로이엔텍 - 오실로스코프를 이용한 파워레일 측정 / 로데슈바르즈

파워레일 측정의 중요성

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모든 전자 제품들은 전원으로 동작하고 있습니다. 전자 제품들에 사용되는 각종 ADC/DAC, FPGA, 메모리와 같은 부품들의 전압 레벨이 지속적으로 작아지고 있으며 전압 레벨에 대한 허용 임계값 또한 지속적으로 감소하고 있습니다. 파워레일은 전자 장치에서 전원을 공급하는 주요 경로로, 안정적인 파워레일은 전체 시스템의 안정성과 성능에 영향을 주게 됩니다. 이번 블로그에서는 파워 레일의 전압을 측정하는 다양한 프로빙 방법에 대해 알아보겠습니다.

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예를 들어, 1% 허용 오차를 가지고 있는 10 V의 DC 전압이 있다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 100 mVpp 를 오실로스코프로 측정하기는 어렵지 않습니다. 그러나, 1%의 허용 오차를 가지는 1 V 파워 레일을 사용하고 있다면 10 mVpp 를 오실로스코프로 측정하는 것이 쉽지 않습니다.

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일반적인 전자 부품은 파워 서플라이의 DC 신호를 통해 동작하고 있습니다. 아래 그림과 같이 DC/DC 컨버터를 통해 3.3 V로 변환된 Vcc를 이용하여 클럭 신호를 생성되는 제품의 경우, 만약 Vcc 에 노이즈가 포함된다면 발생된 클럭이 떨리게 되고, 지터가 발생됩니다. 지터가 발생된다는 것은 데이터의 편차가 커진다는 것을 의미하며 DUT 데이터의 오류가 발생될 수 있습니다. 따라서, DC 출력 신호에 대한 Ripple, noise, transient 신호에 대한 정확한 측정을 필요로 하게 됩니다.

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파워레일 측정을 위한 오실로스코프 프로브의 종류와 특징

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오실로스코프를 이용한 다양한 파워 레일 측정 방법에 대해 알아보겠습니다.

[오실로스코프를 이용한 다양한 파워 레일 측정 방법]

 

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1) 10:1 패시브 프로브

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10:1 패시브 프로브는 일반적으로 오실로스코프 구매시 함께 제공되며 가장 광범위하게 사용되고 있습니다. 10:1 패시브 프로브는 10:1 감쇠율로 동작하기 때문에 오실로스코프 최소 수직축 스케일의 10 배인 10 mV/div 로 설정이 가능합니다. 일반적으로 10:1 프로브의 3 dB 주파수 대역폭은 500 MHz, 700 MHz 를 지원합니다.

아래와 같이 3.2 V 의 전압을 사용하는 DUT를 10:1 패시브 프로브로 컨택하여 측정한 경우 최소 수직축 스케일(10mV/div)로 측정했을 때, 3.224 Vrms, 33.59 mVpp 의 전압이 측정되었습니다.

[10:1 패시브 프로브로 측정한 결과 : 3.224 Vrms, 33.59 mVpp]

 

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프로브를 컨택하는 상태에 따라 신호가 변할 수 있습니다. 이런 경우에 아래 이미지와 같이 패시브 프로브 끝에 BNC 어뎁터를 연결하게 되면 보다 개선된 17.39 mVpp 로 개선된 측정 결과를 얻을 수 있습니다.

[10:1 패시브 프로브로 측정한 개선된 결과 : 17.39 mVpp]

 

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2) 1:1 패시브 프로브

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1:1 패시브 프로브는 1:1 감쇠율을 적용함에 따라 오실로스코프의 최소 수직축 설정이 가능합니다. 그러나, 일반적인 1:1 패시브 프로브는 측정 가능한 주파수 대역폭이 낮고, 설정 가능한 오프셋 전압이 높지 않아 AC 커플링으로 측정하게 됩니다. AC 커플링으로 측정하는 경우 DC Drift 신호를 측정할 수 없게 됩니다.

1:1 프로브로 측정했을 때, 1 mV/div 의 수직축 설정이 가능합니다. 3.2 V DC 전압 측정시, 사용하는 오실로스코프에 따라 다르겠지만 10 mV/div 이하의 수직 스케일에서 3V Offset 전압을 지원하지 못하는 경우도 있습니다. 보다 정확한 DC 신호의 변화를 확인하기 위해서는 DC 오프셋 신호를 제거한 AC 커플링으로 측정하는 방법을 고려해볼 수 있습니다. 1 mV/div 으로 측정했을 때, 6.36 mVpp 의 전압이 측정되기는 하였지만 정확한 DC 값을 확인할 수 없습니다. 로데슈바르즈의 ‘RT-ZP1X’ 1:1 패시브 프로브는 38 MHz 대역폭을 지원합니다.

[1:1 패시브 프로브, AC 커플링으로 측정한 결과 : 6.36 mVpp 로 측정하였으나 정확한 DC 오프셋 측정이 안됨]

 

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3) 50 Ω Cable : AC 커플링​

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다음으로 50 Ω 케이블로 측정하는 경우에 대해 알아보겠습니다. 케이블로 측정하는 경우, 1:1 감쇠율을 적용하여 측정할 수 있고 SMA 커넥터 또는 Pigtail 에 납땜하여 안정적인 프로빙이 가능합니다. 그러나, 파워 레일 주변의 임피던스가 매우 낮지 않다면 1 MΩ과 같은 높은 임피던스의 프로브를 연결하는 경우보다 실제 측정 전압이 낮게 나타날 수 있습니다. 아래의 경우 50 Ω 케이블로 연결하여 측정했을 때, 실제 3.2 V 보다 낮은 2.87 V로 다른 측정 결과를 보여주었습니다.

[50 Ω 케이블, 오프셋 제한으로 인해 200 mV/div 으로 측정한 결과 : 2.873 Vrms, 79.05 mVpp 측정]

 

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DC 커플링 사용시 Offset 범위 제한으로 인해 AC 커플링 또는 DC Block Capacitor를 사용하게 된다면 DC Drift 신호 등이 제거되어 정확한 신호 분석이 불가능합니다.

[DC Blocking Capacitor / AC 커플링 사용시 DC Drift 신호 제거]

 

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아래와 같이 DC Block Cap. 을 사용하게 되면 Vpp 는 7.5 mV 로 낮게 측정되었지만 실제 DC 신호의 변화를 확인할 수 없어, 정확한 신호 분석이 어렵습니다.

[50 Ω 케이블 & DC Block Cap 사용하여 측정한 결과 : 7.5 mVpp 측정]

 

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이상과 같이 일반적으로 많이 사용되는 패시브 프로브와 케이블을 이용한 DC 측정 방법에 대해 알아보았습니다.

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다음 블로그에서는 보다 정확한 측정을 위한 파워 레일 프로브에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

작성자 : 로데슈바르즈코리아 기술지원팀

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