JP2000147002A

JP2000147002A - 電流プロ―ブ

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Publication number: JP2000147002A
Application number: JP11318638A
Authority: JP
Inventors: Madara Vivekku; ヴィヴェック・マダラ; Kenneth Price R; アール・ケネス・プライス; C Murphy Sean; ショーン・シー・マーフィー; S Crane Albert; アルバート・エス・クレーン
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2000-05-26
Anticipated expiration: 2019-11-09
Also published as: JP3455486B2; US20010001536A1; US6337571B2

Abstract

(57)【要約】【課題】超高周波数で動作でき、被測定信号の電気的
特性に与える影響を最小にする。【解決手段】入力伝送線１０からの電流は、電流プロ
ーブ２０の入力端子２２，高周波数トランスＴ１の１次
巻線Ｗｐ及び出力端子２４を介して、出力伝送線３０に
流れる。この電流の値を表す電圧を２次巻線Ｗｓから得
る。電流プローブ２０を集中回路網として、入力伝送線
及び出力伝送線の特性インピーダンスに影響を与えない
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高周波数電流測
定に用いる電流プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、利用可能な電流プローブは、信号
線に磁気結合され、この信号線に流れる電流を測定す
る。いくつかの電流プローブでは、信号線を切断して、
この信号線を磁気コアに通して、磁気結合を行う必要が
ある。他の電流プローブでは、上述の方法で、信号線を
切断する必要がない。

【０００３】例えば、１９９１年４月２日に発行された
カッタネオ等のアメリカ合衆国特許第５００４９７４号
は、その上に電子プリント回路基板が設けられたアセン
ブリ（組立体）を含む電流プローブを記載している。こ
のアセンブリは、金属シートを重ね合わせた磁気回路を
含んでいる。被測定電流の信号は、磁気回路の周囲の巻
線を介して伝送される。この巻線は、アセンブリ内の磁
気回路の３つの側部を囲む複数のＵ字形導電部分と、こ
れらＵ字形導電部分の各々の端部を隣接する他のＵ字形
導電部分の端部と相互接続して複数のＵ字形導電部分を
複数の巻線にするプリント回路基板上の導電路とで形成
されている。磁気回路の周囲の２次巻線を用いて測定装
置用の入力信号を供給する。磁気回路内にはホール素子
用の場所も設けられており、磁気回路内での正味の磁束
をゼロから検出できるので、測定装置をゼロからの検知
器として使用できる。この電流プローブは、主プリント
回路基板上に取り付けることができ、比較的低周波で動
作する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、比較的好感度
で超高周波数である既存の総ての電流プローブに必要な
条件は、被測定電流を流す信号線が電流プローブを通過
することである。また、可能ならば、この信号線が、閉
じたフェライト高周波数トランス・コアを巻回すること
である。この場合、信号線は、トランスの１つの巻線を
形成する。トランスの他の巻線は、試験機器（例えば、
オシロスコープ、ネットワーク・アナライザ等）に接続
される。これら電流プローブにおいて、フェライト・コ
アの存在と、その巻線に取り付けられた試験機器とによ
り、回路の電気的特性がいくらかは変化してしまう。こ
れは、トランスと、取り付けた試験機器とにより、有限
な抵抗値を有する電気素子を形成するためである。な
お、この電気素子は、ほとんどの場合、リアクタンスが
ゼロではない。よって、試験結果は、電流プローブを取
り除いた回路の動作を正確に反映するものではない。

【０００５】機械的には、電流プローブのかかる配置に
より、被測定回路に摩耗が生じる。これは、測定の際
に、信号線を切断し、フェライト・コアに信号線を通
し、測定を行い、信号線を再び切断し、フェライト・コ
アを取り外し、信号線を再接続するためである。また、
この手順により、電流プローブ自体にも摩耗が生じる。
生産ラインにおける試験では、しばしば、被試験製品の
自動取り扱い（例えば、ロボット）により、大量の測定
を実行する。かかる環境においては、上述の電流プロー
ブを回路に手動で挿入しなければならない。かかる電流
プローブの挿入及び取り外しに要する時間は、無視でき
ない。

【０００６】よって、望ましい電流プローブは、超高周
波数で動作し、被測定信号線と試験機器との間を迅速に
接続でき、自動取り扱いが簡単にでき、被測定信号の電
気的特性に与える影響が最小となるプローブである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の原理によれば、
超高周波数電流プローブは、表面実装装置の形式で組み
立てられており、被測定電流を発生する回路の一部とな
る。

【０００８】かかる電流プローブは、被測定電気回路の
一部となるので、被測定信号の電気特性に与える影響が
最小となる。また、試験期間中に、この電流プローブを
手動で扱うことがない。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による超高周波数
電流プローブのブロック図である。この電流プローブ
は、信号線を流れる電流を測定するように配置された状
態として示されている。図１において、入力端子５は、
入力電流信号Ｉinの送出信号源（電流信号を送り出す信
号源：図示せず）に結合されている。この電流信号Ｉin
は、超高周波数成分、典型的には、２〜４ＧＨｚ付近の
周波数成分を含んでいる。入力端子５は、図１では伝送
線１０として示す伝送線形式である信号線の入力端子に
結合する。図示の実施例においては、伝送線１０の特性
インピーダンスは、５０オームである。伝送線１０の出
力端子は、被測定電流の信号源として作用し、電流プロ
ーブ２０の電流入力端子に結合される。プローブ２０の
電流出力端子は、第２伝送線３０の入力端子に結合され
る。この第２伝送線３０は、被測定電流を伝送する信号
線の延長となる。図示の実施例において、伝送線３０の
特性インピーダンスも５０オームである。第２伝送線３
０の入力端子は、被測定電流の吸引信号源（電流を吸引
する信号源）として作用する。第２伝送線３０の出力端
子は、出力端子１５に結合される。この出力端子１５
は、電流Ｉoutを発生し、被測定回路（図示せず）の残
りの部分に結合する。電流プローブ２０の試験電圧出力
端子は、試験電圧出力端子２５に結合され、試験電圧Ｖ
testを発生する。電流プローブ２０は、基準電位（接
地）に結合された端子も有する。

【００１０】動作において、電流プローブ２０は、試験
電圧出力端子２５の電圧Ｖtestと、接地との間の電圧で
あって、電流プローブ２０の電流入力端子から電流出力
端子に流れる電流の値を表す電圧を発生する。しかし、
電流プローブ２０の電気的特性は、５０オーム伝送線で
ある。よって、被測定信号線における電流プローブ２０
の存在がその信号線の電気的特性に与える影響は最小で
あるので、被測定回路（図示せず）の残りの部分を、こ
の電流信号が流れる。かかる電流プローブ２０は、集中
５０オーム伝送線の高周波特性を有し、遅延が短く、遮
断周波数が約４ＧＨｚである。

【００１１】図２は、図１に示した電流プローブの入力
部分の回路図である。この図２において、図１と同じ要
素は、同じ参照符号で示し、これ以上の詳細説明は省略
する。図２において、５０オームの伝送線１０を電流プ
ローブ２０の電流入力端子２２に結合する。この入力端
子２２には、第１コンデンサＣ１の第１電極と、高周波
トランスＴ１の１次巻線Ｗｐの第１電極とを接続する。
第１巻線Ｗｐの第２電極には、第２コンデンサＣ２の第
１電極と、電流プローブ２０の電流出力端子２４とを結
合する。これら第１及び第２コンデンサＣ１及びＣ２の
各第２電極を接地に結合する。電流プローブ２０の出力
端子２４は、５０オーム伝送線３０に結合する。１次巻
線Ｗｐは、高周波フェライト・コアを介して、２次巻線
Ｗｓに結合する。この２次巻線Ｗｓは、詳細に後述する
方法で、１次巻線に流れる電流を表す電圧信号を発生す
る。

【００１２】動作において、５０オーム伝送線１０と、
５０オーム伝送線３０との組み合わせが、信号電流を流
す。入力端子２２は、伝送線１０から電流プローブに信
号電流を伝送し、実質的に５０オームの特性インピーダ
ンスを有するように電流プローブ２０を組み立てる。同
様に、出力端子２４は、電流プローブ２０からの信号電
流を伝送線３０に伝送し、実質的に５０オームの特性イ
ンピーダンスを有するように電流プローブ２０を組み立
てる。１次巻線Ｗｐは、入力端子２２及び出力端子２４
の間の高周波数フェライト・コアを通過する検知線とし
て構成されている。信号電流が１次巻線を通過すると、
高周波数トランスＴ１は、その磁界を２次巻線Ｗｓの電
圧に変換する。信号伝搬線（伝送線）の特性インピーダ
ンスを、５０オーム特性インピーダンスから潜在的に可
変できる場所が、検知ワイヤ（検知線）である。

【００１３】しかし、第１コンデンサＣ１及び第２コン
デンサＣ２は、１次巻線Ｗｐのインダクタンスと逆に作
用する。１次巻線Ｗｐと、第１コンデンサＣ１と、第２
コンデンサＣ２との組み合わせは、５０オームの集中回
路網を形成する。この集中回路網は、信号伝搬線の５０
オーム特性インピーダンスを維持する。図示の実施例に
おいて、この１次巻線のインピーダンスは、２．２ナノ
ヘンリー（ｎＨ）である。集中回路網内の５０オームの
インピーダンスを維持するために、第１コンデンサ及び
第２コンデンサの容量は、夫々１．０ピコファラッド
（ｐＦ）未満である必要がある。かかる回路網により、
信号線の５０オーム特性インピーダンスを、入力伝送線
１０から入力端子２２を介して電流プローブ２０に向か
って維持すると共に、高周波トランスＴ１を介して電流
プローブ２０の外部から、出力端子２４を介して出力伝
送線３０に向かっても維持する。この方法によって、被
測定回路の信号の特性に対して電流プローブが与える影
響が最小になる。

【００１４】図示の実施例において、入力端子２２及び
出力端子２４の浮遊容量の各々は、実質的には、第１コ
ンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の所望容量であ
る。よって、図示の実施例において、個別のコンデンサ
は不要である。しかし、異なる物理的な配置によって、
異なる値の浮遊容量が得られると共に、１次巻線Ｗｐの
異なる配置によって、異なるインダクタンスが得られる
ことが当業者には理解できよう。各場合において、必要
な５０オーム集中回路網を形成するには、異なる値のコ
ンデンサＣ１及びＣ２が必要となる。これら配置におい
て、必要な容量を得るためには、個別のコンデンサが必
要になるかもしれない。

【００１５】図３は、図１に示す電流プローブの出力部
分の回路図である。この図３において、図１及び図２に
示した素子と同じ素子には、同じ参照符号を用い、これ
以上の詳細説明は省略する。図３において、高周波数ト
ランスＴ１の２次巻線Ｗｓの第１電極は、等化インダク
タンス要素（インダクタ）Ｌｃを介して、等化抵抗Ｒｃ
の第１電極に結合する。この抵抗Ｒｃの第２電極は、２
次巻線の第２電極に結合する。２次巻線Ｗｓと、等化イ
ンダクタンス要素Ｌｃと、等化抵抗Ｒｃとで形成された
ループは、トランスＴ１の２次巻線Ｗｓの等化回路を表
す。ここで、Ｌｃは、２次巻線Ｗｓの漏れインダクタン
ス要素であり、Ｒｃは、コア損失抵抗である。

【００１６】等化インダクタンス要素Ｌｃの第２電極
は、第２インダクタンス要素Ｌ２の第１電極と、試験電
圧出力端子２６とに結合している。第２インダクタンス
要素Ｌ２の第２電極は、第２抵抗Ｒ２の第１電極に結合
している。第２抵抗Ｒ２の第２電極は２次巻線Ｗｓの第
２電極と、接地とに結合している。図示の実施例におい
て、第２インダクタンス要素Ｌ２のインダクタンスは、
８．２ｎＨであり、第２抵抗Ｒ２の抵抗は、６１．９オ
ームである。

【００１７】動作において、電流入力端子２２から、ト
ランスＴ１の１次巻線Ｗｐを介して、電流出力端子２４
に流れる電流は、既知の方法で、２次巻線Ｗｓに電圧を
生じる。２次巻線Ｗｓの電気的特性（即ち、Ｌｃ及びＲ
ｃ）、第２インダクタンス要素Ｌ２、及び第２抵抗Ｒ２
の組み合わせにより、試験電圧出力端子２６と、５０オ
ームの接地との間に出力インピーダンスが発生する。５
０オーム伝送線を介して出力端子２６を試験機器に接続
し、この試験機器を５０オームの入力インピーダンスで
適切に終端することにより、電流プローブ２０が被試験
回路に与える負荷が最小となる。

【００１８】上述の如く、例えば、生産用試験機器に電
流プローブを取り付け、取り外すのに必要な時間及び労
力を最小にするために、図１に示す電流プローブ２０を
表面実装装置（ＳＭＤ）として製造する。このＳＭＤ
は、回路基板の常設部品として設計されており、被測定
信号線を含んでいる。図示の実施例において、被測定信
号線は、５０オーム伝送線として回路基板上に作られ
る。この伝送線は、回路基板の表面上に既知の方法で作
られた、適切な大きさ及び間隔の銅線路である。伝送線
を形成する複数の銅線路には、間隙があり、この間隙の
一方の側で入力伝送線１０を形成し、この間隙の他方の
側で出力伝送線３０を形成する。ＳＭＤの電流入力端子
２２を入力伝送線１０に結合し、電流出力端子２４を出
力伝送線３０に結合して、信号線回路を完成させる。上
述の如く、電流プローブ２０は、信号線の５０オームの
特性インピーダンスにできる限り近似させるので、電流
プローブ２０により信号を伝達する伝送線の５０オーム
特性インピーダンスに対する変化は最小であり、伝送線
環境は、できる限り５０オーム特性インピーダンスに近
づけて維持する。

【００１９】図４は、図１に示す電流プローブ２０を実
施するＳＭＤ５００の上面層５００の平面図である。図
１〜図３に図示した素子と対応する素子は、同じ参照符
号で示す。なお、ＳＭＤ５００は、電流プローブ２０の
本体として機能する。図４のＳＭＤ５００は、接地層
（図示せず）を含んでいる。この接地層は、ＳＭＤ５０
０内であり、上面層（表面実装シャーシ）５０４に平行
に配置されている。電流プローブ２０の入力端子２２を
形成する１対の線を介して、入力伝送線１０（図示せ
ず）に半田付けパッド４０２及び４０４を結合させる。
同様な方法で、出力端子２４を形成する１対の線を介し
て、半田付けパッド４０８及び４１０を出力伝送線３０
（図示せず）に結合する。出力端子２６を形成し、試験
電圧信号Ｖtestを伝達する１対のワイヤ（図を簡単にす
るため、図示せず）を半田付けパッド４１４及び４１６
に結合する。図示の実施例において、半田付けパッド４
０２、４１０及び４１６は、複数の信号ビアに夫々接続
する。これらビアは、これらパッドを、ＳＭＤ５００の
上面層５０４から接地層（図示せず）に接続する。

【００２０】高周波数トランスＴ１の１次巻線Ｗｐを形
成する検知線は、入力電流信号半田付けパッド４０４
と、出力電流信号半田付けパッド４０８との間に電気的
に接続する。検知線Ｗｐは、図４に側面を示すトロイダ
ル高周波数フェライト・トランス・コアの中心を通る。

【００２１】２次巻線Ｗｓ（図４に斜線として示す）
は、フェライト・トランス・コアの周りに巻回される。
２次巻線Ｗｓの第１端部は、線４２４を介して半田付け
パッド４２２に接続される。このパッド４２２は、信号
ビアを介して、接地層に結合される。２次巻線Ｗｓの第
２端部は、線４２６を介して、試験電圧信号用半田付け
パッド４１４に接続される。試験電圧信号用半田付けパ
ッド４１４は、信号路４１７を介して、インダクタンス
要素Ｌ２（４１８）の第１電極にも接続される。インダ
クタンス要素Ｌ２の第２電極は、信号路４１９を介し
て、抵抗Ｒ２（４２０）の第１電極に接続される。抵抗
Ｒ２の第２電極は、線４２８を介して、接地用半田付け
パッド４２２に結合される。インダクタンス要素Ｌ２及
び抵抗Ｒ２は、既知の方法で、ＳＭＤ５００の上面層５
０４上に組み立てられる。

【００２２】上述の如く、入力端子２２、半田付けパッ
ド４０２及び４０４、出力端子２４並びに半田付けパッ
ド４０８及び４１０の浮遊容量は、５０オーム集中回路
の第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２を形成す
るのに充分な容量である。よって、図示の実施例におい
て、個別のコンデンサＣ１及びＣ２は不要である。しか
し、上述の如く、個別コンデンサＣ１及びＣ２が必要な
構成もある。かかる配置を図４に点線で示す。入力電流
信号半田付けパッド４０４の上面は、信号路４０３（斜
線で示す）を介して、第１コンデンサＣ１（点線４０６
で示す）の第１電極に接続する。出力電流信号半田付け
パッド４０８の上面は、信号路４１１（斜線で示す）を
介して、第２コンデンサＣ２（点線４１２で示す）の第
１電極に接続する。第１コンデンサＣ１及び第２コンデ
ンサＣ２の第２電極は、接地用半田付けパッド４２２に
接続する（接続線は、図示せず）。第１コンデンサＣ１
及び第２コンデンサＣ２は、既知の方法で、ＳＭＤ５０
０の上面層５０４上に組み立てる。

【００２３】上述の如く、第１コンデンサＣ１及び第２
コンデンサＣ２（浮遊容量又は個別コンデンサ）と、１
次巻線Ｗｐのインダクタンスとの組み合わせは、集中５
０オーム回路網を形成し、電流プローブ２０を介しての
信号線の５０オーム特性インピーダンスを保護する。ま
た、インダクタンス要素Ｌ２と、抵抗Ｒ２と、２次巻線
Ｗｓのインダクタンス及び抵抗との組み合わせは、試験
電圧出力端子における５０オーム出力インピーダンスを
示す。電流プローブの本体であるＳＭＤ５００の全体的
な寸法は、約０．３８５インチ（０．９７８ｃｍ）の矩
形である。これは、比較的小さな部品であり、プリント
回路基板に容易に適合できる。

【００２４】さらに、電流プローブ２０の図示の実施例
は、信号電流線内での遅延時間及び試験電圧（Ｖtest）
出力端子における遅延時間が既知である５０オーム集中
インピーダンス伝送線を近似する。図示の電流プローブ
２０の遅延時間は、１２０ピコ秒から１７０ピコ秒であ
り、これは、電流プローブ２０周辺におけるシールドや
その他のマイクロ波吸収物質の物理的な配置により決ま
る。この電気的特性は、電流プローブの性能のモデル化
を簡略化する。さらに、図示した電流プローブ２０の帯
域幅は、約１６０ＫＨｚから約３．２ＧＨｚである。こ
れは、回路基板に取り付けられる既存の電流プローブ
（例えば、上述のアメリカ合衆国特許第５００４９７４
号に記載の電流プローブ）よりも非常に広い帯域であ
り、図示の電流プローブ２０を超高周波数回路に利用で
きる。

【００２５】上述の本発明の図示の実施例では、被試験
回路は、プリント回路基板の如き回路基板の形式で組み
立てられたものであり、上述の電流プローブは、表面実
装装置の形式である。しかし、被試験回路は、種々の形
式で組み立てたものでもよく、電流プローブは、被試験
回路に適する任意の方法で組み立てたものでもよいこと
が、当業者には理解できよう。さらに、図示の実施例に
おいて、被試験信号を伝搬する伝送線は、５０オームの
特性インピーダンスとなるように製作した。この特性イ
ンピーダンスは、任意の適切な値でよいことが当業者に
は理解できよう。

【００２６】

【発明の効果】上述の如く本発明の電流プローブは、超
高周波数で動作でき、被測定信号線と試験機器との間を
迅速に接続できて、取り扱いを簡単にできる。また、本
発明の電流プローブは、被測定信号の電気的特性に与え
る影響を最小にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】信号線を流れる電流を測定する本発明の電流プ
ローブのブロック図である。

【図２】図１に示した電流プローブの入力部分の回路図
である。

【図３】図１に示した電流プローブの出力部分の回路図
である。

【図４】図１に示した電流プローブを実施するための表
面実装装置の平面図である。

【符号の説明】

５入力端子１０入力伝送線１５出力端子２０電流プローブ２２入力伝送線２４出力端子２５試験電圧出力端子２６出力端子３０出力伝送線４０２半田付けパッド４０３信号路４０４半田付けパッド４０６コンデンサ４０８半田付けパッド４１０半田付けパッド４１１信号路４１２コンデンサ４１４半田付けパッド４１６半田付けパッド４１７信号路４１８インダクタンス要素４１９信号路４２０抵抗４２２半田付けパッド４２４線４２６線４２８線５００表面実装装置５０４上面層（表面実装シャーシ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者アール・ケネス・プライスアメリカ合衆国オレゴン州 97224 タイガードサウス・ウェストナイブ・ストリート 10684 (72)発明者ショーン・シー・マーフィーアメリカ合衆国オレゴン州 97123 ヒルズボロサウス・イーストフィフティー・サード・アベニュー 1751 (72)発明者アルバート・エス・クレーンアメリカ合衆国オレゴン州 97229 ポートランドノース・ウェストカーニータ・ドライブ 4455

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超高周波数電流信号を伝達する信号路
と、上記電流信号を表す信号を発生する出力端子と、回路基板に常置される本体とを具えた電流プローブ。
【請求項２】電流信号送出信号源、及び電流信号吸引
信号源を有するシステムに用いる超高周波数電流プロー
ブであって、表面実装シャーシを具え、該表面実装シャーシは、上記電流信号送出信号源に結合された電流入力端子と、上記電流信号吸引信号源に結合された電流出力端子と、上記電流入力端子から上記電流出力端子に流れる電流を
表す信号を発生する試験電圧出力端子とを有することを
特徴とする電流プローブ。
【請求項３】超高周波数電流プローブであって、電流入力端子と、電流出力端子と、上記電流入力端子から上記電流出力端子に流れる電流を
表す信号を発生する試験電圧出力端子とを具え、所定特性インピーダンスを有する集中インピーダンス伝
送線を近似することを特徴とする電流プローブ。