수동 오실로스코프 프로브에 여러 접지 연결 옵션이 포함된 이유는?

대부분의 오실로스코프에는 범용 응용 제품을 위한 수동 프로브 세트가 함께 제공됩니다. 이러한 프로브에는 일반적으로 다양한 연결 옵션이 있는 부속품 키트가 포함되어 있습니다(그림 1).

그림 1: 수동 고임피던스 오실로스코프 프로브를 위한 일반적인 부속품 키트는 여러 연결 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Teledyne LeCroy)

이 그림은 부속품이 완비된 Teledyne LeCroy 모델 PP008-1 고임피던스 수동 프로브를 보여줍니다. 대부분의 제조업체들은 유사한 연결 장치를 포함시킵니다. 프로브를 접지에 연결하는 데 왜 그렇게 많은 장치가 필요한지 궁금해 할 수 있습니다. 그 이유는 접지 연결이 고주파수 측정에 큰 영향을 미치기 때문에 프로브와 함께 제공되는 장치가 가능한 최고의 접지 연결을 보장하는 데 도움이 되기 때문입니다.

일반적인 500메가헤르츠(MHz) X10 프로브의 회로 모델에는 저항 소자, 정전 용량 소자, 유도 용량 소자가 포함되어 있습니다(그림 2).

그림 2: 500MHz X10 수동 프로브의 회로 모델에는 저항 소자 및 정전 용량 소자와 함께 접지 리드 유도 용량 소자가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Art Pini)

측정 지점에서 프로브는 9.5피코패럿(pF) 커패시터와 병렬로 연결된 10메가옴(MΩ) 저항기처럼 보입니다. 접지측에는 접지와 연결되는 직렬 유도 용량이 포함됩니다. 통상 4.5인치(in)(11.4센티미터(cm)) 접지 리드의 경우, 유도 용량은 약 200피코헨리(pH)입니다.

약 20MHz 미만의 주파수에서는 접지 리드 유도 용량이 큰 영향을 미치지 않습니다. 10MΩ 저항은 기본적으로 무시할 수 있으며 인덕터(L)와 커패시터(C)는 115MHz에서 공진하는 직렬 LC 회로를 형성합니다. 유도 용량의 효과는 프로브 응답에서 피크를 유발하여 모든 신호의 고주파수 성분이 증폭되도록 하는 것입니다. 이상적으로는 접지 리드가 20MHz 이상의 주파수 성분을 갖는 신호에 사용되어서는 안 됩니다.

그렇다면 전체 대역폭을 사용하려면 프로브를 어떻게 연결해야 할까요? 그 방법은 리드 유도 용량을 최소화하는 연결 방법을 사용하는 것입니다. 그림 1의 상단에 있는 접지 스프링이 좋은 해결책입니다. 프로브 팁은 측정 지점에 연결되고 접지 스프링은 가장 가까운 회로 접지 지점에 연결됩니다. 코일 부분이 프로브의 접지 링에 의해 완전히 단락되도록 스프링을 삽입했는지 확인하십시오.

접지 블레이드를 사용하면 유도 용량을 약간 낮출 수 있습니다. 블레이드의 평평한 금속은 접지 스프링의 원통형 전선 단면보다 적은 유도 용량을 제공합니다 회로 접지에 부착된 호일 접지면을 사용하면 접지 블레이드를 양호한 접지에 쉽게 연결할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 접지 블레이드는 IC의 접지 핀에 납땜된 구리 호일 접지면에 연결됩니다. (이미지 출처: Teledyne LeCroy)

이 예에서 Teledyne LeCroy PP007-WR-1 수동 프로브는 접지 블레이드를 사용하여 IC의 접지 핀에 납땜된 구리 접지면에 프로브를 접지합니다. IC 프로브 덮개는 프로브 팁을 IC 테스트 지점 핀으로 유도하고 절연 연장부는 IC 핀 사이에 끼워져 안정성을 제공합니다.

당연히 다음 질문은 이러한 접지 연결 각각이 측정에서 어떠한 차이를 만드는가입니다. 몇 가지를 비교해 보겠습니다. 그림 4는 750피코초(ps)의 전환 시간(약 466MHz의 신호 대역폭)을 가지는 펄스의 4가지 중첩 측정을 보여줍니다. 각 측정은 서로 다른 접지 기술을 사용합니다.

그림 4: 측정된 응답과 서브 나노초 전이 시간을 갖는 좁은 펄스 비교. 빨간색 트레이스는 동축 연결을 사용하여 획득되었으며 여기에서 레퍼런스 신호입니다. (이미지 출처: Art Pini)

빨간색 트레이스는 동축 연결을 사용하여 획득한 신호이며 레퍼런스 표준으로 사용됩니다. 파란색 트레이스는 4.5in(11.4cm) 접지 리드를 사용하여 획득되었습니다. 리드의 높은 직렬 유도 용량은 큰 오버슈트를 일으킵니다. 녹색 트레이스는 접지 스프링을 사용하는 응답입니다. 이 응답은 확실히 접지 리드의 응답보다 우수합니다. 노란색 트레이스는 접지 블레이드의 응답이며 접지 스프링보다 약간 더 우수합니다.

결론

20MHz 이상의 주파수 성분이 있는 신호를 측정하기 위해 고임피던스 수동 프로브를 사용하는 경우 가능한 가장 짧은 접지 리드를 사용해야 합니다. 이것이 바로 프로브 부속품 키트에 여러 옵션이 포함된 이유입니다.