프로브는 DUT(테스트 기기)의 신호를 변경 없이 원래 형태로 정확히 전송하는 것이 이상적입니다. 디퍼런셜 프로브는 접지에 상대적인 각 소켓에서 동일한 신호 아티팩트를 제거하여 CM(Common Mode, 공통 모드) 왜곡을 제거하도록 설계되었습니다. 실무에서 낮은 CM 제거, 주파수 응답 저하, 신호 왜곡과 같은 문제는 특히 신호 충실도가 중요한 고속 전력 애플리케이션에서 신호 무결성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
목표
WBG(Wide-bandgap) 기기와 같은 고속 스위칭 전력 반도체로 작업할 때에는 빠른 HV(High Voltage) 스윙이 일반적입니다. GaN(질화 갈륨) 기반 기기의 상승/하강 시간은 2 ns 미만으로, 최대 1 GHz에 이르는 더 높은 대역폭의 프로빙 솔루션이 필요합니다. 이러한 전력 애플리케이션에서 신호 무결성을 최적화하려면 프로브 셋업 성능 및 주파수 응답에서 왜곡과 신호 열화를 최소화해야 합니다.
HV 디퍼런셜 프로브는 Half-bridge 컨버터에 대한 High-side 게이트 소스 전압에서 접지 없이 신호를 측정하는 데 사용합니다. 특히 고주파에서 이러한 프로브의 CMRR(Common Mode Rejection Ratio, 공통모드 제거비)은 빠른 환경 CM 노이즈를 억제할 수 있습니다.
기존 HV 디퍼런셜 프로브의 제한
표준 디퍼런셜 프로브는 전체 대역폭에 걸쳐 완벽한 접지 격리가 가능하다는 오해가 많습니다. 실제로, 이러한 프로브의 디퍼런셜 증폭기는 접지되어 있기 때문에 측정 기기와 함께 사용할 경우 CM 신호의 반환 경로가 만들어져 CMRR 성능이 제한됩니다. 4 mm Banana 플러그 케이블은 전력 측정에 필요한 HV 등급이 지정되어 있지만 특히 높은 주파수에서 조절된 임피던스와 적절한 차폐가 부족합니다. 따라서 기존 HV 디퍼런셜 프로브는 약 –20 dB의 제한적 CM 노이즈 억제로 최대 400 MHz의 대역폭을 제공하는 것이 일반적입니다. 측정 시 CM 신호의 10 V마다 1 V가 노이즈로 나타납니다.
CM 접지 루프 끊기
더 높은 전압과 빠른 스위칭 속도에서 작동하는 WBG 전력 기기를 효과적으로 측정하기 위해서는 DUT와 측정 기기 간 완벽한 갈바닉 절연을 구축하여 CM 반환 경로를 제한하고 노이즈를 줄여야 합니다. 절연을 위해 가장 많이 사용하는 방법은 절연-채널 오실로스코프에서 사용하는 유도 또는 광결합입니다.
하지만 길고 차폐되지 않은 케이블은 여전히 신호 경로에 따라 노이즈가 발생할 수 있습니다. DUT의 측정점에서 프로브까지의 거리를 최소화해야 합니다. 기존 프로브 팁을 동축 팁으로 교체할 경우 적절한 임피던스 매칭을 유지하고 측정 정확도를 높일 수 있습니다.
로데슈바르즈 솔루션
R&S®RT-ZISO Isolated Probing System:
R&S®RT-ZISO Isolated Probing System은 이러한 측정 방식을 중심으로 설계되었습니다. 측정된 신호를 CM 노이즈로부터 차폐하고 안정적인 매칭 임피던스를 유지하기 위해 프로브 헤드를 짧은 동축 프로브 팁(MMCX)을 통해 DUT에 연결하여 최대 1 GHz의 고주파에서도 프로브를 작동할 수 있습니다. 프로브 헤드가 측정된 신호를 광신호로 변환하고 수신기로 송신함으로써 CM 접지 루프를 끊고 측정 중 교란을 감소시킬 수 있습니다.
High-side WBG 게이트 소스 입력을 특성분석할 경우 스위치 노드(C3)가 측정점에 빠른 스위칭 CM 전압을 적용합니다. High-side 게이트 전압(C4, 왼쪽 하단 스크린샷)은 기존 HV 디퍼런셜 프로브를 사용할 경우 CM 노이즈의 영향을 크게 받습니다.
R&S®RT-ZISO는 동일한 게이트 전압(C2, 오른쪽 하단 스크린샷)을 더 빠른 엣지와 더 적은 노이즈로 캡처합니다. HV 디퍼런셜 프로브(C2)에 나타난 노이즈는 큰 섭동이 있으며 안정될 때까지 오랜 시간이 필요합니다. 주목할 만한 밀러 플래토와 충전 시간이 있는 게이트 전압의 파형 상세정보가 CM 노이즈로 인해 크게 교란되거나 가려질 수 있습니다.
요약
R&S®RT-ZISO Isolated Probing System은 CMRR 성능이 작동 주파수 대역에서 기대를 충족할 수 있도록 WBG 전력 측정 시 고주파 CM 노이즈의 영향을 최소화합니다. 프로브 팁 커넥터 유형에 따라 전반적 CMRR에 영향을 미칠 수 있으므로 제품을 설계할 때에는 최적의 측정 결과를 위해 테스트 요구사항을 포함해야 합니다.
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