고속화 시대의 계측.프로빙 입문(6) - 저항값을 정밀하게 측정한다

고속화 시대의 계측.프로빙 입문 - 저항값을 정밀하게 측정한다

 

연 재 기 사

연재 6

고속화 시대의 계측·프로빙 입문
- 이론과 실험으로 배운다!

회로가 점점 더 고속화·고정밀화되고 있는 오늘날에는 회로에서 일어나는 현상을 계측하여 동작을 검증하거나 문제점을 파악하고 동작의 확실성을 확인하기 위한 테크닉이 더욱 고도화되고 있다. 이번 연재에서는 회로 이론의 기본적인 개념을 토대로 어떻게 전자회로를 적절하게 계측해 나가야 하는지에 대해‘이론’,‘ 실례’,‘ 실험’을 묶어서 해설한다.

회로도에 나와 있지 않은 인덕턴스/용량/저항 성분이 직접 오차가 된다
저항값을 정밀하게 측정한다

(Ishii Satoru)

지난 회까지 디지털 신호(회로) 계측을 중심으로 설명했다. 이번 회부터는 아날로그 신호(회로)를 계측하기 위한 개념과 기술에 대해 소개한다. 이것은 디지털 신호 계측에도 도움이 된다. 여기서는 특히 직류를 정밀하게 계측하는 것뿐만 아니라 주파수가 높아졌을 때 정밀도를 유지한 채 계측하는 방법에 대해 소개한다. 또한‘온도 변화’도 정밀한 계측에서 중요한 부분이지만 여기서는 생략하기로 한다. 지금까지는‘오실로스코프’의 프로빙을 주로 설명했지만 앞으로는 다양한 전기량을 측정하는 각종 측정기에 대해 설명한다.‘정밀하게 측정’하려면

1‘.정밀하게 측정’한다는 것은 원하는 정밀도를 유지하는 것
‘정밀하게 측정’한다는 것은 측정 전반에 걸쳐 원하는 정밀도로 대상을 측정하는 것을 말한다. 당연한 얘기처럼 들리겠지만, 앞으로 설명할 다양한 요인이 실제 영향을 미치므로 생각대로 잘 계측할 수 없는 것이 현실이다.

2.‘ 정밀하게 측정’하려면‘프로빙’이 중요하다
측정기의 한계에 직면하기 전에 대부분 계측 방법(즉 프로빙)이 부적절하므로 확실하게 계측할 수 없는 경우가 많다(그림 1). 오차 요인이 무엇인지, 그것이 오차로서 얼마나 영향을 미치는지를 확실하게 고려해야 한다.
여기서는 특히 고정밀도이며 적절하게 전기량을 계측하기 위해 중요한‘프로빙’(오실로스코프로 한정하지 않는다)을 주제로 하여 설명한다. 프로빙은 이 연재의 주제이기도 하다.
정밀하게 계측하려면 지금까지 표 A에서 설명했듯이 다음과 같은 측정 대상과 계측 오차 요인을 고려해야 한다.

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① 계측계를 접속함으로써 측정 대상에 영향을 주어 오차가 발생한다
② 측정 대상을 어떻게 계측하느냐에 따라 계측 대상에서 영향을 받아 오차가 발생한다

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복습! 프로빙의 그라운드가 특히 중요하다!

계측계의 종류와 상관없이 전압값을 측정할 때 적절하게 계측(프로빙)하는 것은 매우 중요하다.
디지털 신호 계측에 있어서‘회로 그라운드’의 중요성에 대해서는 연재 3회(본지 2012년 1월호)에서도 해설했지만 아날로그 신호의 전압 계측에서도 가장 중요하며 기본적인 것이다. 현장에서 가장 많이 부딪히는 중요한 예이므로 다시 자세히 생각해 보자.

 

1. 그라운드 경로를 충분히 고려하지 않은 계측에서는 정밀도가 나오지 않는다
그림 2와 같은 회로에서 저항 R1의 단자 전압 레벨을 계측하려고 한다(계측계를 특별히 정하지는 않는다).
회로에는 신호원(교류 전원) VAC[V]에서 전류 I[A]가 흐르고, 그 전류 I는 그라운드 경로를 거쳐 전원 VAC로 되돌아온다. 이 그라운드 회로라는 것은 리드선이거나 프린트 기판의 패턴일 것이다.
여기서 그림과 같이 신호원 VAC의 마이너스 단자 부분에서 측정기의 측정 단자에 있는 마이너스 측을 연결하여 계측하면 그라운드 경로에 존재하는 기생저항 성분 RP(예를 들어 리드선의 저항 성분)나 기생 리액턴스 성분 XP(동일한 코일 성분)가 더해져 전류 I에 의해 발생하는 전압 강하 VR＝IRP, VX＝IXP도 함께 계측된다. 이것은 사진 1(a)과 같은 예이며 실제로는 자주 있는 일이다.

2. 아날로그 신호 계측은 프로빙이 직접 측정 전압 레벨에 영향을 미친다
아날로그 교류 신호는(이것도 고속으로 되면) 디지털 신호보다 계측하기 번거롭다. 아날로그 신호의 경우, 특히 1/100∼1/10,000 정도의 레벨을 정밀하게 계측할 필요가 있기 때문이다. 또한, 기생저항 성분 RP와 함께 그림 2의 기생 인덕턴스(리액턴스) 성분 XP에서도 전압 강하가 발생하여 계측에 직접 영향을 주기 때문이다.
사진 1(a)의 측정 상태에서, 1kHz∼1MHz 주파수 대역의 특성을 측정한 모습은 그림 3(a)과 같다. 100kHz를 넘어선 부근에서 특성이 흐트러진다는 것을 알 수 있다. 이 인덕턴스 성분 XP는 단순히 신호 레벨을 감쇠시킬 뿐만 아니라 신호 레벨의 주파수 특성을 흐트러뜨리고 만다. 오버슈트나 링잉 등 과도적인 시간 파형 변동을 발생시키는 경우가 있으므로 이렇게 계측해서는 안 된다.
또한, 다른 회로의 전류가 그라운드 패턴이나 리드선을 흐르는 경우가 자주 있다. 예를 들면 대전류가 스위치되고 있는 회로(파워 드라이브 회로 등)의 리턴 전류가 그림 2의 그라운드 라인을 흐를 때 부적절하게 프로빙하면 상당히 큰 전압 강하나 인덕턴스에 의한 과도적 파형 변동이 발생하여 올바른 레벨을 계측할 수 없게 된다.
이 연재에서 설명한 디지털 회로의 신호 변화에도 높은 주파수 성분이 존재한다. 따라서 기생 리액턴스 성분 XP에 의해서 높고 넓은 주파수 범위에서 전압 강하(노이즈)가 발생하게 된다. 그 신호가 사진 1(a)의 그라운드로 흘러 이와 같이 접속되면 측정 신호에 노이즈가 실려‘인테그리티(충실도, 완전성, 정합성이 있다)’가 높은 신호 레벨을 관측할 수 없게 된다.

 

3. 그라운드 경로가 짧아지도록 프로빙하면 정밀하게 계측할 수 있다
사진 1(b)과 같이 실제로 계측하는 저항 R1 양끝에 측정기의 측정 단자를 확실하게 접속하면 쓸데없는 기생 성분에 의한 전압 강하의 영향을 제외할 수 있다.
그림 3(b)은 이와 같은 측정 방법으로 측정한 모습이다. 그림 3(a)에서 본 것과 같은 주파수 특성의 비정상적인 흐트러짐이 사라져 주파수 특성이 안정적으로 자연스러워졌다는 것을 알 수 있다.

4. 그라운드 외에도 짧게!
지금까지‘그라운드’의 경로를 살펴보았는데, 당연히 그라운드 이외의 배선에서도 마찬가지로 전압 강하가 발생하여 계측에 영향을 준다. 이 그림과 같이 원하는 소자 바로 옆에서 확실하게 측정 단자를 접속(프로빙)하는 것이 중요하다.
이러한 회로를 보여주면‘그런 것은 당연하다’라고 생각하기 쉽다. 그러나 실제로는 측정 대상의 회로 구성 등이 복잡하므로 여기서 나타낸 것과 같은 계측을 잊어버리는 경우도 있다.

5. 정밀 계측에서 주의해야 할 점 : 동상 모드 전압 
정밀하게 계측할 때 고려해야 할‘동상 모드 전압’이라는 것이 있으므로 소개해 둔다(코먼 모드 전압이라고도 한다).
예를 들면, 프린트 기판을 생각해 보자. 어떤 단자 전압을 계측할 때 그림 4와 같이 프린트 기판의 본래 전압에 대해 전원계나 주변 회로의 전기적 영향에 의해‘동상 모드 전압’이라는 것이 발생한다.
원래 프로빙하는 계측계 측에서는 동상 모드 전압에 의한 영향이 발생하지 않지만, 그림 5와 같이 모델화해 보면 이 동상 모드 전압이 측정기로 관측할 수 있는‘차동 모드 전압’, 즉 기판 상의 본래 전압과 동일한 전압 성분인 노이즈로 나타난다. 그래서 이 동상 모드 전압이 계측에 영향을 주지 않도록 고려해야 한다.
이 동상 모드 전압에 의해 발생하는 동상 모드 노이즈에 대해서는 다음에 해설한다.

 

아날로그량 계측의 첫 단계 : 저항값을 정밀하게 계측한다

아날로그량 계측의 첫 단계로서 저항의 크기를 확실하게 계측하는 방법에 대해 소개한다.

 

1. 프로브 등의 계측 회로 전압 강하를 없애는 테크닉 : 4와이어 계측

(1) 정전류를 흘려 전압을 계측하면 저항값을 알 수 있다
저항 계측은 그림 6에 나타난 바와 같이 계측하는 저항에 정전류를 흘리고 이로 인해 발생한 전압 강하를 계측한다. 따라서 낮은 저항값을 정밀하게 계측하려면 큰 정전류를 흘려서는 안 된다.

(2) 큰 전류를 흘리면 프로브의 내부 저항 성분에 의해서 오차가 발생한다
이 전류에 의해 그림 6과 같은 오차가 발생하게 된다. 측정기에서의 정전류는 계측용 프로브(계측 회로)를 거치므로 이 프로브에 내부 저항에 의한 전압 강하도 발생한다.
한편, 전압 강하 계측점은 측정기 측이므로 측정기에서 보면‘실제 저항값＋프로브의 내부 저항’을 합산한 것을 계측하고 있는 셈이 되어 버린다(처음에 프로브 끝을 쇼트하여 교정해 두는 방법도 있다). 즉 오차가 발생한다.

(3) 프로브 내의 저항 성분을 없앨 수 있는 4와이어 계측
그래서 그림 7과 같은‘4와이어 계측’이라는 것을 이용한다. 4와이어 계측은 프로브 내부 저항분에 의한 전압 강하를 없애고 계측할 수 있다.
그림과 같이 저항에 대해 정전류를 흘리는 배선(4와이어 중 2와이어)과 저항 양끝에 발생하는(본래의) 전압 강하를 계측하는 계측용 배선(4와이어 중 나머지 2와이어)을 분리해 두는 방식이다.
계측용 배선의 측정기 측 입력은 입력 저항이 크므로 전류가 거의 흐르지 않으며 이 계측용 배선에서의 전압 강하, 즉 오차가 발생하는 경우는 없다. 이렇게 함으로써 계측계(배선)에서 발생하는 오차(전압 강하)의 영향을 없애 정확하게 저저항 저항값을 계측할 수 있게 되는 것이다. 저항을 계측하는 측정기 중 고기능인 것에는 이 4와이어 계측 기능이 갖춰진 경우도 있다.

 

2. 멀리 떨어진 곳에 있는 저항에 발생하는 전압을 정확히 계측하는 테크닉 : 6와이어 계측

(1) 브리지 회로에서 센서 신호 계측
비슷한 예로, 그림 8과 같은 브리지 회로(휘트스톤 브리지)를 다양한 계측에 응용하는 경우가 있다. 중첩 계측이나 온도계측 등은 자주 볼 수 있을 것이다. 이 회로 내의 저항 한 개(혹은 여러 개)에는 센서를 사용한다.

(2) 센서 설치 장소가 계측계와 떨어져 있어 전압 강하가 발생한다
이 출력 전압이라는 것은 입력 단자의 전압에 (거의) 비례한다. 따라서 입력 단자의 전압이 확실하게 나오지 않으면 오차가 발생한다.
그러나 계측계 장소(중첩이나 온도 계측점)의 브리지 자체가 떨어진 위치에 있어 긴 케이블‘( 와이어’와같은의미)로 접속되는 경우, 오차의 요인이 된다(그림 8).

(3) 6와이어 계측으로 케이블 전압 강하를 없앤다
일반적으로 브리지 자체의 저항값은 낮기 때문에 흐르는 전류도 많으며, 그림 8에서는 긴 케이블의 내부 저항에 의해 전압 강하가 발생하여 오차가 생긴다. 이 경우에도 표 1과 같이‘적절하게 측정 대상과 계측계를 모델화’하면 앞에서 설명한 4와이어 계측 오차와‘똑같은’이야기가 된다. 그래서 그림 9와 같이 OP 앰프 2개를 추가하여 전체 6와이어 계측 회로를 형성하도록 한다.

(4) 각 케이블의 역할
①과 ⑥은 브리지에 전압(구동 전류)을 공급하기 위한 케이블이다.
②와 ⑤는 브리지단의 전압이 본래의 전압(예를 들면 ±5V)으로 되어 있는지 계측하는 케이블이다. 이 전압량을 피드백시킴으로써 OP 앰프를 구동하고, 이 포인트에서(케이블 ①, ⑥에 의해 전압 강하가 있어도) 올바른 ±5V로 되도록 전압 레벨을 조정한다.
③과 ④는 브리지의 전압 계측용 케이블이다. 이 6와이어 계측을 실시함으로써 케이블 출력에서 올바른 브리지 출력을 계측할 수 있다.
또한, 여기서 사용하는 OP 앰프는 부하 회로의 전류가 크기 때문에 드라이브 성능이 높고 오프셋 전압이 낮아야 한다. 이것을 만족시키는 OP 앰프를 선정한다.

 

더 고도의 저항 계측 : 출력 임피던스를 계측한다

지금까지 저항값의 기본적인 계측 방법에 대해 설명했으며, 여기서는 조금 더 고도의 저항 계측에 대해 설명한다.

 

1. 회로의 출력 저항을 간단하게 계측한다
예를 들어 증폭기의 출력 등 회로의 출력 저항 Rout을 계측하고 싶을 때가 종종 있다. 이 경우에는 다음과 같이 (상당히 한정적이지만) 계측할 수 있다.
그림 10은 이 계측 방법을 나타낸 것이다. 처음에는 부하가 오픈된(무부하인) 경우의 출력 전압 Vout을 계측하도록 한다.
이어서 부하저항 RL을 접속하고 이 때의 출력 전압 VL도 계측한다. 이 결과에서 출력 저항 Rout은 식 (1)에 따라 계산할 수 있다.

Rout＝ RL

 

2. 부하저항은 측정 대상을 출력할 수 있는 범위여야 한다
여기서 접속하는 부하저항 RL은 낮은 편이 좋지만 측정 대상(출력 임피던스를 계측하는 회로)의 출력 전류 허용 범위 이하여야 한다.
측정 대상의 출력 저항이 낮은 경우에도 너무 낮은 저항을 접속하는 것은 불가능한 경우가 많다. 또한 출력 임피던스가 낮은 경우에는 거의 정확한 결과를 얻을 수 없어 역시 계측 한계에 이른다.

3. 출력 임피던스가 리액턴스 성분을 가진 경우에는 계측하기 어렵다
또한 이 계측 방법에서 측정 대상의 출력 단자 측에 유도성이나 용량성(리액턴스) 성분이 접속되어 있는 경우, 임피던스 상호의 위상 관계에 의해 측정 결과에 큰 오차가 발생하므로 측정 대상의 출력 회로가 어떻게 되어 있는지 충분히 고려해 두어야 한다.

4. 더 고도의 출력 임피던스를 계측하는 데에는 주파수 특성 분석기 FRA를 사용한다
지금까지 설명한 방법으로는 계측에 한계가 발생하게 된다. 이 경우에는 실제로 주파수 특성 분석기 FRA(Frequency Response Analyzer)라는 측정기를 사용하여 계측하면 간단하다(사진 2).

앞에 나온 방법으로는 저저항 성분만 계측할 수 있었지만, 이 계측 방법이라면 리액턴스의 양을 포함한‘임피던스’로서 계측할 수 있다. 이 측정기를 사용하면 다음과 같은 상황에서 계측할 때 매우 편리하다.

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① 앞에서 설명한, 간단한 계측 방법으로는 출력 저항이
너무 낮아 계측할 수 없다
② 출력 저항은 순저항 성분뿐만 아니라 유도성이나 용
량성(리액턴스) 성분도 갖고 있다
③ 측정 대상을 어떻게 계측하는가에 따라 측정 대상으
로부터 영향을 받아 오차가 발생한다
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이번에는 아날로그 회로를 정밀하게 계측하기 위한 기본적인 개념과 아날로그 계측의 기본적인 개념, 아날로그 계측의 기본량 계측 중 저항과 계측 방법에 대해 설명했다. 계측계를‘적절하게 모델화’하여‘오차 요인을 해석’하면 정밀하게 계측할 수 있다는 것을 이해했을 것이다. 다음 회에는 고도로 복잡한 계측에 대해 설명한다.

本記事는 日本CQ出版社가 發行하는「トランジスタ技術」誌와의 著作權協定에 依據하여 提供받은 資料입니다.

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=002&idx=9357