오실로스코프 프로브 선택 가이드 - 디퍼런셜 프로브와 CMRR

오실로스코프 프로브 선택 가이드 - 디퍼런셜 프로브와 CMRR

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오실로스코프는 전기전자 엔지니어의 측정에 있어서 가장 범용적으로 사용되는 계측 장비 중 하나입니다. 오실로스코프를 이용하여 다양한 신호를 정확하게 측정하기 위해서는 올바른 프로브 선택이 필수적입니다. 특히, 디퍼런셜 프로브 (Differential Probe)는 고속 디지털 통신에서 흔히 사용되는 디퍼런셜 신호 또는 차동 신호를 측정하는데 유용합니다. 이번 포스트에서는 디퍼런셜 프로브의 성능 지표로서 고려할 수 있는 CMRR (Common Mode Rejection Ratio)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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CMRR (Common Mode Rejection Ratio)

디퍼런셜 프로브의 CMRR은 공통 모드 (Common Mode) 신호를 얼마나 잘 억제할 수 있는지를 나타내는 지표입니다. 디퍼런셜 프로브는 싱글 엔드 프로브와 달리, 두 측정 지점 사이의 전압 차이를 측정합니다. 이 때, 두 측정 지점에서 공통적으로 나타나는 전압이 공통 모드 신호에 해당하며, 해당 공통 모드 신호는 디퍼런셜 프로브의 측정 결과에 영향을 줄 수 있습니다.

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CMRR은 다음과 같은 식으로 계산됩니다.

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디퍼런셜 프로브가 A의 이득을 가진 Amplifier로 동작한다고 가정했을 때, ADM는 디퍼런셜 모드 신호를 증폭하는 디퍼런셜 모드 이득 (Differential Mode Gain), ACM는 공통 모드 신호를 증폭하는 공통 모드 이득 (Common Mode Gain)을 의미합니다. 이상적인 디퍼런셜 프로브는 디퍼런셜 모드 신호만 증폭하기 때문에, ADM = 1, ACM = 0 으로 표현될 수 있습니다. 하지만 현실의 디퍼런셜 프로브는 그렇지 않으므로, 공통 모드 이득(ACM) 대비 디퍼런셜 모드 이득(ADM)을 의미하는 CMRR을 성능 지표로서 사용하게 되었습니다.

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CMRR이 중요한 이유

디퍼런셜 프로브의 CMRR 성능은 DC-DC 컨버터와 같은 전력변환 시스템 측정에 중요할 수 있습니다. 예를 들어, Full-Bridge 또는 Half-Bridge 시스템에서 Hide-Side Transistor을 측정할 때, Gate와 Source 간의 상대 전압(VGS)은 수 V에 불과하지만, 두 지점의 공통 전압은 수백 V에 해당할 수 있습니다. 이 때, 해당 공통 전압을 억제하기 위한 CMRR 성능이 충분하지 않으면, 상대적으로 전압이 작은 디퍼런셜 측정에 있어 충분히 억제되지 않은 공통 전압이 간섭으로 작용하여 부정확한 측정을 야기할 수 있습니다.

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High-Side Transistor Measurement

 

 

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​위 그림을 예로 들면, High-Side Transistor가 Turn On되는 VGS는 5 V이지만 Source 노드는 600 V의 상대적으로 훨씬 높은 전압을 가지고 있습니다. 이 때, 60 dB (1000:1)의 CMRR을 가진 디퍼런셜 프로브는 5 V의 디퍼런셜 모드 전압과 0.6 V의 공통 모드 전압을 측정하게 됩니다. 만약, CMRR이 80 dB (10000:1)으로 증가하면, 디퍼런셜 프로브가 측정하는 공통 모드 전압이 0.6 V에서 0.06 V로 줄어들어, 보다 정확한 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

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주파수 별 CMRR

디퍼런셜 프로브의 CMRR 성능에 있어 반드시 고려해야 하는 부분 중 하나는 CMRR 성능이 주파수에 따라 달라진다는 것입니다. 일반적으로 주파수가 높아지면 높아질수록 디퍼런셜 프로브의 CMRR 성능은 낮아지는 경향을 보이며, 그렇기 때문에 측정하고자 하는 신호의 주파수 또는 상승 시간에 따라 CMRR의 주파수 응답 곡선을 함께 확인해야 합니다.

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예를 들어, GaN (갈륨 나이트라이드)와 같이 스위칭 속도가 매우 빠른 WBG (와이드밴드갭) 반도체를 측정하는 경우, 일반적인 고전압 디퍼런셜 프로브보다 더 넓은 대역폭을 지원하는 디퍼런셜 프로브가 필요할 수 있습니다. 또한, 해당 프로브는 DC를 포함한 낮은 주파수 뿐만 아니라 높은 주파수에서도 우수한 CMRR 성능을 가져야 합니다. 이를 위해 로데슈바르즈의 R&S®RT-ZISO와 같은 광학 절연 프로브가 대표적으로 사용될 수 있습니다. 일반적인 고전압 디퍼런셜 프로브가 100 MHz 주파수에서 30 dB 이하의 CMRR을 가지는 반면, 로데슈바르즈의 광학 절연 프로브는 동일 주파수에서 110 dB 이상, 1 GHz에서도 90 dB의 CMRR 성능을 제공하여, 스위칭 속도가 매우 빠른 경우에도 정확한 측정이 가능합니다.

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Isolated probing system for oscilloscope

 

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앞서 설명드린 것과 같이, 디퍼런셜 프로브의 CMRR은 정확한 신호 측정에 있어 매우 중요한 요소입니다. 높은 CMRR 성능을 가진 디퍼런셜 프로브는 공통 모드 신호를 효과적으로 억제하여 보다 정확한 측정 결과를 제공할 수 있습니다. 이 포스트가 디퍼런셜 프로브가 가진 CMRR의 중요성을 이해하고, 이를 고려한 프로브 모델 선택에 도움이 되셨기를 바라겠습니다.

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작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

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출처 - https://blog.naver.com/rohdeschwarzkorea/223492085207

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