클럭 버퍼란?
클럭 버퍼는 어떤 인쇄 회로 기판의 시스템 내에서 클럭이 여러 논리 회로에 도달하기까지의 지연 차이를 최대한 줄여 타이밍을 맞추는(동기화) 데 사용되는 IC입니다.
여러 개의 논리 회로를 동작시키는 경우, 회로 간 동기화가 필요합니다. 이때 시스템 전체를 제어하는 신호가 필요한데, 이를 위해 사용되는 일정한 주파수의 주기적인 신호가 바로 클럭입니다 (음악의 메트로놈과 같은 역할을 합니다).
클럭에 연동하여 동작하는 회로군을 동기화 회로라고 합니다. 클럭은 시스템 내에서 분기되어 수많은 논리 회로로 전파된다. 그러나 이 클럭이 동기화되지 않으면 논리 회로의 오작동으로 인해 시스템 전체가 원하는 동작을 하지 못하게 될 수 있기 때문에 클럭 버퍼가 필요합니다.
클럭 버퍼의 사용 용도
클럭 버퍼는 컴퓨터, 통신 시스템, 산업용 기기 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
구체적인 사용 용도는 다음과 같습니다.
- 디지털 논리 회로 (CPU, FPGA 등)
- 데이터 컨버터 (아날로그 ⇔ 디지털 변환)
- 고속 인터페이스 (USB, Serial-ATA, PCI-Express 등)
- 무선 시스템의 주파수 변환
일례로 컴퓨터 동작의 핵심인 CPU(Central Processing Unit)를 예로 들면, 클럭 신호에 의해 각 회로(제어장치, 연산장치, 레지스터, 저장장치와의 인터페이스, 입출력 장치와의 인터페이스)를 동기화하여 동작을 제어하고 있습니다.
또한, 어느 용도든 여러 회로 간의 정보 및 데이터 교환을 보다 정확하게 동기화하는 것이 안정된 동작을 위해 필수적입니다.
클럭 버퍼의 원리
클럭 버퍼는 회로 방식에 따라 ‘Non-PLL Buffer’와 ‘PLL Buffer’로 분류됩니다.
내부적으로 PLL(phase-locked loop: 위상동기 루프)을 사용하느냐의 여부가 큰 차이점이며, PLL은 입력되는 주기적인 신호에 피드백 제어를 가하여 다른 발진기로부터 위상이 동기화된 신호를 출력하는 회로를 말합니다. 다음과 같습니다.
- Non-PLL Buffer
PLL을 거치지 않고 입력 신호를 분배하기 때문에 지터 열화(주기적인 흔들림)가 적습니다. - PLL Buffer
입력 신호와 출력 신호 사이의 지연이 매우 작습니다.
클럭 버퍼는 클럭 신호를 여러 개 출력할 수 있으므로, 클럭 신호원과 클럭 버퍼를 각각 1개씩만 준비하면 같은 주파수의 클럭으로 동작하는 여러 회로군에서 사용할 수 있는 클럭을 생성할 수 있습니다.
따라서 부품 비용의 절감과 프린트 기판의 레이아웃을 용이하게 할 수 있다는 장점이 있습니다. 그 외에도 일부 제품에서는 레벨 변환이 가능하고, 설정이 용이하다는 특징도 있습니다.
클럭 버퍼를 선택하는 방법
입력 신호의 요구 사양, 출력 클럭의 주파수, 신호 수, 전압, 지터, 스큐, 입출력 간 지연, 클럭 버퍼의 전원 전압, 패키지 외형 치수, 핀 수, 소비전력, 비용 등을 디바이스의 데이터시트에서 확인한 후, 설계하는 시스템에 가장 적합한 디바이스를 선정합니다.
시스템 내 각 회로군에 분배되는 클럭이 100% 동일한 타이밍에 스위칭되는 것이 이상적이지만, 현실적으로 실현 가능한 경우는 거의 없습니다. 하지만 회로의 오동작을 방지하기 위해 우수한 특성을 가진 디바이스를 선정하는 것이 중요합니다.
클럭 버퍼에 대한 추가 정보
클럭 버퍼의 사용법과 역할
시스템 내에서 안정적으로 사용할 수 있는 클럭을 생성하기 위해서는 클럭 신호원과 이를 보완하고 여러 회로군에 적절히 분배할 수 있는 클럭 제품이 필요합니다.
1. 클록 신호원
클록 신호원으로는 공진기나 발진기가 사용됩니다. 공진기란 고유 주파수를 가진 진자를 말합니다.
단독으로 동작하지 않으며, 세라믹, 수정, SAW의 범주로 나뉩니다. 발진기는 진자를 진동시키기 시작해 진동을 지속시키는 회로(발진회로)와 공진기를 패키지로 만든 제품을 말합니다. 수정, SAW, 실리콘, MEMS 발진기 등이 있습니다.
2. 클럭 제품
클럭 신호원을 보완하는 클럭 제품 중 하나가 클럭 버퍼입니다. 발진기의 출력 신호를 클럭 버퍼에 입력합니다. 그 입력 신호와 동일한 주파수의 클럭 신호를 여러 개 출력하는 것이 클럭 버퍼의 역할입니다.
오실레이터를 보완하는 클럭 제품에는 이외에도 클럭 제너레이터(다중 주파수 생성 가능), 지터 클리너(지터 성능 개선), RF 신시사이저(고주파수 출력) 등이 있으며, 설계자는 사양과 비용 등 시스템에 요구되는 요구사항에 따라 선택해야 합니다.