고속화 시대의 계측·프로빙 입문(12) - 입력 용량 1pF의 액티브 프로브 제작

고속화 시대의 계측·프로빙 입문

 

패시브가 측정할 수 없는 미소 고주파 신호도 측정 가능하다!

입력 용량 1pF의 액티브 프로브 제작

 

 

오실로스코프에 표시되는 파형의 경우 회로 본래의 완전한 파형은 아니다. 프로브라는 부하가 접속된 상태의 회로 동작 파형을 보여주고 있는 것이다.

프로브가 회로 동작을 변화시킨다고는 믿기 어렵겠지만 회로 입장에서 프로브라는 부하는 결코 작지 않다. 특히 신호 주파수가 높을수록 프로브는 큰 부하가 된다. 회로 본래의 파형을 표시하려면 광대역에서 입력 임피던스가 높은 프로브가 필요하다.

이번에는 오실로스코프를 이용한 계측에서 측정 대상에 영향을 주지 않고 바른 파형을 관측하는 방법에 대해 소개한다. 패시브 프로브의 한계나 측정 대상에 영향을 잘 주지 않는 액티브 프로브에도 한계가 있다는 것을 해설하고 간이 액티브 프로브를 제작해 실험해 본다.‘ 측정 대상에 영향을 주지 않고 측정한다’는 의미는 다양하게 해석될 수 있지만 여기서는 주파수 특성에 대해 생각해 본다.

 

패시브 프로브가 측정할 수 있는 주파수의 상한

 

1. 그라운드 리드가 길면 원래 존재하지 않는 노이즈가 파형에 실린다

 

 

오실로스코프 계측에서 일반적으로 이용되는 패시브 프로브(사진 1)는 주파수 특성을 교정하지 않을 경우 바르게 측정 할 수 없다. 또한, 그라운드 리드가 인덕턴스 성분이 되어 계측하는 파형에 노이즈가 실리므로 그라운드 리드를 최대한 짧게 하는 것이 좋다는 것을 지난 회(본지 2012년 9월호)에 설명했다.

그러나 고속 신호를 계측할 경우, 그라운드 리드를 최대한 짧게 하는 것만으로는 충분하지 않다. 그와 관련된 내용을 다음에 설명한다.

 

2. 프로브는 회로 동작에 반드시 영향을 준다

 

 

지난 회의 그림 5에 나타난 패시브 프로브 모델 중 그라운드 리드의 길이를 제로로 하고 입력 부분만 발췌한 것이 그림 1이다.

 

 

프로브 칩 끝과 그라운드 사이에는 입력 용량이 있으며 P6139A인 경우 데이터시트에는 8pFTYP로 되어 있다. 이 모델을 이용하여 프로브의 입력 임피던스 특성을 시뮬레이션 해석한 결과가 그림 2이다.

낮은 주파수에서 입력 임피던스는 10MΩ이지만 주파수가 높아지면 8pF 입력 용량의 영향으로 입력 임피던스가 점점 낮아진다. 1MHz에서 겨우 10kΩ밖에 없다(임피던스의 크기만으로 표시, 위상분은 무시). 이 그림에서 알 수 있는 것은 8pF의 입력 용량만 있어도 주파수가 상승하면 프로브의 입력 임피던스에 큰 영향이 생긴다는 점이다. 주파수가 높아지 면(10M∼100MH 정도) 이 8pF이라는 용량 성분이 측정 대상에 대해‘부하용량’으로 영향을 미치게 된다.

고속 신호용 패시브 프로브 P6139A의 입력 용량은 8pFTYP였지만 더 저속인 프로브에서는 입력 용량이 더 높아지는 경우가 대부분이다. 또한, 영향도 커진다.

패시브 프로브에서는‘인티그리티가 높은/측정 대상에 영향을 주지 않는’계측은 매우 어려운 것 같다.

 

측정 대상에 영향을 잘 주지 않는 액티브 프로브

 

1. 입력 용량이 작으므로 입력 임피던스의 변화가 적다

 

패시브 프로브의 한계를 넘어서는 주파수 신호를 측정하고자 할 경우, 프로브의 입력 용량을 작게 한‘액티브 프로브’가 제격이다.

 

 

프로브의 입력 회로로서 FET 등의 액티브 소자가 이용되고 있으며 등가적으로 입력 용량을 저감시키고 있다. 사진 2와 같은 오실로스코프용 액티브 프로브(FET 프로브라고도 한다)가 판매되고 있다.

일반적으로 액티브 프로브의 입력 저항은 수십k∼1MΩ정도로 패시브 프로브와 비교했을 때 낮다. 그러나 입력 용량은 1pF 정도여서 주파수가 높아져도 측정 대상에 미치는 영향이 적어 적절하게 계측할 수 있다.

 

 

그림 3은 액티브 프로브 TAP1500의 입력 임피던스 주파수 특성이다(입력 용량은 1pF 미만). 패시브 프로브 P6139A와 비교했을 때 특성이 10배 가까이 개선됐다는 것을 알 수 있다

 

2. 액티브 프로브의 주파수 특성은 패시브 프로브의 10배 정도

 

그렇지만 어쨌든 입력 용량이 있다는 사실에는 변함이 없다. 이것은 그림 3의 특성에도 나타나 있다. 패시브 프로브보다 10배 가까이 개선됐지만 입력 용량 문제가 전혀 없어지는 것은 아니다. 반대로 말하면, 10배 정도밖에 개선되지 않았다고도 할 수 있다.

 

3. 단점! 최대 입력 전압이 패시브 프로브보다 낮다

 

‘액티브’나‘FET’라는 이름 그대로 프로브 끝에 전자 회로가 내장되어 있다.

따라서 최대 입력 전압(내전압)은 패시브 프로브와 비교했을 때 상당히 낮아진다. 수십V 정도이며 TAP1500의 경우에는 ±8V이다.

또한, 입력 임피던스가 패시브 프로브의 10MΩ보다 낮으므로(TAP1500인 경우 1MΩ), 측정 대상의 출력 임피던스가 그 영향을 받을 정도로 높을 경우에는 주의해야 한다.

 

4. 측정할 수 있는 주파수는 수백MHz 정도까지

 

액티브 프로브를 이용하여 계측하는 측정 대상으로는 다음과 같은 것을 들 수 있다.

·고속 디지털 회로

·수MHz까지 동작하는 출력 임피던스가 높은 아날로그 센서 회로

·비디오 회로 등의 고속 아날로그 회로

·고주파 회로(수M∼수백MHz 정도)

 

5. 더 낮은 입력 용량의 프로브

 

(1) 차동 프로브를 사용한다

 

 

액티브 프로브와 비슷한 액티브 방식인 차동 프로브(본지 7월호, 사진 3)도 측정 대상에 영향을 별로 주지 않고 계측할 수 있다. 그림 4는 차동 프로브의 입력 회로 모델을 나타낸 것이다.

차동 신호를 다루므로 플러스와 마이너스 입력이 있다. 그라운드 전위를 기준으로 한 싱글 엔드 신호 계측인 경우 그라운드 단자와 마이너스 단자를 측정 대상 측 그라운드에 접속하므로, 그 결과 1.5pF＋0.25pF＝1.75pF의 용량이 회로 측에서 보이게 된다.

또한, 그림 4와 같이 입력 저항도 100kΩ으로 액티브 프로브와 다르기 때문에 주의해야 한다.

(2) 낮은 임피던스 프로브를 사용하여 50Ω계를 계측한다

다음 회에는 고속 신호를 프로빙 관측하기 위한 노하우에대해 설명하겠지만, 이번 달에도‘저입력 용량 프로브’라는 관점에서 간단하게 언급해 둔다.

 

 

사진 3의 저임피던스 프로브는 50Ω의 케이블에 입력 분압저항을 설치하여 20 : 1의 패시브 프로브를 실현했다(P6158인 경우). 쓸데없는 부대 회로가 없으므로 P6158의 입력 용량은 1.5pF이다.

입력 임피던스는 1kΩ으로 낮지만 액티브 프로브와 비교해보면 고속 회로에서는 이 프로브가 더 확실하게 계측할 수 있는 경우가 있다(고속 회로는 저임피던스에서 신호를 전송하기 위해 프로브의 임피던스가 낮아도 회로가 영향을 잘 주지 않는다). 저임피던스 프로브와 그 개념에 대해서는 다음 회에 설명한다.

 

6. 모든 프로브가 만능인 것은 아니다

 

한편, 이러한 프로브도 만능은 아니어서 여전히 주파수 특성이 있거나 (차동 프로브인 경우에는) CMRR 특성이 떨어지는 경우도 있으므로 주의가 필요하다.

기본적으로 생각할 수 있는 것은 표 1의 항목이다. 프로브의 데이터시트 수치에 맞춰 원하는 정밀도를 유지하는 계측이 가능하도록 계측계의 오차와 정밀도를 고려하는(계측계의 사양을 판단해 사용하는) 것이 중요하다고 할 수 있다.

 

입력 용량 1pF의 간이 액티프 프로브를 직접 제작한다

 

1. 입력 용량이 낮은 액티브 프로브를 직접 제작해 본다

 

지금까지 설명했듯이, 수십MHz가 넘는 높은 주파수에서는 패시브 프로브의 입력 용량(그림 1) 때문에 임피던스가 낮아진다(그림 2).

따라서 주파수가 높아지면 임피던스가 낮아지므로 대상에 영향을 주어 계측에 오차가 생긴다.

 

 

그래서 이러한 계측에서 사용할 수 있는‘입력 용량이 낮은 액티브 프로브’에 해당하는 회로를 실제로 직접 제작하여(사진 4) 계측해 본다.

 

2. 회로 : 고속·저입력 용량 OP 앰프를 사용한다

 

 

그림 5는 고속·저입력 용량 OP 앰프 AD8021을 사용한 20 : 1의 간이 액티브 프로브 회로이다.

입력 용량은 OP 앰프 입력 자체가 2pF 정도이며 또한 입력 트리머 콘덴서에 OP 앰프의 입력 용량 2pF과 1/2 분압 회로를 구성하도록 하여 입력 용량을 1/2로 줄인 후 전체적으로 약 1pF의 입력 용량을 실현했다(나중에 설명하겠지만 실측에서도 동일).

 

3. 프린트 패턴 : 저용량이 되도록 한다

 

사진 4는 제작한 액티브 프로브의 기판이다. OP 앰프 선정뿐만 아니라 프린트 기판으로서도 단자 사이가 저용량이 되도록 고려하여 설계해야 한다(이번에는 중공 배선으로 용량을 낮췄다).

계측점에서(프로브로서) 리드선을 길게 끌어와 이 액티브 프로브를 측정 대상에서 떨어뜨려 배치하면, 이번에는 리드선에서 발생하는 기생 인덕턴스(1mm당 1nH 정도)에 의해 원하는 성능을 얻을 수 있게 된다.

 

4. 전송 : 액티브 프로브에서 오실로스코프까지는 50Ω계로 하여 신호를 통과시킨다

 

이 액티브 프로브의 출력 임피던스(오실로스코프의 입력 임피던스)는 R₄, R₅에 의해 정확히 50Ω이다. 오실로스코프에 신호를 전송하려면 특성 임피던스가 50Ω인 케이블을 사용한다. 동시에 오실로스코프의 입력 임피던스를 50Ω으로 설정하거나 그것이 불가능한(1MΩ의 입력 설정만 가능한) 오실로스코프의 경우에는 50Ω의 피드스루 터미네이션(본지 2월호, 사진 1)을 오실로스코프 측에 접속한다.

 

실험! 제작한 액티브 프로브의 특성을 계측한다

 

바이어스 전류가 OP 앰프에 미치는 영향을 억제하기 위해, 입력 용량 R₃은 100kΩ으로 했다. 이 저항값을 너무 크게 하면 오프셋 전압이 커진다. 입력 용량은 1pF 정도이다. 실제로 이 프로브의 주파수 특성과 입력 용량을 측정해 본다.

 

1. 주파수 특성은 100MHz까지 커졌다

 

 

그림 6은 주파수 특성 측정 결과를 나타낸 것이다. －3dB 대역폭으로 하여 저역 주파수 측은 400kHz 정도, 고역 주파수 측은 100MHz 정도로 됐다(그러나 다음에 설명하듯이 풀파워 대역폭 제한이 있다).

바이어스 전류라는 이유로 입력 저항이 100kΩ으로 되어있어 저역 주파수가 정해진다. 입력이 저임피던스에서 적절하게 종단되어 있지 않기 때문에 부유 성분의 영향이라고 생각된다.

 

2. 입력 용량은 1pF 정도이며 거의 설계대로 됐다

 

입력 용량은 펄스 신호원에 10kΩ의 저항을 직렬로 접속하여 스텝 입력의 출력 응답 파형의 시정수로 하여 측정했다. 패시브 프로브를 사용하여 회로 입력으로 시정수를 직접 계측하는 것은 패시브 프로브의 입력 용량이 영향을 미치므로 불가능하다.

 

 

진폭의 63%(1－1/e)까지 파형이 변화하는 시간을 시정수 τ＝CR로 하여 측정하고 C를 계산으로 구한다. 진폭이 0.4V이므로 0.4×0.63＝0.25V가 될 때까지의 시간을 측정했더니 τ＝13.3ns가 되었다(그림 7).

저항이 10kΩ이므로 C＝1.33pF이라고 계산할 수 있다. 펄스 신호원과 OP 앰프의 상승 시간도 있으므로 입력 용량은 설계대로 거의 1pF이라고 상정할 수 있다.

또한, 입력 신호는 0.4V로 작게 하여 OP 앰프가 가급적 소신호 동작으로 되도록 고려했다(상세한 내용은‘풀파워 대역폭’으로 나중에 설명한다).

 

3. 오실로스코프는 AC 입력으로 설정한다

 

이와 같이 고속·저입력 용량 OP 앰프를 사용, 높은 주파수인 것까지 고려하여 확실하게 실장하면, 확실히 시판되고있는 고성능·저용량 액티브 프로브까지는 아니더라도 양호한 특성을 가진 간이 액티브 프로브를 만들 수 있다. 바이어스 전류에 의해 R3(100kΩ)에서 오프셋 전압이 발생하므로 오실로스코프를 AC 입력으로 하여 관측하도록 한다.

 

응용! 직접 제작한 액티프 프로브로 수정 발진 회로의 여진 전력 계측

 

1. 100μW, 100MHz의 미소 발진 신호를 계측한다

 

제작한 액티브 프로브로 계측한 예를 설명한다. 여기서는 마이컴용 10MHz 수정 발진 회로를 계측하여 수정 진동자에 가해지는 전력(여진 전력)을 구해 본다.

수정 진동자는 제품별로 여진 전력(드라이브 레벨이라고도 한다)의 최대값이 정해져 있다. 100μW∼200μW_max 정도인 것이 많은 것 같다. 공진 주파수가 높고 또한 수정이 소형일수록 값이 작다. 실제 여진 전력을 확실히 사양 범위 내에 넣어 두어야 한다.

 

2. 입력 용량이 큰 패시브 프로브는 사용할 수 없다

 

 

그림 8과 같은 수정 발진 회로에 접속되어 있는 부하 콘덴서 C_L1, C_L2는 일반적으로 수pF∼수십pF 정도이다. 한편, 패시브 프로브는 그림 1에 나타난 등가 회로와 같이 프로브 칩끝의 입력 용량이 커서 측정 대상 회로에 영향을 주게 된다. 그래서 이 저입력 용량의 간이 액티브 프로브를 활용해 보고자 한다.

보통은 전류 프로브로 수정 진동자에 흐르는 전류를 계측하고 그것으로부터 여진 전력을 구한다. 그러나 원리적으로는 다음에 설명하는 내용이나‘수정 진동자의 여진 전력 계산 방법’부분에서 알 수 있듯이, 수정 진동자의 단자 전압을 계측해도 마찬가지로 여진 전력을 구할 수 있다. 그렇지만 그림 8과 같은 수정 발진 회로는 동작 임피던스가 높아 접속되는 계측계의 용량에도 민감하다. 따라서 일반적인 패시브 프로브로는 정밀하게 계측할 수 없다

 

3. 직접 제작한 액티브 프로브의 대역 부족을 감쇠기로 해소한다

 

제작한 액티브 프로브는 출력 5V_P-P 대진폭 동작 시의 최대 주파수(풀파워 대역폭 W_FPBW)가 약 10MHz까지이다. 이것을 초과하는 신호를 입력해도‘스루레이트 제한’에 의해 확실한 출력 파형을 얻을 수 없다. 이 측정에서도 입력 진폭이 크므로 이 제한이 계측에 영향을 준다.

그림 5의 입력 부분에는 TC₁(TC₂)과 AD8021의 입력 용량 2pF에서 1/2의 분압 회로가 생겼다. 이 분압을 1/10으로 하여 스루레이트 문제를 경감시켜 본다. R₃(R₇)에 병렬로 7pF을 접속하고 TC₁(TC₂)을 1pF 정도로 조정한다. AD8021은 저용량이므로 필요한 용량을 정확하게 부가할 수 있다. 이 방법은 입력 용량이 큰 OP 앰프에서 AC 결합으로 저입력 용량을 실현할 수 있는 테크닉이기도 하다. 이 때, W_FPBW＝50MHz 정도를 얻을 수 있다(그림 6에 나타난 주파수 특성은 변화하지 않는다).

또한, 100 : 1의 프로브가 되므로 실제 계측값을 얻으려면 주의해야 한다. 이 실험에서는 확실하게 계측 전에 레벨을 체크하여 오실로스코프의 프로브 감쇠율을 100 : 1로 설정했다.

 

4. 액티브 프로브를 연결한다

 

그림 8과 같이 수정 진동자의 단자에 접속하여 오실로스코프로 관측해 본다. 수정 진동자 한쪽에 액티브 프로브를 접속해 보면, 발진 주파수는 입력 측에서 8ppm(패시브 프로브에서는 20.3ppm) 변화하는 정도이다. 또한, 파형 변동도 수% 정도이다(패시브 프로브에서는 20% 정도).

 

5. 수정진동자의 단자 전압에서 여진 전력을 계산한다

 

 

오실로스코프는 연산(MATH) 모드로 하여 CH1과 CH2를 뺄셈한 크기, 즉 수정 진동자에 가해지는 전압을 그림 9와 같이 표시하고 실효값 V_X를 구한다.

V_X는 피크값을 계측하고 그것을 1 / 로 하여 실효값으로 환산한다(오차는 약간 생긴다). 오실로스코프에 RMS 전압(실효값)을 측정할 수 있는 기능이 있다면(그림 9와 같이) 반드시 이것을 활용해 보기 바란다.

여진 전력 P_D는 다음과 같이 같이 계산할 수 있다(식의 근거는‘수정 진동자의 여진 전력 계산 방법’부분 참조).

 

 

단, C₀는 수정 진동자의 단자간 병렬 용량, R₁은 수정 진동자의 직렬 저항이다(단, 사양서에서는 표준값이 아니라 최대값을 표기하는 경우가 많다).

이 실험 결과에서‘수정 진동자의 여진 전력 계산 방법’의 상수 예를 이용하면 250μW로 계산할 수 있어 여진 전력이 약간 크다는 것을 알 수 있다.

 

6. 실제 직렬 저항 R1을 계측할 수 있다면 가장 좋다

 

 

R₁은 일반적으로 규격 범위 상한(최대값)으로 표시하는 경우가 많아 본래의 직렬 저항 값이 아닐 가능성이 있다. 그래서 이 액티브 프로브를 사용하면 그림 10과 같이 직렬 저항 R₁을 계측할 수 있다. 이 그림의 전압 측정 결과 V_XR에서 R₁을 구할 수 있다.

 

 

V_XR을 구하려면 발진기의 주파수를 변화시켜 전압이 최소가 된 주파수에서 V_XR을 측정해야 한다.

이 주파수는 본래의 발진 주파수보다 수k∼수십kHz 정도 낮을 뿐만 아니라 전압값은 주파수에 대해 매우 예리하게 변화한다.

 

☆

 

프로브나 측정기의 입력 용량은 설령 수pF의 작은 입력 용량이라고 하더라도 의외로 낮은 주파수에서 영향을 주는 경우가 있다는 것을 이해했을 것이다.

또한 프로빙이 실제로 얼마나 어려운지, 그리고 반복되는 얘기지만‘적절하게 모델화하여 생각하는’것이 얼마나 중요한지 이해했을 것이다.

 

수정 진동자의 여진 전력 계산 방법

 

 

수정 진동자는 C_L1, CL₂와 합쳐져 공진 상태로 되어 있다. 그림 A와 같이 공진 상태에서 등가 회로는 다음과 같이 생각할 수 있다.

① 용량 성분이 되는 부품 : C₀＋(C_L1//C_L2). 이것을 리액턴스 X_C로한다

② 유도 성분이 되는 부품 : L₁과 C₁의 합성(공진주파수에서 는 X_L1 ＞ X_C1이 된다). 이것을 X_L로한다

또한, 공진주파수에서는 이러한 리액턴스가 다음과 같다.

X_L＝－X_C

그림 A는 10MHz일 때의 수치 예를 나타낸 것이다. X_C, X_L ≫ R₁이라는 것을 알 수 있다. 즉, 단순히 수정 진동자에 가해지는 전압을 X_L, R₁으로 분압한 것(X_L ≫ R₁으로 계산을 간략화)이 R₁에 가해지는 전압으로 계산할 수 있다. 이로써 식 (2)와 같이 나타낼 수 있는 것이다.

 

 

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/search/search_magazine_read.html?code=103&sub=002&idx=11073