해, 결정과 그 오실레이터 회로는 느슨하게 조정되기만 하면 되는, 즉, 대략 실온인 편리한 온도로 열적으로 클램핑된다. 공급측이 26℃, ±0.5℃인 물 흐름 열 제거 시스템을 이미 제공하는 예시적 ATE 설정에서, 400MHz 인버팅 메사 AT-커트 결정은 그 물 공급 내의 자신 고유 루프로 간단히 주어진다. 펠리에 셀과 같은 개략적인 조정을 위한 다른 온도 안정화 기술을 사용할 수 있다. 주파수 승산 PLL로부터의 원인적인(contributory) 타이밍 지터가 존재하지 않으므로, 알맞은 주파수 정확성과 안정성을 가지며 단지 결정 공진기의 극도로 낮은 타이밍 지터를 갖는 고주파수 타임 기반이 얻어진다.

Description

클록 신호 생성 회로{INEXPENSIVE LOW PHASE NOISE HIGH SPEED STABILIZED TIME BASE}
도 1은 저렴한 낮은 위상 잡음 고속 안정화 시간 기반의 간략화된 블록도이다.
도 2는 흐르는 물에 의해 부정확하게 제어되는 환경이 제공되는 ATE 환경 내에서 사용되는 도 1의 저렴한 낮은 위상 잡음 고속 안정화 시간 기반의 간략화된 블록도이다.
도 3은 펠티에 셀에 의해 부정확하게 제어되는 환경이 제공되는 도 1의 저렴한 낮은 위상 잡음 고속 안정화 시간 기반의 간략화된 블록도이다.
도 4는 도 1, 2 또는 3의 블록도와 유사한 회로에서 사용하기에 적합한 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정 공진기 오실레이터 유닛의 종래 기술의 간략화된 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2: 오실레이터 유닛 4: 오실레이터 회로
5: 버퍼 증폭기 8: 시간 기반/클록 신호 생성 및 분배
각종 전자 테스트 장비는 안정된 클록 신호 또는 시간 기반을 요구한다. 이는, 관심 대상인 신호 샘플링 및 후속 처리를 위해 메모리에 디지털화된 값을 저장하는 장비에 있어서 특히 그러하다. 이러한 시간 기반이 고속 클록 신호(약 1백 내지 수백 메가헤르츠)를 제공해야 하는 적어도 2개의 이유가 존재한다. 첫 번째 이유로, ATE(Automated Test Equipment) 분야에서 "테스터상의 시간은 돈"이라는 말이 있다. 이 말의 중요성은, DUT(Device Under Test)에 대한 테스트를 보다 신속히 종료할 수 있다면, 보다 적은 수의 (고가의) 테스터를 이용하여 보다 많은 파트를 테스트할 수 있어서, 경비 절감을 실현할 수 있다는 것이다. 이러한 ATE에 대한 몇몇 예는, 대단히 대규모 시스템으로서, 여러 측정치('풋 프린트' 또는 물리적 사이즈, 킬로와트 단위의 전력 소비, 요구되는 플로어 강도의 스퀘어당 파운드, 다른 사이트 환경 요구조건 등)에 이르며, 비용은 말할 것도 없다(메모리 소자 테스트용의 몇몇 ATE 시스템은 확장될 수 있으며, 옵션을 완전히 갖추었을 때에는 미화로 백만 달러를 훨씬 초과한다). 두 번째 이유로, 기술이 발달됨에 따라, 테스트될 신제품 파트는 계속해서 더 높은 속도로 동작할 수 있다. 파트가 실제로 동작하도록 예상되는 속도로 파트를 테스트하거나, 상이한 속도로 동작하는 적합성에 따라 파트를 분류하는 것이 바람직하므로, 파트를 테스트하는 ATE는 스스로 테스트 하의 파트에 대해 예상되는 속도보다 고속으로 동작할 필요가 있다.
또한, 시간 기반은 안정적이어야 하는데, 최소한 사이클 지터에 대한 낮은 사이클 또는 위상 잡음을 갖는 적당한 주파수 안정성(시간에 대한 정확성)을 가져야 한다. 주어진 파트는 몇 분의 1초에서 1분 또는 그 이상에 이르는 범위의 시간 주기 동안에 테스트될 수 있으므로, 엄격한 연구실 관점의 시간 기반의 실제 장기간 주파수 안정성(예: 하루 1012 또는 1014 중 수 개의 파트)은 요구되지 않는다. 파트를 테스트하는 데 필요한 최고 정밀도의 시간 기반도 아니다. 약, 400,000,00X Hz의 (즉, 8 디지트로 알려진) 시간 기반이 400,000,000.OXXX Hz (즉, 10 디지트로 알려진) 것 중 하나와 똑같이 필수적으로 유효하다. 다시 말해, 350Hz 이상에서 실패하는 DUT는 양쪽 모두에서 실패할 것이며, 425MHz에 이르도록 동작하는 것은 양쪽 모두를 통과할 것이다. 따라서, 세슘 또는 루비듐 종류의 주요 주파수 표준을 장착한 상업적 ATE를 찾지 않는다. 수정 결정 오실레이터가 일반적으로 아주 적합하다.
한편, 특히 고속 동작에서, 에지 배치의 지터는 종종 DUT가 통과 또는 실패하는지에 관해 큰 역할을 한다. 신호 전이에 대해 시간 축을 따라 이상적 위치로부터 유도되는 대로 디지털 신호(지정된 시각에서의 값이 논리 일(참) 또는 논리 영(거짓)인 신호)의 지터를 생각할 수 있다. 흔히 ATE 장비는 이러한 지터를 측정할 수 있도록 예상되어, 클록 주기 내의 선택된 특정 위치에서의 신호 샘플을 취하고 상당한 해상도로 수행할 수 있는 능력을 요구한다. 그리고, ATE는 DUT에 의해 발생되는 출력 신호에 대한 지터를 측정해야 할 뿐만 아니라, 일반적으로 이상적 입력보다 작은 입력을 허용하기 하는 능력을 테스트하기 위해 DUT에 다양한 자극을 제공하도록 예상된다. 변하는 신호 레벨 및 전이 시간()에 외에도, 변할 수 있는 파라미터 중 하나는 그러한 자극에 대한 에지 배치인데, 이는 그 입력 신호에 대한 지터로의 DUT의 감수성을 테스트한다. 다시 한번, 이는 자극 신호의 인가되는 전이에 대한 위치에 따라 클록 주기 내의 특정 위치를 선택하는 능력을 요구한다. 선택된 위치에서 어떤 필요한 동작을 달성하는 다양한 방식이 알려져 있고, 이들은 시간 기반의 에지로의 프로그래밍 가능한 지연을 참조하게 된다. 이는 모두 좋고 우수하지만, 이러한 장치에 대한 신뢰의 정도는 지연을 생성하는 정확도뿐만 아니라 시간 기반 자체의 단기간 안정성에 의해서도 제한된다. 다시 말해, 이러한 테스트를 조율하기 위해 사용하는 시간 기반이 현저한 지터에 의해 영향받는다면, 지터에 관한 특정치를 포함하는 DUT상의 정확한 측정치를 구하고자는 것을 피할 수 없다.
전자 산업분야로의 고품질 ATE의 공급자로서, 우리의 고속 시간 기반이 절대 적인 정확성과 연구실 등급 표준의 장기간 안정성을 갖지 않는다는 것을 상관하지 않지만, 분명하게는 단기간 드리프트 및 위상 잡음(주기 대 주기 지터)은 우리의 ATE에 의한 테스트 및 측정치의 오류의 미미한 원인정도로 낮기를 원한다.
이러한 문제를 해결하는 통상적인 해결책은 저주파수 결정 오실레이터(예: 10-20MHz 범위)에 매체를 사용하는 것인데, 아마도 오븐을 사용하거나 결정의 온도를 감지하는 것에 기초하는 다른 보상 메커니즘을 사용하여 안정화된다. 올바르게 달성되면, 이들 기술은 결정 주파수에서 적합하게 정확한 주파수 및 위상 잡음의 적절하게 낮은 레벨을 제공한다. 불행히도, 대부분의 결정은 흔히 현대 ATE 설치를 위해 요구되는 높은 주파수(예: 400HMz 또는 그 이상)에서 동작하지 않는다. 최근까지, 기본 주파수가 높은 결정은 매우 얇아야 해서 배선 접합 공정을 견딜 수 없거나 동작 동안 균열되었다.
약 100MHz 이상의 동작에 있어서, 통상적 동반 해결책은 원하는 주파수에서 시간 기반을 얻기 위해 주파수 승산 방안의 일부로서 PLL(Phase Locked Loop)을 사용하는 것이다. 이는 두 가지 단점을 가진다. 첫째, 승산은 오실레이터에 존재하는 위상 잡음도 증가시킨다. 둘째, PLL 자체가 동작 중에 불규칙하게 움직이는 서보-메커니즘이다. 또한, 임의의 전력 공급 리플(ripple)이 서보-메커니즘의 동작에 방해를 주는 원인이다. 즉, PLL은 자신 고유의 원인을 위상 잡음에 추가하고, 그 원인은 상당히 심각할 수 있다. 실제로, 지터는 그 목적을 위해 설계된 테스트 장비에 의해 분석하도록 될 수 있고, 승산/PLL 방안은 무작위 지터와 패턴 의존 지터 모두를 유입하는 데 약한 것으로 발견되었다. 이러한 종류의 회로는 아마도 1백 피코초 피크-대-피크의 타이밍 지터를 제시할 것으로 예상될 수 있다. 그 결과, 승산/PLL 기술이 ATE 설정에서 안정된 낮은 위상 잡음(낮은 타이밍 지터) 고속 시간 기반(약, 400MHz)을 제공하는 것을 매우 어려울 수 있다. 그러나, 적합하게 낮은 위상 잡음을 제공하지 않으면, 우리의 ATE 기계류는 DUT의 지터를 정확히 측정할 것으로 예상될 수 없으며, 시간 기반에서의 지터로부터 발생할 수 있는 다른 측정치의 정확성에 관한 제한은 말할 것도 없다.
최근에 개발된 인버티드 메사 AT-커트(그리고 매우 얇은) 수정 결정은 오실 레이터의 원하는 주파수에서 직접적으로 동작하면서 위상 잡음 또는 타이밍 지터의 탁월한 낮은 양을 제시하는 진동 모드를 제시할 수 있다. 불행히도, AT 커트는 온도 변동에 관하여는 특별히 안정하지 않다. 이들 결정 중 하나를 이용하는 전형적으로 낮은 비용의 상업 오실레이터 유닛은 표면 장착 설치를 위해 금속 캔에 패키징되고 외부 주변 온도 부근에서 내부적으로 동작하도록 예상되는데, 이는 0℃ 내지 70℃의 범위를 허용한다. 그 범위를 넘어서, 탁월한 타이밍 지터는 영향받지 않지만, 동작 주파수는 ±100ppm(parts per million)만큼 변하도록 허용된다. 이는 분명히 값비싼 ATE 장치뿐만 아니라 전자 테스트 장비용 시간 기반을 포함하는 소정 다른 애플리케이션에 대해 넌더리나는 변동이다.
주요 표준 또는 심지어 '단지 연구실 등급' 등과 관련되는 비용 및 소동 없이(공간 및 관리 요구조건은 말할 것도 없이) 적절한 단기간 안정성 및 정확성의 낮은 위상 잡음 고속 시간 기반이 필요하다. 무엇을 해야 하는가?
적절한 단기간 안정성 및 정확성의 낮은 위상 잡음 고속 시간 기반을 구성하는 문제에 대한 해결책은, 약 1백 내지 7백 MHz 범위에서 원하는 주파수에서 직접적으로 동작하지 않는 결정을 사용하는 것이다. 최근에 개발된 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정은 이 기준을 만족한다. 외부 주위 환경의 온도의 주파수에 관한 영향을 약 ±20ppm을 감소시키기 위해, 결정 및 그 오실레이터 회로는 단지 개략적으로 조정되기만 하면 되는 편한 온도, 예를 들어, 약 26℃,±.5℃, 79°F 부근인 '실온'에서 열적으로 클램핑된다. (높은 안정성 오븐 안정화 결정 오실레이터의 당업자는 1도에 수천번으로 온도 조절을 사용하여 70℃ 내지 80℃에서의 동작으로부터 큰 차이라는 것을 인식할 것이다.) (하나 이상의 DUT의 열적 환경으로 진입하면) 공급측이 26℃, ±.5℃인 이미 '차가운' 물 흐름 열 제거 시스템을 제공하는 ATE 설정에서, 400MHz 인버티드 메사 AT-커트 결정 오실레이터 유닛은 그 물 공급기에서 단순히 주어진 자신 고유의 루프이다. 펠티에 셀과 같은 개략적인 온도 조정을 위한 다른 온도 안정화 기술도 적합한 메커니즘으로서 고려되지만, 정밀하게 제어되는 고온 오븐을 사용하는 단점이 있다. 결과적으로, 알맞은 주파수 정확성 및 안정성(제어되는 결정)을 가지면서 1 피코초 피코-피코 이하의 타이밍 지터(PLL로부터 소동이 없음)를 갖는 저렴한 고속 시간 기반을 얻는다.
도 1을 참조하면, 저렴한 낮은 위상 잡음 고속 안정화 시간 기반의 간략화된 블록도가 도시되어 있다. 이는 고속 시간 기반에 대한 주파수에서 직접적으로 동작하는 고주파수 오실레이터를 포함하며, 주파수 승산 회로 및/또는 위상 고정 루프는 필요하지 않다. 오실레이터(2)는 시간 기반/클록 신호 생성기 및 분배 회로(8)에 접속되는 차동 출력 신호(7)를 가질 수 있으며, 회로(8)로부터 타이밍 신호(9)는 어떤 장치 또는 회로(도시 생략)로 인가된다.
오실레이터 유닛(2) 자체가 상업 조립품일 수 있으며, 플로리다 포트 마이어의 크리스텍 크리스탈 코포레이션(Crystek Crystals Corporation)과 같은 판매사로 부터 입수할 수 있다. 그것은 예를 들어, 이 회사의 모델 CVPD-940 또는 CVPD-970 3.3볼트 LVPECL 차동 VCXO 중 하나에 유사한 것일 수 있으며, 그 표준은 약 78MHz 내지 약 669MHz 범위의 동작 주파수를 제공한다. 이들 전압 제어 오실레이터는 표면 장착 애플리케이션용의 소형(9×14㎜, 5㎜ 높이) 밀폐 금속 캔이다. 이들 오실레이터는 주위 환경의 온도에서 동작할 것으로 예상되며, 동작 온도를 수립하거나 조정하는 어떠한 메커니즘도 포함하지 않는다. 그래서, 예를 들어, 이들 크리스텍 파트는 단지 6개의 전기 단말, 전력(3.3V), 전력 귀환, 주파수 제어 전압, 인에이블/디스에이블 입력, 2개의 차동 출력 신호를 갖는다. 이들의 동작 온도 범위는 0℃ 내지 70℃(-40℃ 내지 85℃의 선택사양도 이용 가능함)이고, 80mA의 최대 입력 전류를 갖는다. 모든 그 우수한 특성에 대해, 이 종류의 오실레이터 유닛의 한 구성원은 내부 히터를 갖는 소형 오븐 오실레이터가 아니다! 또한, 주위 환경에 대해 0℃ 내지 70℃인 동작 범위에 걸쳐 ±100ppm의 주파수 변동을 제시할 것으로 예상될 수 있다.
그럼에도 불구하고, 이러한 파트는 우리의 목적을 위해 우수한 것인데, 이 또한 매우 낮은 위상 잡음 또는 타이밍 지터(예: 약 1 피코초)로 관심의 주파수에서 직접적으로 동작하는 수정 오실레이터이기 때문이다. 주파수가 400MHz인 도 1의 예에서, 선택된 수정과 그 관련 오실레이터 회로에 따라 관심의 주파수는 더 높을 수도 낮을 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 배경 기술 단락에서 설명한 바와 같이, 우수한 단기간 안정성 및 매우 낮은 위상 잡음(타이밍 지터)을 얻고자 하는 한편, 절대 주파수 정확성 및 장기간 안정성에 대해서는('주파수 표준' 전문가들이 보는 것)보다 완화되어도 좋다. 그럼에도 불구하고, 0℃ 내지 70℃의 동작 범위를 거쳐 ±100ppm의 주파수 변동을 현저히 감소시키고자 한다. 약 ±20ppm, 또는 심지어 ±10ppm으로 낮추고자 하며, 비용을 발생시키거나 조정된 고온 열 오븐의 고유 정밀도를 악화시키지 않는다.
올바르게 설계되고 동작되는 우수한 품질의 수정 오실레이터는 우리가 얻고자 하는 일종의 낮은 타이밍 지터 및 우수한 위상 잡음을 제시할 것으로 예상될 수 있고, 크리스텍 파트와 관련하여 설명한 바와 관련된다. 다른 판매사도 잘 기능할 적합한 제품을 제공한다는 데에는 의심할 여지가 없다. 오실레이터 유닛(2)이 관심 대상인 원하는 주파수에서 직접적으로 동작하므로 낮은 타이밍 지터/우수한 위상 잡음 동작이 보존되며, 주파수 승산기 및 위상 고정 루프가 필요치 않다(즉, 요란한 부수적 장치가 필요치 않다). 또한, 자작(do-it-yourself) 오실레이터 설계/조립의 가능성을 인정하는 한편, 신뢰할 수 있는 우수한 품질 수정 및 그 오실레이터의 설계는 자체적인 기술이며, 적정한 가격의 적합한 상업 파트가 구매용으로 이용 가능하다.
계속해서, 오실레이터 유닛(2)은 오실레이터 회로(4)에 접속되는 인버티드 메사 AT 커트 스트립 결정(3)을 사용할 수 있는데, 이는 전술한 (차동) 출력 신호(7)를 제공하기 위해 버퍼 증폭기(5)를 구동한다. 상세한 설명의 끝부분에 오실레이터 유닛(2)의 내부 구조에 관한 정보를 추가적으로 제공할 것이다. 이 시점에서는, 단순히 블록도(1) 내의 단일 구성요소(2)로 취급할 것이다. (결국, 스스로 만드는 것과 반대로 간단히 나가서 하나를 사는 경우에 해당하는 것이다.) 그러 면, 이 사상에서, 오실레이터 유닛(2)은 느슨하게 조정되는 온도 환경(6) 내(아마도 둘러싸여서 내부, 또는 단순히 '위에, 그러나 잘 접속되게)에 위치된다. 또한, 개략적으로 조정되는 온도 환경(6)은 외부 주위 환경(32) 내에 스스로 위치된다는 것을 인식할 것이다(이는 연구실 벤치 또는 공장 플로어(floor)상에 위치되는 캐비넷에 의해 둘러싸이는 공간 내의 샤시(a chassis)상에 존재할 수 있다). 그리고, 외부 주위 환경(32)의 온도는 지구상의 그 위치의 자연 요소처럼 제어할 수 없다는 것과는 다르다는 것을 인정하는 한편(즉, 아마도 장비는 인간과 거주하는 다른 건물 또는 구조물 내에 위치된다), (샤시상의) 외부 주위 환경(32)의 온도는 (과열로부터 보호하기 위한 배기 팬은 존재할 수 있지만) 스스로 '조정'되거나 '제어'되지 않는다.
적절한 시점에, 오실레이터 유닛(2)이 개략적으로 조정되는 온도 환경(6) 내에 위치될 수 있는 방식에 대한 몇몇 특정 예를 제공할 것이다. 그러나, 이 시점에서는, '개략적으로 조정되는 온도 환경'이라는 용어가 의미하는 것을 수립할 필요가 있다. '조정되는(regulated)'이라는 용어는 단독으로 사용되면 매우 강한 단어이고, '개략적으로 조정되는 온도'는 단지 근사치로 제어되는 것 또는 어떤 다른 매체의 기존의 일반적으로 안정된 온도와 동일한 것을 의미한다. 후자의 경우, 오실레이터의 실제 온도에 반응하여 추가적인 조절도 없다. 즉, '개방 루프' 제어는 본 명세서에서는 '개략적인 제어'의 형태로 의도된다.
잠시 이 사상을 생각해보면, 오실레이터의 온도에 관해서는 약 1℃ 또는 2℃ 의 온도에 유지되는 한 그다지 신경 쓰지 않는다고 할 수 있다. ±0.5℃는 다른 적합한 범위이다. 이제, 감지될만한 전력을 소비하지 않는 장치(오실레이터 유닛(2))에 대한 실제로 분명히 넓은 범위가 존재하고, 온도를 제어하기 위해 순수 서보 루프(a genuine servo loop)를 구성하려는 경우, 그러한 사양은 여러 방식으로 쉽게 만족될 수 있다. 사실, 온도 감지 및 교정 제어 신호 판단은 특별히 어려운 작업은 아니다. 이는 서미스터(thermistor), 기준 전압 및 히터를 구동하는 몇 개의 증폭 단계로 간단히 달성될 수 있다. 그러나, 전체 문제는 간단하지 않다. 제품 개발의 가상 이야기가 이해를 도울 것이다.
전술한 특성, 낮은 위상 잡음, 우수한 단기간 안정성 및 단순히 적당한 실제 주파수 정확성을 갖는 높은 주파수 시간 기반을 가져야 하는 소형 휴대용 장치를 구성한다고 가정 해 보자. 이는 어떤 편한 온도에서 동작되는 인버티드 메사 스트립 결정 오실레이터로 쉽게 실현된다. 이는 동작 중에 데워지며, 오실레이터 유닛에 대해 어떤 근사하게 일정한 온도에 도달하기 위해 필요한 대로 더 크게 또는 더 작게 더해질 수 있는 보조 열의 소형 소스를 오실레이터 유닛에 제공하고자 한다. 하계 실습생은 실온 바로 위를 택한다. 이는 공조 연구실에서는 괜찮으나, 여름 사막의 추후 시도에서는 어떤 편하지 않은 높은 값에서 '편한 온도'를 둘 필요성을 알게 되었다. 가엾게도, 제거하거나 유지하는 것보다 열을 가하는 것이 더 쉽다는 것을 그 실습생에게 상기시킨다. 이제, 동일한 초기 전략(이는 가상 이야기이다)을 보유(!?)하는 것으로 결정하는 경우, 오실레이터 유닛과 그 히터를 절연된 오븐에 둘 필요가 있으며, 장치의 나머지가 가열되는 것을 막고("무슨 뜻이죠, 전면 패널이 너무 뜨거워 건드릴 수 없다는 건가요?) 최대치의 불필요한 전력 소비( 및 전 력 공급기의 크기)를 유지할 다른 이유가 없기 때문이다.
한편, 홀 아래의 동료들은 동일한 일반적 시간 기반을 갖도록 의도되는 냉장고-크기 ATE 제품류를 개발하고 있다. 이 부류의 알맞게 장비를 갖춘 한 구성원은 10 킬로와트를 소비하고, 제곱 풋(square foot)당 250 파운드를 지원하는 플로어를 필요로 한다. 이들은(다른, 그리고 아마도 명백한 이유들에 대해) 이미 모든 열을 어떻게 제거할 지에 대한 문제를 해결하였다. 이들은 (a) 건물의 음영 부분 외부에 배치된 팬 및 레디에이터 또는 (b) 자체 물 공급기와 같은, 차갑거나 충분히 식은 물의 어떤 소스에 연결되는 중간 열 교환기 중 하나를 이용하여 폐쇄 루프 물 순환 시스템을 사용하였다. 무엇인가가 재사용되는 폐쇄 루프 물의 온도를 결정해야 하는 한편, (필수적으로 서모스탯(a thermostat)), 어떠한 특정 온도도 모든 다른 것보다 특히 낫다고 고려되지 않으며, 훌륭한 선택으로서 '실온'을 제안하기 위해 다양한 고려사항이 조합된다. '실온'은 26℃, ±.5℃이어야 한다는 데 의견이 일치된다.
분명히, 대형 장치는 이미 그 고유의 해결책을 제공한다. 재순환 루프의 신선하게 식은 물의 수로의 아이템으로서 오실레이터 유닛(2)의 열 환경을 추가한다. 대형 장치(실제로 메모리 IC 테스트를 위한 ATE -- 애질런트 V550 -- 순수 예)용의 것들을 위한 방안에서, 그렇게 하는 비용은 무시할 만 하며, 다른 목적을 위해 이미 입수된 것에 대한 장점을 간단히 취한다.
대형 장치 프로젝트 연구원들은 왜곡된 방식으로 다소 흥미로운 소형 장치에 대한 제안되는 오븐 이야기를 발견한다. 통상적으로, 오븐 안정화 결정 오실레이 터는 단기간 및 장기간 모두의 우수한 안정성을 갖는 정밀 시간 기반을 얻는 데 사용되는 상당히 고가의 아이템이다. 이들은 등급화된 사양에 도달하기 전에 몇시간 또는 며칠 간 안정화되어야 한다(더블-오븐 HP 104AR과 같은 초기 버전은 21일이나 걸렸다). 그러나, '우수한' 오븐 오실레이터는 필요하지 않으며, 그 비용은 분명히 원하지 않는 것이어서, 열악한 것을 만들도록 계획해야 하는 것인가? 소형 장치 침의 리포트는, "그다지 많지 않은 비용에 대해 훨씬 더 안정적인 그다지 안정적이지 않은 오실레이터가 만들어질 것이다"이다. 또한, 소형 장치에 작은 레디에이터 및 긴 호스 끝의 팬을 장착하는 것에 관한 피할 수 없는 비방은 소형 장치 프로젝트 연구원들에게는 진절머리나는 것이 될 것이다.
(역시 가상이지만 있을 법한) 소형 장치는 시도를 제공하지만, 한쪽의 고온 오븐과, 다른 한 쪽의 '실온' 근방에서 그 온도를 유지하기 위해 소형 물체를 가열 및 냉각하는 두 가지 기능 사이에서 선택해야만 한다. 홀 아래의 구분되는 동료는 지긋지긋한 고온 오븐을 사용하지 말자고 설득했다. 그러나, '실온'을 유지하기 위해 소형 물체를 가열하고 냉각하기 위해 동의 가능한 해결책이 존재한다는 것이 판명되었다.
도 2를 참조하면, 도 1의 저렴한 낮은 위상 잡음 고속 시간 기반이 ATE 환경 내에서 사용되고 느슨하게 제어되는 온도 환경이 어떤 원하는 범위 내로 온도가 조절되는 물을 흘려보냄으로써 제공되는 간략화된 블록도(10)를 도시하고 있다. 이 장치에서, 오실레이터 유닛(2)은 타이밍 생성기 및 포맷터를 갖는 회로(15)를 포함하는데, 이는 구동기 및 비교기를 갖는 회로(16)에 접속되어, 테스트 하의 DUT(19) 에 다양한 신호(18)를 인가하고 수신한다. 또한, 회로(16)는 (예를 들어, 테스트 결과 레코드를 구성하기 위해) ATE의 밸런스로 송신되는 다양한 신호(17)를 발생시킨다. 이는 ATE가 어떤 것인지에 관한 극단적으로 생략된 것이기만, 시간 기반(2)에 의해 수행되는 역할에 관해 일반적인 것을 알려주기에는 충분하다.
이제 시간 기반(2)을 고려하면, 낮은 열 저항 환경 내에 위치된다는 것을 알 수 있는데, 이는 낮은 열 저항(예: 구리 또는 알루미늄)을 갖는 적합한 열 판(11)에 오실레이터 유닛(2)을 장착하여 달성될 수 있다. 열판(11)은 입구(13) 및 출구(14)를 갖는 방수 경로(a water tight passage)를 포함한다. 예를 들어, 26℃, ±.5℃로 이전에 온도가 제어된 냉각된 물은 입구(13)로 인가되고, 출구(14)로부터의 배출은 물 공급기(도시 생략)의 복귀측으로 되돌려진다. 열판(11)을 통한 물의 흐름 비율은, 더 차가운 주위 온도와는 독립적으로 오실레이터 유닛(2)을 약 26℃로 쉽게 데울 뿐만 아니라, 더 따듯한 주위 온도 및 오실레이터 유닛(2) 자체에 의한 전력 소비에도 불구하고 약 26℃로 냉각하기에 (일단 물 공급기 자체가 온도에 있으면) 충분한 설계에 의해 조절된다. 오실레이터 유닛(2)이 상당히 작고(전술한 크리스텍 제품은 9×4×5㎜이다) 그 전력 소비가 겨우 1/4 와트이면, 물 공급기를 재순환시키는 데 중요한 추가적 용량이 요구되지 않는다. 완전히 적재된 ATE 시스템으로부터 20킬로와트를 제거할 수 있는 시스템에서 추가 1/4와트는 문제되지 않을 것이다!
그럼에도 불구하고, 하우징 또는 엔클로져(12) 내에 오실레이터 유닛(2)을 둘러싸고, 열판/오실레이터 조합의 외부와 엔클로져의 내부 사이에 열 절연체(19) 층을 배치하는 것이 실제로 좋다. 열판과 절연체(19) 사이에 짧은 균형 주기 후에 오실레이터 유닛(2)은 입구(13)에 공급되는 물의 온도에서 동작한다는 것을 단정할 수 있다. 한편, 절연체(19) 및 엔클로져(12)는 오실레이터 유닛(2)에 대한 개략적인 온도 조절하기 위해 필수적이지 않다. 열판(11)의 용량(두께) 및 그 재순환하는 물 공급기(흐름 비율)가 추가되거나 제거되어야 하는 경우, 느슨한 조정을 유지하는 것을 실패하여 문제가 되기 전에, 열은 수 와트 또는 수십 와트로 증가될 수 있다. 엔클로져(12) 및 절연체(11)의 증가된 가격은 실제로 오히려 작지만, 오실레이터 유닛(2)상의 환경 온도 변경의 잠재적 영향이 더 이상 심각하지 않다는 것을 단순히 아는 것에 대한 마음의 평화는 그 자체로 무한한 가치가 있는 것이다(즉, 지나친 현명함으로 인해, 문제점이 해결되었다!).
재순환하는 물(또는 다른 액체)은 26℃, ±.5℃의 온도를 갖도록 조건이 설정되고, 산업용 온도 제어가 이동함에 따라 이는 특히 정밀하지 않다(그리고 실제 값 및 선택된 그 범위는 다소 임의적이다). 또한, 오실레이터 유닛(2)의 온도는 수동적인 낮은 열 저항 경로(판(11))를 통해 그 값으로만 클램핑되고, 오실레이터 온도를 감지하는 서보 루프의 대상은 아니다. 따라서, 도 2에 도시된 장치는 앞서 정의한 '개략적으로 조정되는 온도 환경'을 만족시키며, 약 ±20ppm 또는 ±10ppm의 주파수 변동을 생성하도록 예상될 수 있으며, 이론상으로, 재순환하는 물의 온도가 얼마나 잘 조정되는지에 의존한다. 주위 환경의 온도의 주파수 변경의 효과는 일반적으로 중요하지 않으며, 특히 오실레이터 유닛은 절연층(19)에 의해 절연된다.
도 3을 참조하면, 도 2와 유사한 블록도(20)가 도시되어 있는데, 오실레이터 유닛의 온도의 개략적인 조정이 펠티에 셀(23)의 사용을 통해 달성된다는 점이 다르다. 잘 알려진 바와 같이, 펠티에 셀은 DC 전류가 셀을 통해 송신될 때 한쪽은 가열하면서 다른 쪽은 냉각하는 특성을 제시한다. 전류의 방향을 반대로 하면 가열 및 냉각 측도 반대가 될 것이다. 펠티에 셀(23)의 한 쪽은 열판(22)과 열적으로 접속되는 한편(또는 단순히 오실레이터 유닛(2)의 케이스에 접속하고 열판은 존재하지 않고), 다른 쪽은 열을 수용할 수 있는 환경('외측' 또는 '주위' 환경)에 노출된다. 펠티에 셀은 종종 소형 팬에 의해 지원되는데, 주어진 크리스텍 파트 크기에서, 이는 불필요할 것이다. 온도 감지 소자(RT(25))(예: 서미스터)는 가역 전류로 펠티에 셀(23)을 구동하는 온도 제어기(24)로 하여금 대략 선택된 설정 포인트에서 센서의 온도를 개략적으로 유지하게 하는데, 이는 엔클로져(21) 내의 선택 사양인 절연체층(26)에 의해 지원된다. 단지 개략적인 조정만 고려하기 때문에, 온도 제어기(24)는 간단한 것일 수 있고, 펠티에 셀의 크기는 상대적으로 작을 수 있다. RT(25)를 적합한 바이-메탈 스프링 타입 서모스탯으로 교체할 수도 있으며, 고정 전압원을 갖는 온도 제어기(24)는 서모스탯의 콘택트 엔클로져에 의해 제어된다. 예를 들어, 개별적으로 선택 가능한 설정 포인트에서 별도의 가열 및 공기 조절 유닛을 동작시키지만 한 번에 두 가지 모두를 활성화시키는 가능성은 배제하는 바이-메탈 서모스탯이 잘 알려져 있다. 그러나, 이러한 기계적 해결책의 비용은 실제로 대응하는 전자적 해결책보다 적다는 것이 불분명하며, 언급할 바와 같 이, 더 신뢰할 수 있고 잘못된 조절에 덜 민감하다.
이제 도 4를 참조하면, 관심 대상인 종류의 종래 오실레이터 유닛(2)의 간략화된 단면도(27)가 도시되어 있는데, 표면 장착 기술을 이용하여 인쇄 회로 기판(28)에 부착되었다. 특히, 도면(27)은 크리스텍 크리스탈 코포레이션으로부터의 전술한 파트 부류의 일반적인 성질의 대표로 고려될 수 있으며, 또한, 다른 판매사로부터의 대표적 파트일 수 있다. 넓게 말해, 오실레이터 유닛(2)은 인버티드 메사 결정(29)을 포함하는데, 이는 AT 커트에 관한 것일 수 있으며, 초기 압전기 여기 모드는 원하는 고주파수에서 발생한다(약 80 또는 100MHz 내지 약 800MHz의 범위). 또한, 증폭, 피드백 및 출력 버퍼링을 갖는 오실레이터 회로(30)가 포함된다. 물론, 인버티드 메사 결정(29)은 진동 주파수 및 안정성을 결정하는 주요한 공진 요소이다.
아마도 몇몇 설명은 인버티드 메사 스타일 결정에 관한 것이다. '두꺼운' AT 커트 블랭크는 적용되는 접합 배선을 가지며, 기판상에 장착되고, 그 후 블랭크의 중심부분이 아르곤 이온 빔을 사용하여 에칭되어 원하는 고주파수에 압전기 공진을 발생시킨다. 그 결과는 추가 처리를 견디지 못하는 수정의 매우 얇은 중심 부분이다. 이러한 얇은 결정이 통상적인 형태로 시도되면, 동작 중에 균열에 매우 약할 것이고, 부서지지 않고 성공적으로 장착되더라도 그렇다.
오실레이터 회로 및 그 수정 공진기는 패키지(전형적으로 금속 캔(31))에서 둘러싸인다. 패키지(31)에는 열적 안정화가 포함되지 않는데, 어떠한 주위 온도가 오실레이터 유닛(2) 바로 외부 환경에 제공되어도 전체 오실레이터가 성공적으로 동작할 것으로 예상되지 때문이다. 예를 들어, 전술한 크리스텍 파트는 ±100ppm의 허용 가능한 주파수 변동을 가지고 0℃ 내지 70℃ 범위를 거쳐 동작하도록 지정된다.
본 발명에 의하면, 적절한 단기간 안정성 및 정확성의 낮은 위상 잡음 고속 시간 기반을 제공한다.

Claims (9)

  1. 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정 공진기(an inverted mesa AT-cut quartz crystal resonator)와,
    상기 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정 공진기에 접속되는 오실레이터 회로를 포함하되,
    상기 오실레이터 회로는,
    상기 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정 공진기의 기본 주파수에서 진동하고, 상기 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정 공진기의 상기 기본 주파수에서 클록 신호를 생성하는 출력 스테이지를 가지며,
    상기 인버티드 메사 AT-커트 수정 결정 공진기 및 상기 오실레이터 회로는, 느슨하게 제어되는 온도(a loosely controlled temperature)를 가지며 상기 회로를 포함하는 외부 주위 환경과는 상이한 환경에 열적으로 접속되는
    클록 신호 생성 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 클록 신호는 적어도 100MHz인
    클록 신호 생성 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 느슨하게 제어되는 온도를 갖는 환경은 물 흐름 열 제거 시스템(water flow heat removal system)을 포함하는
    클록 신호 생성 회로.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 물 흐름 열 제거 시스템은 ATE 시스템의 파트이고, 또한 DUT로부터 열을 제거하는
    클록 신호 생성 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 느슨하게 제어되는 온도를 갖는 환경은 적어도 하나의 펠티에 셀(Peltier Cell)을 포함하는
    클록 신호 생성 회로.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 느슨하게 제어되는 온도는 약 26℃인
    클록 신호 생성 회로.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 주위 환경은 약 40°F의 범위를 거쳐 변하도록 허용되는
    클록 신호 생성 회로.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 느슨하게 제어되는 온도의 함수로서 클록 신호 주파수의 변경은 약 ±20ppm 내지 ±10ppm의 범위에 존재하는
    클록 신호 생성 회로.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회로는,
    상기 회로와 상기 회로를 포함하는 상기 외부 주위 환경 사이에 배치되는 열 절연체를 더 포함하는
    클록 신호 생성 회로.
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