프로브의 종류와 선택 시 고려 사항

프로브의 정의

프로브는 오실로스코프를 활용해 파형 등을 관측할 때 사용되는 장치로, 테스트 지점 또는 신호 소스와 오실로스코프 사이에서 물리적, 전기적 연결 환경을 조성한다. 이 같은 프로브는 신호 소스와 오실로스코프 입력 사이에서 적절한 편의성과 높은 품질의 연결을 수행할 수 있어야 한다.

엔지니어가 오실로스코프를 통한 측정 작업을 진행하려면, 먼저 프로브를 테스트 지점에 물리적으로 접촉시켜야 하는데, 엔지니어는 작업 진행 전에 ▲ 물리적 연결 ▲ 회로 동작에 대한 최소한의 영향 ▲ 적절한 신호 충실도와 같은 요소를 충분히 고려한 후 프로브를 선택해 작업에 임해야 한다. 한편, 일반적으로 높은 품질을 갖춘 제품으로 인정받는 프로브는 ▲ 연결의 간편성 및 편의성 ▲ 높은 신호 충실도 ▲ 신호 소스에 대한 Zero 부하 ▲ 높은 노이즈 면역성 등을 갖추고 있다.

프로브의 종류

일반적으로 측정 작업 시에 활용되는 프로브의 종류를 구분하면 ▲ 수동 프로브 ▲ 능동 프로브 ▲ 차동 프로브 ▲ 전류 프로브 ▲ 고전압 프로브로 나눌 수 있다. 수동 프로브는 보통 와이어와 커넥터로 구성되는데, 보상 또는 감쇠가 필요한 경우에는 저항과 축전기로도 구성된다. 이 같은 수동 프로브는 트랜지스터나 증폭기와 같은 구성요소가 없어 엔지니어가 프로브에 전원을 공급할 필요가 없다.

수동 프로브는 여러 전압 범위에 대응할 수 있는 1X, 10X, 100X의 다양한 감쇠 계수로 공급되는데, 이 중에서 10X 수동 프로브가 가장 널리 활용되고 있다. 대부분의 수동 프로브는 범용 오실로스코프와 함께 사용되도록 설계되어 있는데, 이로 인해 수동 프로브의 일반적인 대역폭은 100MHz 미만부터 500MHz 이상까지 다양하게 구성되어 있다.

능동 프로브는 높은 임피던스와 고주파를 측정하는 데에 활용되는데, 트랜지스터 등과 같은 구성요소를 포함하거나 이에 의존해 작동한다. 이러한 능동 프로브는 증폭기를 내장하고 있어 자체적으로 신호를 증폭시키는 동시에 정전 용량을 최소화시키며, GHz에 이르는 주파수 대역을 측정할 수 있다.

차등 프로브는 임의의 점의 전압을 측정할 때 생길 수 있는 과도 전류를 방지하기 위해 사용되는 프로브로, 오실로스코프의 한 채널에서 하나의 차등 신호만을 측정한다. 이로 인해 차등 프로브는 다른 프로브들보다 넓은 주파수 범위 내에서 높은 CMRR 성능을 제공할 수 있다.

전류 프로브는 도체를 통해 흐르는 전류가 형성한 전자기 자속장의 강도를 감지해 오실로스코프에 대응하는 전압으로 변환시키는데, 엔지니어는 이 같은 과정이 끝난 후에야 오실로스코프를 통해 전류 파형을 파악할 수 있다.

기본적으로 전류 프로브는 수동형 프로브인 AC 전류 프로브와 능동형 프로브인 AC/DC 프로브로 나뉘는데, 두 프로브 모두 도체 내의 교류를 감지하는 데에 있어서 동일한 변압기 작용원리를 활용한다. 고전압 프로브는 일반적으로 100:1 이상의 감쇄 비율을 갖추고 있는데, 이 비율에 따라 프로브가 측정할 수 있는 전압의 범위가 달라진다.

프로브 선택 시 고려 사항

엔지니어가 자신에게 적합한 프로브를 선택할 때 고려해야 할 기준에는 크게 ▲ 오실로스코프 성능 ▲ 응용 분야 ▲ 측정 목적이 있다. 오실로스코프를 기준으로 프로브를 선택 시 엔지니어는 프로브의 주파수 대역폭과 일반적인 오실로스코프의 입력 정전 용량 보정 범위를 충족하는 프로브를 선택하는 것이 좋다. 또한 엔지니어는 오실로스코프의 Readout 기능과 입력 부하를 충분히 활용할 수 있는 프로브를 선택할 수 있도록 주의를 기울여야 한다.

응용 분야에 기반한 프로브 선택 시 엔지니어는 자신이 프로브를 엔지니어링과 설계, 제품 생산 등의 분야 중 어느 분야에 적용해 활용할 것인지를 중점적으로 고려해야 하는데, 보통 엔지니어링과 설계 분야에는 전문적인 고주파수 대역을 갖추고 있는 프로브가 주로 쓰이며, 제품 생산의 경우에는 저주파나 일반적인 용도에 활용되도록 설계된 프로브가 주로 활용된다.

측정 목적 하에 프로브를 선택할 때에 엔지니어는 진행할 측정 작업 과정에서 프로브가 어느 정도의 부하를 가지게 되어 영향을 줄 것인지와 프로브의 측정 가능한 최대 전압이 어느 정도인지를 반드시 고려해야 한다.

자료 제공: 비아이티전자