크리스털의 정밀도 - PPM

프로세서의 클럭을 만들거나 RF 회로의 동조주파수를 만들 때 주로 사용되는 크리스털(crystal)은 저렴한 가격에 정밀한 주파수의 클럭을 만들 수 있다. 하지만 제아무리 정확한 크리스털일 지라도 오차는 있기 마련이고, 크리스털의 오차를 표기하는 단위로 PPM(Parts per Million) 단위가 사용된다.

PPM은 백만분의 1로 생각하면 간단하다.
일반적인 크리스털의 오차 범위는 대략 100PPM 가량 된다. RTC를 만들 때 많이 사용되는 32.768kHz 크리스털을 이용해 하루가 지난 후에 얼마나 시간 오차가 있을 수 있는지 살펴보자.
1 day = 24 hour * 60 min * 60 sec = 86400 sec
100PPM인 크리스털이라면 86400 * 100 / 1000000 = 8.64 sec. 즉 하루에 최대 8.64초 만큼 시간 오차가 생길 수 있음을 의미한다.

생각보다 큰 오차다. 하루에 8초씩이라니...
보다 정밀한 동작을 요구하는 시스템에는 5~20PPM 정도로 정밀도가 높은 크리스털을 사용하고, 크리스털의 load capacitor에 trimmer를 넣어 수동으로 캘리브레이션 해서 사용하기도 한다. 이렇게 잘 조정된 발진 시스템의 정밀도는 1PPM 이하로 내려가기도 한다. 물론 온도와 전원 노이즈 등의 영향으로 언제나 칼같이 정밀한 발진 시스템을 만드는 것은 불가능하다.

좀 더 정밀도를 요구하는 특수한 상황에는 온도보상형 크리스털(TCXO)이나 오븐 크리스털(OCXO)들이 쓰이기도 한다. TCXO는 온도를 센싱해서 보상하는 회로를 추가한 크리스털 발진회로이고, OCXO는 아예 크리스털 발진회로 전체를 내장된 히터를 이용해 특정 온도로 가열한 상태로 사용하는 장치다. 온도에 영향을 받으니 아예 온도를 고정시켜버리자는 깜찍한 발상. OCXO는 0.001PPM 까지 정밀도가 내려가기도 한다.

이런 정밀한 발진 시스템은 통신, 암호화 분야에서 많이 사용된다. 무선 통신을 하는 양쪽에서 동기화된 클럭에 기준하여 변복조하는 시스템에서 시간 동기화는 중요한 이슈이다. 요즘에는 GPS의 덕분에 크리스털과 같은 로컬 동기 솔루션의 쓰임세가 많이 줄어들었다. 저렴한 GPS 모듈 하나만 달면 GPS로부터 PPS 시그널을 받아 사용할 수 있고, 이 시간의 정밀도는 0.001~0.00001PPM에 해당한다.