패시브 프로브란?
패시브 프로브는 측정 포인트의 신호와 오실로스코프의 입력 단자 사이를 전기적으로 연결하기 위한 것입니다.
오실로스코프에 의한 파형 관측의 경우, 측정 대상의 신호를 측정 포인트에서 오실로스코프까지 신호를 전송하기 위한 기기라고 할 수 있습니다.
오실로스코프의 프로브에는 신호 증폭 회로가 내장된 액티브 프로브와 수동 부품으로만 구성된 패시브 프로브가 있는데, 본고에서는 패시브 프로브에 대해서만 설명합니다.
패시브 프로브의 사용 용도
패시브 프로브는 오실로스코프로 신호 파형을 관찰할 때, 측정 포인트의 신호를 검출하기 위해 사용합니다.
측정한 포인트의 전압을 오실로스코프에 전달합니다. 전류 파형을 직접 관찰하려면 전류 프로브를 사용해야 합니다.
패시브 프로브의 원리
프로브를 사용한다고 해서 오실로스코프에서 정확한 파형을 관찰할 수 있는 것은 아니다. 정확한 측정을 위해서는 프로브의 취급에 충분한 주의가 필요합니다.
1. 프로브가 피측정 회로에 미치는 영향
오실로스코프와 패시브 프로브를 조합하여 파형을 관찰하는 경우, “피측정 회로에는 오실로스코프의 입력 임피던스와 프로브의 임피던스의 합성 임피던스가 연결되었다”고 볼 수 있습니다. 즉, 프로브는 내장 저항 Rp와 병렬로 조정용 커패시터 Cp를 가지고 있으며, 프로브의 케이블 부분에는 부동 커패시턴스 Cs가 있습니다.
오실로스코프의 입력 단자는 입력 저항 Ri (1MΩ)과 입력 커패시턴스 Ci의 병렬 회로로 구성되어 있기 때문에 이 합성 임피던스를 고려하는 것이 중요합니다.
2. Cp 조정 방법
주파수에 의존하지 않고 프로브에서 일정한 감쇠율을 얻으려면 아래 식을 만족하도록 Cp를 조정해야 합니다.
Cp = (Cs + Ci) × Ri / Rp
조정용 커패시터 Cp는 반고정형이므로 오실로스코프 본체와 조합하여 최적의 값으로 설정합니다. 오실로스코프에는 조정용 커패시터의 최적값을 설정하기 위해 구형파 출력 단자가 마련되어 있습니다.
여기에 프로브의 끝을 연결하여 오실로스코프의 표시부에 구형파가 표시되도록 Cp의 값을 변화시킵니다.
패시브 프로브의 기타 정보
1. 패시브 프로브 사용법
패시브 프로브는 오실로스코프를 이용한 측정에 이용되는 것으로, 내장 저항기 Rp에 의한 감쇠율 1:1, 1:10, 1:100의 세 가지 종류 중에서 측정 대상 회로의 특성을 고려하여 선택합니다.
1:1 프로브
내장 저항 Rp와 조정용 커패시터 Cp가 없는 프로브입니다. 신호가 오실로스코프의 입력 단자에 직접 인가되므로 오실로스코프의 입력 임피던스인 1MΩ과 입력 커패시턴스 Ci가 피측정 회로에 연결됩니다.
측정 대상 회로의 임피던스가 높으면 측정 회로에 영향을 미치므로 주의해야 합니다. 반면, 작은 신호를 다룰 때는 오실로스코프의 입력 감도를 그대로 활용할 수 있기 때문에 Rp를 통과하는 다른 타입보다 신호 레벨 측면에서 유리합니다.
10:1 프로브
일반적으로 많이 사용되는 일반적인 프로브이며, 내장 저항 Rp는 9MΩ입니다. 입력 임피던스는 오실로스코프와 결합하여 10MΩ으로, 측정 대상 회로에 미치는 영향이 적고 사용하기 쉬운 제품입니다.
100:1 프로브
내장 저항 Rp99MΩ과 조정용 커패시터 Cp를 가지고 있으며, 감쇠율이 1/100이 되기 때문에 주로 신호 전압이 100V를 초과하는 경우에 이용됩니다. 또한, 입력 임피던스가 100MΩ으로 매우 높기 때문에 측정 대상 회로에 미치는 영향이 특히 적은 것이 특징입니다.
접지 리드선 연결 포인트
패시브 프로브를 사용할 때 특히 주의해야 할 점은 접지 리드의 연결과 그 처리 방법입니다. 다채널 오실로스코프에서 여러 포인트를 동시에 관찰하는 경우, 각 채널의 프로브의 접지 리드는 공통의 한 곳(한 점 접지가 바람직)에 연결하는 것이 기본입니다.
서로 다른 접지 라인에 연결하면 접지 루프가 발생하여 미세한 신호를 측정할 때 악영향을 끼칠 수 있습니다.
접지 리드선 길이
접지 리드가 길면 길수록 측정 지점에 연결되는 면에서는 유리하지만, 고주파 신호를 관찰할 때 링잉이나 신호 진폭의 큰 변동과 같은 결함 현상이 발생합니다. 이는 접지 리드의 유도성 인덕턴스 성분과 프로브의 입력 단자 커패시턴스가 공진하여 그 공진 주파수 부근에서 진폭이 극도로 커지기 때문입니다.
따라서 주파수가 10MHz 이상의 고주파 신호를 관찰하는 경우, 접지 리드 대신 접지 스프링 등을 사용하는 것도 고려해야 합니다.
2. 프로브의 주파수 특성
파형 관측용 측정기는 오실로스코프 본체와 프로브로 구성되며, 양자를 조합한 측정계의 주파수 대역 및 상승 시간에 따라 주요 측정 성능이 결정됩니다. 따라서 오실로스코프 본체와 조합되는 프로브마다 주파수 대역과 상승 시간이 스펙으로 공개되어 있습니다.
3. 케이블의 부양 용량
프로브의 주파수 특성에 큰 영향을 미치는 요인은 케이블의 부양 용량입니다. 주파수가 높아질수록 부유 용량에 의한 용량성 리액턴스는 작아지고, 그만큼 피측정 회로의 부하가 커집니다.
그 결과, 프로브 자체의 주파수 대역폭이 좁아지고, 상승 시간이 느려지는 등 부정적인 영향을 미칩니다. 프로브의 부유 커패시턴스는 케이블의 길이에 따라 달라지는데, 길수록 부유 커패시턴스가 커지는 경향이 있으므로 프로브의 길이는 가급적 짧은 것이 주파수 특성 상 유리합니다.