인프런 커뮤니티 질문&답변

안녕하세요, 답변 남겨드립니다.

STM32F103의 클럭 입력 방식은 크게 두 가지로 나뉩니다. 하나는 외부에서 이미 생성된 클럭 신호(oscillator module, MEMS oscillator, TCXO 등)를 MCU의 OSC_IN 핀에 주입하는 방식이고, 다른 하나는 MCU 내부의 발진 증폭기를 이용하여 크리스탈(quartz)이나 세라믹 공진기(ceramic resonator)를 구동하는 방식입니다. 데이터시트의 Table 20, 21, 22, 23은 바로 이 두 가지 경우를 구분해서 규격을 제시한 것입니다.

먼저 Table 20, 21은 “외부 클럭 소스를 직접 인가하는 경우”에 대한 조건입니다. 이 경우 MCU는 내부 발진 증폭기를 사용하지 않고, OSC_IN 핀을 단순 입력으로만 사용하게 됩니다. 따라서 입력되는 신호는 CMOS/TTL 레벨의 사각파 형태이며, 이때 허용되는 주파수 범위(예: 425 MHz), 듀티사이클(4060%), 최소/최대 전압 레벨(예: Vil < 0.35Vdd, Vih > 0.65Vdd), 상승·하강 시간(tr, tf < 25 ns) 등이 규격으로 주어집니다. 쉽게 말해 이 경우 MCU는 단순히 "클럭 신호를 받아 쓰는 것"이므로, 입력 신호의 품질은 외부 오실레이터 모듈에 의해 결정됩니다. 예를 들어 ±0.5 ppm TCXO를 사용한다면, MCU의 클럭 정확도 역시 그 수준을 그대로 따라가게 됩니다.

반대로 Table 22, 23은 “외부 크리스탈이나 세라믹 공진기를 직접 연결하는 경우”의 조건입니다. 이때는 MCU 내부에 있는 Pierce Oscillator 구조가 동작하며, 외부의 수동 소자(Quartz crystal + 2개의 load capacitor)가 발진 회로를 구성합니다. 여기서 중요한 파라미터는 크리스탈의 주파수 범위, ESR(Equivalent Series Resistance), 그리고 부하 캐패시턴스(CL)입니다.

예를 들어 Table 22의 High-Speed External (HSE) crystal oscillator를 보면, 주파수 범위는 4~16 MHz로 제한되어 있고 ESR은 보통 100Ω 이하로 권장됩니다. ESR이 너무 크면 발진이 안정적으로 일어나지 않을 수 있기 때문입니다. 또한 크리스탈 데이터시트에 기재된 CL 조건(예: CL = 20 pF)을 만족시키도록 보드 설계자가 외부 캐패시터 C1, C2를 선택해야 합니다. 이때 실제 부하 캐패시턴스는 아래와 같이 계산됩니다.

CL = (C1 × C2) / (C1 + C2) + Cstray

여기서 Cstray는 PCB 트레이스와 MCU 입력 핀의 기생 커패시턴스로, 보통 2~5 pF 정도로 가정합니다.
예를 들어 CL = 20 pF가 필요한 크리스탈을 사용할 때, PCB의 기생 커패시턴스가 약 3 pF라고 하면, 외부 C1 = C2를 약 27 pF로 선택해야 실제 CL이 20 pF 근처가 됩니다.

Table 23은 Low-Speed External (LSE) crystal, 즉 32.768 kHz RTC용 크리스탈에 대한 규격을 제시합니다. 이 경우 ESR은 더 높아도 허용되며(예: 최대 50 kΩ), 주파수 범위는 고정(32.768 kHz)입니다. 여기에 사용되는 캐패시터 값은 보통 6~15 pF 수준이며, 역시 크리스탈 데이터시트의 CL 값에 맞추어 계산합니다. 예를 들어 CL = 12.5 pF 크리스탈을 선택했다면, 기생을 고려해 18 pF 정도의 캐패시터 두 개를 배치하는 식입니다.

정리하면, Table 20, 21은 “외부 발진 모듈을 쓰는 경우”, Table 22, 23은 “외부 수동 소자(Quartz, Resonator)를 쓰는 경우”를 위한 조건입니다. 전자는 이미 클럭이 만들어져 있으니 입력 조건만 맞으면 되고, 후자는 보드 설계자가 크리스탈과 커패시터를 올바르게 선정해야 MCU 내부 발진기가 안정적으로 동작합니다.

실무적으로는 통신장비, 계측기처럼 ±10 ppm 이하의 정확도가 필요한 경우에는 TCXO 같은 외부 오실레이터를 사용하여 Table 20, 21 조건을 만족시키는 쪽을 택합니다. 반대로 일반적인 산업용 제어기, IoT 보드 같은 경우는 BOM 비용 절감을 위해 Table 22, 23 조건에 맞게 크리스탈과 커패시터를 배치하는 방식이 많이 사용됩니다.