결정 진동자(crystal oscillator)는 압전기 물질의 결정이 진동할 때 발생하는 기계적 공명을 이용하는 전기 발진기이다. 정확한 주파수를 생성하는 전자 부품으로, 크리스털 오실레이터라고도 불린다.
원리
결정 진동자는 압전 효과(piezoelectric effect)를 이용한다. 수정(quartz)과 같은 압전 물질의 결정을 적절한 방향으로 절단한 얇은 조각의 양면에 전극을 부착하고 교류 전압을 걸면, 결정이 기계적으로 변형되면서 진동하게 된다. 이때 인가된 전압의 주파수가 결정편의 기계적 고유 진동수와 일치하면 공진(共振)이 발생한다. 전기장을 제거하면 결정이 원래 모양으로 돌아오면서 반대로 전기장을 형성하게 되며, 결과적으로 수정 결정은 코일(L), 축전기(C), 저항기(R)로 구성된 RLC 회로와 유사하게 동작하여 일정한 공명 진동수를 유지한다.
재료
압전 물질로는 대부분 수정(석영, quartz) 결정체가 사용되기 때문에 수정 발진기로도 널리 알려져 있다. 다결정 세라믹(polycrystalline ceramics)을 사용하는 경우도 있다.
주파수 범위
수정 발진기는 일반적으로 수십 kHz부터 수십 MHz까지의 주파수에서 발진하는 소자가 제작된다. 발진 주파수는 결정의 절단 방향, 형태, 두께에 따라 결정된다. 약 250MHz 미만의 주파수 범위에서 주로 사용되며, 그 이상의 초고주파 발진에는 한계가 있다.
용도
결정 진동자는 안정된 클럭 신호를 필요로 하는 다양한 전자 기기에 사용된다. 주요 사용처는 다음과 같다.
- 손목시계 등 정확한 시간 유지가 필요한 회로
- CPU, 플립플롭 등 디지털 회로의 클럭 신호 입력
- 라디오, 컴퓨터, 이동전화기 등 통신 기기
- FM 주파수 변환기
- 카운터, 신호 발생기, 오실로스코프 등 전자 계측 장비
- 무선통신에서 안정된 주파수 기반의 신호 송수신 처리
특징
장점으로는 비교적 우수한 주파수 안정도와 정확도, 낮은 가격이 있다. 단점으로는 발진 주파수가 고정적이고 제한적이며, 온도 변화에 따라 주파수 변동이 발생할 수 있어 필요 시 항온조를 사용해야 한다.
종류
결정 진동자는 용도와 특성에 따라 다음과 같이 분류된다.
- 일반 수정 발진기(XO, Crystal Oscillator)
- 온도 보상 수정 발진기(TCXO, Temperature Compensated Crystal Oscillator)
- 오븐 제어 수정 발진기(OCXO, Oven Controlled Crystal Oscillator)
역사
압전 효과는 1880년 자크 퀴리와 피에르 퀴리에 의해 발견되었다. 폴 랑제방은 이를 바탕으로 음파 탐지기에 사용되는 수정 공명자를 최초로 제작하였다. 1921년에는 귀통 카디(Guyton Cady)가 최초로 수정 진동자를 만들었다.
