접지를 연결해야 할까요 - 프로브를 연결하는 방법

R&S®RT‑ZMxx 모듈식 멀티모드 프로브에 연결할 때에는 프로브 접지(GND)를 DUT(Device under Test)에 연결할 것인지 여부가 중요한 문제입니다.

로데슈바르즈 솔루션

R&S®RTP 고성능 오실로스코프는 고속 디지털 인터페이스 테스트에 최적인 단일 기기 솔루션입니다. R&S®RT-ZMxx 모듈식 프로브와 함께 다양한 프로브 팁(R&S®RT-ZMAxx)과 액세서리를 사용하여 데이터 신호에 쉽게 접근하고 기계적, 전기적 과제를 해결하여 측정에 대한 확신을 높일 수 있습니다.

애플리케이션

고속 디지털 인터페이스를 테스트할 때에는 회로 연결이 측정에 중요합니다. 우선 호스트-장치(또는 반대) 데이터 신호를 분석할 것인지, 아니면 컴플라이언스 테스트를 수행할 것인지를 결정해야 합니다. 호스트-장치 데이터 신호를 분석할 경우에는 R&S®RT-ZM160 프로브를 사용하여 실시간 신호를 수집할 수 있습니다. 컴플라이언스 테스트에서는 표준 50 Ω 장비(케이블, 커넥터, 벌룬 등)를 사용하여 신호에 접근할 수 있는 표준 호환 테스트 픽스처가 필요합니다.

본 앱 카드는 기존 USB 3.2 1세대 메모리 플래시 드라이브용 데이터 신호 분석에 대해 살펴봅니다. 대역폭, 동작 전압 범위 및 로딩과 같은 모든 파라미터를 확인한 후 R&S®RT-ZM160과 R&S®RT-ZMA10 프로브 팁을 선택합니다. P, N, GND가 포함된 프로브 팁(그림 1 참조)을 메모리 플래시 드라이브(TX 포트)측 USB 인터페이스에 납땜으로 연결하고 플래시 드라이브를 데스크탑 컴퓨터에 연결합니다.

가장 먼저 아이 패턴 테스트로 디퍼런셜 신호(DM 모드)의 무결성을 점검합니다(그림 2 참조). 아이 패턴에 몇 개의 결함이 나타납니다. 장치를 송신기에 직접 연결한 경우에도 아이의 지터가 높게 나타나고 Q 인자는 낮은 반면 디퍼런셜 신호에는 오프셋이 있고 0 V를 기준으로 대칭되지 않습니다.

우선 DC 문제를 조사하고 디퍼런셜 신호에 바이어스가 나타나는 이유를 확인합니다. 빈번하게 발생하는 SKP(K28.1) 문자에 대해 동일 극성의 5비트를 캡처하기 위한 폭 트리거를 설정합니다(1 ns). 이제 디퍼런셜, 공통 모드, p 및 n에 대한 트레이스가 획득됩니다(그림 3 참조). DC 파라미터를 테스트하기 위해 공통 모드 신호에 대한 프로브 미터와 평균 측정값이 활성화되었습니다.

p 트레이스와 n 트레이스가 공통 모드 트레이스를 기준으로, 대략적인 대칭을 이루는 것을 볼 수 있습니다. 여기에 두 가지 의문점이 있습니다. 첫 번째, p 및 n이 DC 값을 기준으로 대칭인 경우에는(CM 신호는 녹색으로 표시) DC 값이 상쇄되므로 디퍼런셜 트레이스는 0 V를 기준으로 대칭이 되어야 합니다. 두 번째, 프로브 미터의 공통 모드 값(6 mV)과 공통 모드 신호의 평균 측정값(137 mV)이 일치하지 않습니다. 이 점을 염두에 두고 일반적인 고속 트레이스를 비롯한 전체 회로를 검토합니다. 쉽게 접근 가능한 USB 차폐와 프로브가 분리된 오실로스코프(접지 10 mΩ 미만) 사이의 저항을 점검할 때에는 디지털 멀티미터를 사용하는 것 이외에도 파워 서플라이 연결을 포함(그림 4 참조)하는 것이 유용할 수 있습니다.

등가 회로도에 데스크톱, USB 플래시 드라이브, R&S®RT-ZM 프로브 탑재 오실로스코프가 그려져 있습니다(그림 4 참조). 관련 공급 전압, 즉, USB 버스 전압(VDD 5 V)이 USB 고속 RX 및 TX 연결과 함께 나와 있습니다. 공급 트레이스 저항값(R_E, R_shield, R_T, R_C)이 공급 전압과 함께 도출됩니다.

R_E는 보호 접지의 저항 부하(< 10 mΩ)를 나타냅니다. R_shield는 프로브 케이블의 차폐 저항(약 30 mΩ)입니다. R_T는 호스트 트레이스 저항(최대 167 mΩ)이며, R_C는 메이트 커넥터 저항(최대 30 mΩ)입니다. R_T와 R_C 모두 USB 3.2 사양 11.4.2장에 규정되어 있습니다(아래 표 참조). R_T, R_C, R_E및 R_shield는 프로브 팁에 파란색으로 표시된 접지가 연결된 경우 USB 플래시 드라이브에서 접지 전류에 대한 접지 분배기를 형성합니다. 아래에서는 네트워크의 영향은 추정치이고 R_T및 R_C사양에 대해 세 번째 최대값을 가정하여 구현합니다. 즉, 해당 값은 대략적으로 R_E또는 R_shield저항기의 값임을 의미합니다.

큰 DC 전류는 I_VDD로 표시되어 있으며 프로브 동축 차폐를 통해 흐릅니다. USB 드라이버 데이터에서 500 mA 공급 전류가 추출된 경우를 가정하면 프로브 및 오실로스코프를 통한 전류는 300 mA로 추정되며 프로브 케이블 차폐를 따라 9 mV IR 강하가 발생합니다.

프로브 팁의 증폭기는 국부 접지를 기준으로 하며 오실로스코프 입력은 공통 접지를 기준으로 하므로 팁과 섀시 간 전위차는 9 mV입니다. 이 차이는 작아보이지만 프로브는 수직 스케일에 따라 10:1 또는 2:1로 감쇠합니다. 여기에서 소프트웨어는 역 감쇠를 이용해 연결된 프로브로 입력 포트의 모든 전압을 곱하며 9 mV 차이는 10:1 감쇠 시 90 mV가 됩니다.

프로브 팁 증폭기에서 디퍼런셜 신호가 싱글 엔드 신호로 변환되고 프로브의 국부 접지 레퍼런스 및 9 mV 전위 변동이 나중에 추가되므로 이 효과는 디퍼런셜 신호에 명확히 나타납니다.

오실로스코프 신호 경로의 ADC(Analog-Digital Converter)는 공통 접지를 기준으로 하는 반면 프로브 미터의 ADC는 DUT의 국부 접지를 기준으로 하기 때문에 공통 모드 전압에서 차이(6 mV, 137 mV)가 관찰된다는 또 다른 부작용이 있습니다.

해결 방법

해결 방법은 간단합니다. 데이터 시트를 확인해 동작 전압 범위가 충분한지를 확인한 후 USB 장치의 프로브 팁에서 접지 연결을 제거합니다. 더 이상 차폐를 통해 전류가 흐르지 않게 되고 IR 강하가 측정에 영향을 미치지 않습니다. 새로운 아이 패턴은 적절합니다. DC 오프셋이 없고 아이 측정에 대한 대부분의 파라미터가 개선되었습니다(그림 5 참조). 프로브 미터와 공통-모드(R2)는 측정 시 비교 가능한 결과가 도출됨을 의미합니다.

단, 이 방법은 이 셋업에만 적용 가능합니다. 다른 셋업의 경우 특히 CM, N, P 모드 측정 시 프로브 팁의 접지가 연결되지 않은 상태에서는 작동하지 않을 수 있습니다. 또한 이 상황은 USB 기술과 관련이 없습니다. 보호 접지에서 접지 루프를 사용할 수 없으므로 프로브 팁을 사용해 동일한 USB 플래시 드라이브를 랩톱 또는 다른 자체 전원 장치에 연결할 경우 상황이 크게 달라지며 접지 연결이 필요하게 됩니다.

이 셋업은 주로 DC 전류에 의해 교란되고 전원 공급선의 Inductive loading을 고려하지 않았지만 다른 셋업에서는 문제가 될 수 있습니다.

요약

R&S®RTP 오실로스코프와 R&S®RT-ZM160 등의 모듈식 프로브는 고속 디지털 신호를 수집 및 분석하는 데 최적입니다. 또한 이 조합에서는 프로브 미터와 디퍼런셜에서 공통 모드 신호로 전환할 수 있는 프로브 모드를 이용해 라인 피드와 접지 루프를 디버그할 수 있습니다. 공통 솔루션이 없기 때문에, 사례별로 접지 셋업 문제를 점검하고 필요한 단계에 따라 요구사항에 적합한 해결 방법을 찾아야 합니다.