理想的なシナリオの場合、プローブは被試験デバイス（DUT）の信号を元の形のまま、正確に送信します。差動プローブは、アースを基準に各ソケットで同一の信号成分を相殺することにより、コモンモード（CM）の歪みを解消するように設計されています。しかし実際には、不十分なCMノイズ除去比、周波数応答の劣化、信号歪みといった問題がシグナルインテグリティーを損なう場合があります。信号再現性が不可欠な高速パワーアプリケーションでは特にその傾向があります。
課題
ワイドバンドギャップ（WBG）デバイスなど、高速スイッチングのパワー半導体に対して作業を行う場合、高速かつ高電圧（HV）のスイングがよく起こります。窒化ガリウム（GaN）で作成されたデバイスなどの立ち上がり／立ち下り時間は2 ns未満のため、最大1 GHzの広帯域幅プロービングソリューションが必要です。こうしたパワーアプリケーションでシグナルインテグリティーを最適化するには、プローブのセットアップ性能と周波数応答によって、歪みと信号劣化を最小限に抑える必要があります。
HV差動プローブは一般に、ハーフブリッジコンバーターのハイ側のゲート-ソース電圧で、グランド基準なしで信号を測定するために使用します。ここで注意が必要なのは、これらのプローブのコモンモード除去比（CMRR）が、高速の環境CMノイズを特に高周波で抑制するのに役立つという点です。
従来のHV差動プローブの限界
標準的な差動プローブは帯域幅全体でアースから完全に絶縁されている、というのはよくある誤解です。実際には、こうしたプローブの差動増幅器はグランド基準であるため、測定器とともに使用するとCM信号の戻り経路が形成され、CMRR性能が本質的に制限されます。4 mmのバナナプラグケーブルにはパワー測定に必要なHV定格がありますが、特に高周波では制御インピーダンスと適切なシールディングが欠けています。そのため、従来のHV差動プローブは、一般に帯域幅が最大で400 MHzですが、CMノイズ抑制は約－20 dBに制限されます。測定では、CM信号10 Vごとに、1 Vがノイズとして表示されます。
CMグランドループの切断
高電圧、高速スイッチングのWBGパワーデバイスを効率的に測定するには、CM戻り経路の生成を抑え、ノイズを軽減するために、DUTと測定デバイスとの間の完全なガルバニック絶縁が不可欠です。一般的な絶縁方法の1つが、チャネル間絶縁機能を備えたオシロスコープで使用されている誘導結合または光結合です。
ただし、シールドされていない長いケーブルでは、信号経路でノイズが発生する場合があります。そのため、DUTの測定ポイントからプローブまでの距離を最短にする必要があります。従来のプローブチップを同軸チップに交換することで、適切なインピーダンスマッチングを維持し、測定確度を改善することができます。
ローデ・シュワルツのソリューション
R&S®RT-ZISO 絶縁プロービング・システム：
R&S®RT-ZISO 絶縁プロービング・システムは、この測定方法を念頭に設計されています。プローブヘッドは短い同軸プローブチップ（MMCX）経由でDUTに接続するため、測定信号をCMノイズから守り、安定した整合インピーダンスを維持できます。そのため、プローブは最大1 GHzの高周波でも動作します。プローブヘッドは測定信号を光信号に変換し、レシーバーボックスに送信します。これにより、CMグランドループは切断され、測定中の妨害要因は減少します。
ハイ側のWBGゲート－ソース間入力を特性評価するとき、スイッチノード（C3）は高速で切り替わるCM電圧を測定ポイントに適用します。従来のHV差動プローブを使用する場合、ハイ側ゲートの電圧（下のスクリーンショットの左側のC4）はCMノイズの影響を強く受けます。
R&S®RT-ZISOは、エッジがわずかに急俊でノイズの少ない同じゲート電圧（下のスクリーンショットの右側のC2）を捕捉します。HV差動プローブに見られるノイズ（C4）は、摂動が非常に大きく、落ち着くまでに時間がかかります。ミラープラトーと充電時間が注目の対象となりうるゲート電圧の波形詳細は、大きな妨害を受け、CMノイズに埋もれる可能性があります。
まとめ
R&S®RT-ZISO 絶縁プロービング・システムは、WBGパワー測定の高周波CMノイズの影響を最小限に抑えるため、CMRR性能は動作周波数レンジでの期待に応えます。プローブチップのコネクタタイプはCMRR全般に影響する可能性があるため、最適な測定結果を得るために製品を設計する際には、テスト要件を追加する必要があります。
