고성능 시스템에서 액티브 프로브를 이용한 오실로스코프 측정 정확성의 최적화

실리콘 디바이스의 처리능력이 획기적으로 향상됨으로써, 컴퓨터 시스템이나 차세대 반도체 또는 통신시스템을 설계하는데 있어 증가하는 신호 전송률의 처리가 엔지니어들의 관심사로 떠오르고 있다. 고속 디바이스들을 놀리지 않고 이들 디바이스에 계속적으로 데이터를 공급하기 위해, 설계기술자들은 회로 보드 상의 디바이스들 사이에, 백플레인들끼리, 그리고 케이블을 통해 대량 데이터를 이동시킬 수 있도록 외부 버스의 대역폭 확장 기술을 발명하여 왔다. 버스 대역폭을 확장시키는 한 방법은 신호 주파수를 증가시키는 것이다. 주파수가 증가할수록 디지털 신호의 상승 시간은 감소한다. 좋지 못한 오실로스코프 프로브는 빠른 상승시간 신호에 대한 측정파형에 있어서 오버슈트와 링잉을 초래할 수 있다. 엔지니어는 이 같은 착오가 설계상의 문제인지 아니면 측정시스템에서 기인하는지를 판정해야 한다.

자료 / 한국애질런트테크놀로지스

프로브 입력 임피던스
오실로스코프 설계자들은 샘플링 비율, 대역폭 및 정확성에 있어 커다란 진보를 이루어 왔다. 특정 애플리케이션에 대해 오실로스코프의 성능을 최대화하기 위해서는 프로브 선택과 작동에 주의를 기울여야 한다. 불행하게도 이 악세서리들은 빈번하게 간과된다. 프로브는 테스트 중인 회로와 오실로스코프 사이의 매우 중요한 연결 링크이다. 그것은 측정 결과와 테스트 중인 회로의 작동에 모두 영향을 미친다.
회로에 프로브를 부착하면 회로에 효과적으로 부하를 가하게 되는 셈이다. 이 프로브 부하는 전원으로부터 추가 전류를 끌어오고 측정된 신호를 변경함으로써 테스트지점 뒤 회로의 작동을 변경시킨다.

정확한 측정값을 얻기 위해 프로브는 신호의 취득을 필요로 하며 과도한 부하 없이도 또는 그렇치 않은 경우 프로브의 전체 주파수 범위 밖에 있는 신호 소스를 변경하여 가장 신뢰할 만한 설명을 제공한다. 모든 프로브들은 측정하고자 하는 회로에 다중 부하를 부과한다(그림 1 참조). 목표는 이 부하의 영향이 허용 한도 내에서 유지되도록 하는 것이다.
프로브 사양에는 테스트 중인 회로에 부하를 가하고 변경하도록 결합시키는 입력 저항과 캐퍼시턴스가 기록된다, 낮은 주파수에서 콘덴서는 개방회로처럼 작동하고, DC저항은 회로부하의 핵심 요소가 된다. 저항성 부하는 프로브 부하의 최소 장애 효과인데 이는 저항성 부하가 비선형 회로동작을 만들어 내는 것과 다르기 때문이다.
낮은 임피던스 프로브로부터의 과도한 전류 드레인은 비선형 반응을 일으키거나 회로 작동을 방해할 수도 있지만, 당신이 프로브를 사용할 때 오늘날의 저전압, 고속 신호에는 일반적으로 문제가 되지 않는다.
전원 임피던스를 저항성으로 가정하면 프로브의 저항성성분은 회로의 출력 저항과 프로브의 입력 저항으로 구성된 전압분배기를 만들어 형을 변형시키지 않은 채 측정된 신호의 전압 진폭을 감소시킨다(그림 2 참조). 프로브 저항이 전원 저항과 관계가 적으면 적을수록, 프로브 부하는 측정 파형의 전압 진폭을 더욱 더 감소시킨다. 뿐만 아니라, 프로브 저항이 회로와 관계가 적으면 적을수록, 전류는 회로에 부정적인 영향을 줄 가능성을 증가시키며 프로브로 보다 많이 흘러 들어간다.
신호주파수가 증가하거나 에지 속도가 감소함에 따라 프로브 캐퍼시턴스는 단락처럼 작용하고, 전류가 낮은 임피던스 프로브를 통과하여 흘러가도록 한다. 고주파수에서 용량성 리액턴스는 회로부하에 중요한 요소가 되며 그것이 적절한 전압마진을 조절하지 못하기 때문에 사용자의 회로에 오류가 발생시킬 수 있다.
용량성 부하는 상승 및 하강 시간, 대역폭, 그리고 에지-투-에지(edge-to-edge) 타임 측정에 영향을 미치기 때문에 프로브 관련 측정 오류의 주요 원인이 된다. 용량성 부하는 지수 반응으로 인해(그림 3 참조) 측정 파형의 모양을 변형시키며 오류와 오버슈트, 링잉을 감소시키며 또 한 회로 내에서 설정이나 시간위반을 충분히 보류시킬 수 있게 한다.그림 4)는 최대 6GHz까지의 애질런트 1158A 프로브 입력 임피던스를 보여준다. 최대 1MHz까지의 저주파수에서 프로브의 입력 임피던스가 프로브의 DC저항성분(100kΩ)의 영향을 받는다는 사실을 볼 수 있다. 신호 주파수가 증가하면서, 용량성 리액턴스는 회로 부하에 중요한 요소가 된다. 2GHz에서 애질런트 1158A는 최소 임피던스 165Ω에 도달하고, 165Ω는 프로브의 팁 레지스터(resistor)에 의해 제한된다.
이것이 테스트중인 회로의 측정파형에 어떻게 영향을 미치는지를 알아보기 위해 그 일례로, 25Ω 소스로부터 매우 빠른 에지를 갖는 디지털 신호를 살펴보겠다(그림 5 참조). 프로브가 연결되면 프로브의 입력 임피던스 때문에 신호가 변하는 것을 볼 수 있다.
유도성 부하는 측정된 신호 내에서 링잉으로 나타난다(그림 6 참조). 이 링잉 전원은 LC 회로이며 LC 회로는 접지 리드선과 프로브 팁의 프로브의 내부 커패시턴스와 인덕턴스로 구성된다. 어떤 종류의 오실로스코프 측정을 하고자 할 때 원칙적으로 가능한 최단 접지 리드선을 사용해야 한다. 이것은 인덕턴스를 감소시키며 측정에 미치는 영향을 최소화하기 위해서는 오실로스코프와 프로브의 대역폭 외부 링 주파수를 조정해야 한다.

프로브 전송응답
프로브 입력 임피던스에 영향을 미치는 추가적 요소들은 프로브의 전송된 응답을 변경시킬 수 있으며 종종 프로브의 주파수 응답이라고도 불린다. 전송응답은 프로브 입력 전압으로 나눈 프로브 출력 전압의 비율로 정의된다(출력 전압/입력 전압). 이는 일반적으로 데시벨로 표시된 진폭 대 주파수의 그래프 상에 보여진다.
프로브 대역폭은 전송응답이 3dB감소되는 지점까지 지속되는 주파수 밴드 또는 진폭이 70.7%까지 떨어지는 지점까지 지속되는 주파수 밴드이다(그림 6 참조). 프로브 대역폭을 넘어가면 신호 진폭은 급하게 쇠약해지고, 측정이 예측 불가능해진다.
프로브 대역폭 내에서 프로브 출력에 있는 신호가 프로브 팁에 있는 최소 저하 신호를 밀접하게 따라가는 것을 볼 수 있다. 이것은 프로프 팁에서 신호가 어떻게 생겼는지 오실로스코프 화면상에서 정확히 볼 수 있도록 해준다.
주파수 영역에서 입력에서 출력까지 최소 저하 신호를 전송하기 위한 프로브의 능력은 프로브의 전체 대역폭에 걸쳐 플랫 전송응답으로(0dB) 표시된다. 실제로 이것은 달성하기 어렵다. 프로브가 테스트중인 회로에 연결될 때, 물리적 연결의 부가물과 프로브 내부 구성 요소들은 공진 주파수가 프로브의 대역폭보다 더 낮은 공진 회로를 형성할 수 있다(그림 7 참조). 이 인-밴드 공진은 입력과 다른 프로브의 출력을 야기시킬 수 있으며 측정 파형에 대해 오버 슈트와 링잉으로 나타날 수 있다.그림 7)의 예는 비-Agilent 4GHz 프로브의 입력 전압(Vin)에서 인-밴드 공진을 보여준다. 프로브의 출력(Vout)이 입력전압을 따라가지 않는다는 점에 주의한다. 출력 전압(Vout)은 균일하게 남게 되며 프로브의 전송된 응답(Vout/Vin)은 5dB에서 정점을 이루게 된다.
입력 전압 공진시 출력 전압이 균일하게 남아 있는 것이 무엇이 잘못된 것인가, 이것은 바로 신호가 부가된 것이 없는 프로브처럼 보인다는 것을 나타내 주기 위함이 아닌가? 이것은 좋은 질문이지만, 프로브 전송응답이 항상 5dB에서 정점을 이룰 것이라는 점, 5dB은 입력시 신호를 왜곡할 것이라는 점, 그리고 측정파형에서 추가적인 오버 슈트와 링잉으로 나타날 수 있다는 점을 기억할 필요가 있다.그림 8)에서의 측정은 듀얼단말기 50Ω 전송선의 중간에서 이루어졌으며 전송선에서는 25Ω전원저항이 나타났으며 프로브의 응답은 회로의 유형과 일치한다. 완벽한 25Ω 전원저항이 제공하지 않는 회로를 측정하는 경우 프로브로부터 발생하는 왜곡현상을 발견하게 될 것이다.