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차동 프로브

차동 프로브란?

차동 프로브는 오실로스코프 등으로 신호를 측정할 때 공통 노이즈(Common Noise)라고 불리는 접지 진동 등 신호를 발신하는 기기와 무관한 곳에서 발생하는 노이즈를 감지하고, 앰프를 통해 측정 신호를 증폭시켜 측정하기 쉽도록 하기 위한 장치입니다.

USB나 HDMI 등의 통신에서 출력 측에서 정확하게 신호를 감지하기 위해 필요합니다. 차동 프로브는 사용법을 잘못 사용하면 파손되거나 정확한 출력을 얻지 못할 수 있으므로 사용시 주의가 필요합니다.

오실로스코프를 판매하는 회사에서 차동 프로브가 출시되어 있는 경우가 많고, 연결성이 우수하므로 오실로스코프와 같은 회사의 차동 프로브를 구입하는 것이 좋습니다.

차동 프로브의 사용 용도

차동 프로브는 많은 통신 장비의 시제품 제조 단계나 제품 테스트 단계에서 사용되며, USB 연결이나 HDMI 연결, DisplayPort 연결, Ethernet, SATA 등의 통신에서 오실로스코프 등으로 노이즈를 감지하여 그 노이즈가 제품에 영향을 미치는지 있는지, 노이즈에 영향을 미치는 곳은 어디인지 검사하기 위해 사용됩니다.

차동 프로브는 고가의 제품이 많기 때문에 구매 전에 사용하고자 하는 규격에 맞는지 등을 제대로 알아보고 구입하는 것이 중요합니다.

차동 프로브의 원리

차동 프로브는 성질이 완전히 동일한 두 개의 액티브 프로브를 하나로 묶은 구조로, 한쪽 액티브 프로브를 측정 대상 신호를 발신하는 기기의 연결부 플러스 단자에 연결하고, 다른 한쪽은 마이너스 단자에 연결합니다. 이 두 개의 프로브에서 검출되는 신호의 차이를 측정함으로써 커먼노이즈를 검출할 수 있습니다.

차동 프로브에는 오실로스코프에서 파형을 쉽게 측정할 수 있도록 고안된 제품들이 많이 출시되어 있습니다. 저전압의 신호를 오실로스코프에서 측정하기 쉽도록 앰프로 증폭하거나, 고전압의 신호를 주어 오실로스코프에 부하가 걸리지 않도록 일부 전압을 접지로 빼내거나, 신호를 뚜렷한 구형파로 만들어주는 등 다양합니다.

차동 프로브를 사용하는 신호에 따라 적절히 선택하면 명확한 노이즈를 측정할 수 있습니다.

차동 프로브의 기타 정보

1. 차동 프로브의 등가 회로

차동 프로브는 액티브 프로브 2개를 조합한 구성으로, 프로브 끝에서 반도체 회로의 입력단에 직접 연결되기 때문에 입력 커패시턴스가 1pF 정도로 매우 작은 것도 있습니다. 반면, 입력 저항은 감쇠기를 거치는 패시브 프로브와 달리 수십 KΩ~1MΩ 정도입니다.

따라서 고임피던스 회로에 차동 프로브를 연결하여 파형을 측정하는 경우, 프로브의 영향을 고려하여 측정 결과를 고려해야 합니다. 이때 차동 프로브의 등가 회로를 피측정 회로에 연결하여 영향을 시뮬레이션하는 것이 효과적인 방법입니다.

차동 프로브의 경우, 한쪽 핀과 GND 사이에는 제조사가 공시한 입력 저항과 입력 커패시턴스가 병렬로 연결된 것이 됩니다. 다른 쪽 핀과 GND 사이도 마찬가지로 입력 저항과 입력 커패시턴스가 병렬로 연결된 것이 됩니다. 따라서 차동 프로브의 두 핀 사이에서는 입력 저항은 2배, 입력 커패시턴스는 절반이 됩니다. 이 임피던스가 측정 대상 회로에 미치는 영향을 고려하여 측정 결과를 판단하십시오.

2. 액티브 프로브

프로브는 안정적인 신호를 측정하는 데 사용됩니다. 프로브가 없으면 케이블의 정전 용량 성분의 영향으로 회로 동작이 변경됩니다. 특히 고주파수 측정에 큰 영향을 미칩니다.

액티브 프로브는 팁의 입력부에 반도체 소자를 사용하는 것이다. 액티브 프로브 자체의 입력 커패시턴스도 매우 작은 입력 커패시턴스를 실현하고 있으며, 1pF보다 작은 입력 커패시턴스를 가진 제품도 있습니다.

프로브의 입력 커패시턴스도 파형에 영향을 미친다. 패시브 프로브는 액티브 프로브보다 커패시턴스 성분이 커서 펄스 상승부에서 파형의 진동인 링잉이 크게 발생합니다.

3. 고전압 차동 프로브

차동 프로브는 플로팅 상태의 신호분을 관찰하는 데 적합하지만, 일반적인 프로브는 차동 전압, 대지 전압 모두 30V~100V 정도의 내전압밖에 없습니다. 상용전원 등 높은 전압을 다루는 회로에서 플로팅 상태의 포인트를 측정하기 위해서는 대형의 고전압 프로브가 필요합니다. 차동 전압 6,000V 이상, 대지 전압 2,000V 이상 사양의 제품이 시판되고 있습니다.

고전압 차동 프로브를 사용한 측정에서는 방전될 우려가 있으므로 두 핀 사이의 거리를 충분히 띄워야 합니다. 그 결과, 리드선의 임피던스에 의해 고주파 영역에서 링잉이 발생하여 진폭이 크게 변동하게 됩니다. 이를 방지하기 위해 두 개의 리드를 비틀어 사용하는 방법이 효과적입니다.

4. 공통 모드 노이즈

전기 회로 내의 노이즈는 크게 차동 모드 노이즈와 공통 모드 노이즈로 나뉩니다. 차동 모드 노이즈는 회로 내 도선을 통해 전도되는 노이즈입니다.

반면, 공통 모드 노이즈는 신호가 일부 대지나 케이스를 통해 되돌아오는 노이즈로, 입력 신호와 되돌아오는 신호가 동위상인 노이즈입니다. 커먼모드 노이즈는 노이즈가 전달되는 방식이 복잡하기 때문에 대책이 어려운 것으로 알려져 있습니다.

스위칭 전원 공급 장치의 작동 테스트에서 고전압 차동 프로브는 매우 효과적인 수단으로 사용됩니다. 스위칭 레귤레이터에서는 접지 전압이 수백 V까지 변동하는 공통 모드 노이즈가 발생합니다.

차동 프로브를 사용하면 접지 전압의 변동을 취소하고 관찰할 수 있지만, 실제로는 차동 출력에 접지 전압의 변동분이 약간 올라가는 것을 피할 수 없습니다. 이 변동의 영향을 줄이기 위해서는 CMRR(Common-Mode Rejection Ratio)이 우수한 프로브를 선택해야 합니다.

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