수정발진기 ppm 정확도

수정발진기(Crystal Oscillator) 데이터시트를 보면 ±10 ppm, ±20 ppm, ±50 ppm 같은 값을 자주 볼 수 있습니다. 이 ppm은 발진 주파수가 기준값에서 얼마나 벗어날 수 있는지를 나타내는 주파수 정확도 또는 안정도 지표입니다.

ppm 숫자가 작을수록 기준 주파수에서 벗어나는 범위가 작아 더 정밀한 클록을 만들 수 있습니다.

ppm이란?

ppm은 Parts Per Million, 즉 백만분율을 의미합니다.

주파수에서 ppm은 기준 주파수 대비 얼마나 오차가 있는지를 나타냅니다.

계산식은 다음과 같습니다.

주파수 오차(ppm) = 주파수 편차 ÷ 기준 주파수 × 1,000,000

예를 들어 10MHz 발진기의 정확도가 ±20 ppm이라고 가정해보겠습니다.

10MHz의 20 ppm은 약 ±200Hz이므로 실제 출력 주파수는 대략

9,999,800Hz ~ 10,000,200Hz

범위 안에 들어올 수 있습니다.

즉 ppm 숫자는 작아 보여도 기준 주파수가 높아지면 실제 Hz 단위의 차이도 커질 수 있습니다.

±20 ppm과 ±50 ppm의 차이

같은 10MHz 발진기를 비교하면 다음과 같습니다.

사양	최대 주파수 편차
±10 ppm	약 ±100Hz
±20 ppm	약 ±200Hz
±50 ppm	약 ±500Hz
±100 ppm	약 ±1,000Hz

따라서 같은 조건이라면 ±20 ppm 제품이 ±50 ppm 제품보다 기준 주파수를 더 정확하게 유지합니다.

실제 Epson의 일반 SPXO 제품에서도 사용 온도 조건에 따라 ±25 ppm, ±50 ppm, ±100 ppm 등의 주파수 허용오차 사양이 제공됩니다.

ppm에는 무엇이 포함될까?

여기서 중요한 점은 제조사마다 Frequency Tolerance 또는 Frequency Stability에 포함시키는 조건이 다를 수 있다는 것입니다.

예를 들어 Epson의 일부 수정발진기는 주파수 허용오차에 다음 요소를 포함한다고 명시합니다.

• 초기 주파수 오차
• 온도 변화에 따른 주파수 변화
• 전원전압 변화
• 시간 경과에 따른 Aging

일부 제품은 이러한 조건과 장기간 Aging까지 합산해 ±25 ppm 또는 ±50 ppm으로 규정합니다.

따라서 서로 다른 제품의 ±20 ppm 수치를 비교할 때는 단순히 숫자만 비교하지 말고 그 ppm 값에 어떤 조건이 포함되어 있는지를 함께 확인해야 합니다.

온도가 왜 중요한가?

수정발진기의 주파수는 온도 변화에 영향을 받을 수 있습니다.

예를 들어 제품 A가

±20 ppm / -20℃~+70℃

제품 B가

±20 ppm / -40℃~+85℃

라면 숫자는 동일하지만 제품 B가 더 넓은 온도범위에서 같은 수준의 주파수 안정도를 보장하는 사양입니다.

따라서 데이터시트를 볼 때는 반드시

ppm + 사용온도 범위

를 함께 확인해야 합니다.

TCXO는 무엇이 다를까?

더 높은 주파수 안정도가 필요한 경우 TCXO(Temperature Compensated Crystal Oscillator)를 사용합니다.

TCXO는 수정진동자의 온도 특성을 보상하는 회로를 추가해 온도가 변해도 주파수가 크게 변하지 않도록 만든 발진기입니다.

Epson의 일부 TCXO 제품은 -40℃~+85℃에서 ±0.5 ppm 수준의 주파수·온도 특성을 제공합니다.

일반적인 SPXO가 수십 ppm 수준이라면 TCXO는 훨씬 더 작은 오차를 구현할 수 있어 GPS, RF, 무선통신처럼 정확한 주파수가 중요한 시스템에 사용됩니다.

TCXO와 OCXO 차이

고정밀 발진기에서는 OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)도 볼 수 있습니다.

차이는 온도를 관리하는 방식입니다.

일반 XO
별도의 온도 보상 없이 발진

TCXO
온도 변화에 따른 주파수 오차를 전자적으로 보상

OCXO
수정진동자를 일정한 온도로 유지하여 주파수 변화를 최소화

따라서 일반적으로 더 높은 주파수 안정도가 필요한 통신장비나 정밀 타이밍 장비에서는 TCXO나 OCXO를 사용합니다.

실제로 정밀 OCXO 제품은 ppm보다 작은 ppb(parts per billion) 단위의 안정도를 제공하기도 합니다.

ppm과 시간 오차의 관계

ppm은 시계나 타이밍 회로에서도 중요합니다.

예를 들어 클록이 항상 20 ppm 빠른 방향으로 오차가 있다고 가정하면 하루 동안 누적되는 시간 오차는 약 1.7초 수준이 될 수 있습니다.

따라서 RTC, 통신 동기화, GPS, 네트워크 장비처럼 시간이 지속적으로 누적되는 시스템에서는 작은 ppm 차이가 장시간 사용 후 큰 차이로 이어질 수 있습니다.

하지만 실제 오차는 온도, 전원, Aging 등 여러 조건에 따라 계속 변할 수 있으므로 ppm 값을 단순히 하루 오차로 환산한 값은 참고값으로 보는 것이 좋습니다.

데이터시트에서는 무엇을 확인할까?

수정발진기를 비교할 때는 다음 항목을 함께 확인하는 것이 좋습니다.

첫째, 출력 주파수
10MHz, 25MHz, 32.768kHz 등 필요한 주파수를 확인합니다.

둘째, Frequency Tolerance 또는 Stability
±10 ppm, ±20 ppm 등 오차범위를 확인합니다.

셋째, 사용온도 범위
같은 ppm이라도 보장 온도범위가 다를 수 있습니다.

넷째, Aging
시간이 지나면서 발생하는 주파수 변화를 확인합니다.

다섯째, 전원전압 영향
전압 변화에 따른 주파수 편차도 중요한 조건입니다.

정리

수정발진기의 ppm은 기준 주파수에서 얼마나 벗어날 수 있는지를 나타내는 주파수 오차 지표입니다.

일반적으로

ppm 숫자가 작을수록 주파수 정확도와 안정도가 높다

고 이해할 수 있습니다.

하지만 제품을 비교할 때는 ppm 숫자만 보는 것이 아니라 온도범위, 초기 오차, 전원전압 변화, Aging이 해당 수치에 포함되어 있는지를 함께 확인해야 합니다.

특히 높은 정확도가 필요한 회로에서는 일반 XO보다 TCXO나 OCXO 같은 온도 보상형 발진기가 적합할 수 있습니다.

공식 참고 자료: IEC 60122-2:2025 Quartz crystal units of assessed quality – Guidelines for the use, Epson Crystal Oscillator Technical Data