JP2008045898A

JP2008045898A - プローブ

Info

Publication number: JP2008045898A
Application number: JP2006219443A
Authority: JP
Inventors: Tetsuhisa Yamada; 哲久山田; Makoto Imamura; 誠今村
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2008-02-28

Abstract

【課題】寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能なプローブを実現する。
【解決手段】高周波信号測定に用いるプローブにおいて、被測定対象に接触するプローブヘッドと、プローブヘッドからの信号を伝送する伝送線路と、伝送線路に接続されトランジスタのエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより前記伝送線路の特性インピーダンスに合わせて整合を取るインピーダンス調整回路と、インピーダンス調整回路の周波数特性を補償する補償回路と、インピーダンス調整回路の出力信号を増幅するアンプとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、オシロスコープ等に使用するプローブに関し、特に寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能なプローブに関する。

波形信号を測定する代表的な測定器としてオシロスコープが挙げられる。オシロスコープを使用する場合、プローブを活用することで、より効果的な測定を行うことができる。オシロスコープと被測定対象のインターフェースとなるプローブには様々な種類がある。

この中で、アクティブプローブは高周波信号の測定によく使用されている。パッシブプローブと異なり、プローブの先端近くにバッファアンプを置くことで、パッシブプローブよりも高い周波数帯域と、一桁小さい”１ｐＦ”前後の入力容量を実現している。

従来のプローブに関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開昭５８−０９６４２５号公報特開平０４−０８６０２１号公報特開平０６−００８８２６号公報特開平０７−０７９２３１号公報米国特許登録第６８５６１２６号

図４はこのような従来のプローブの一例を示す構成ブロック図である。図４において１及び９は被測定対象に接触するプローブピン、２，５，７，１０，１３及び１５は抵抗、３，８，１１及び１６はコンデンサ、４，１２及び１９は同軸ケーブル等の伝送線路、６及び１４はトランジスタ、１７はトランジスタ６及びトランジスタ１４からの信号を増幅する差動アンプである。

抵抗７及びコンデンサ８は補償回路５０を構成し、抵抗１５及びコンデンサ１６は補償回路５１を構成している。また、プローブピン１、抵抗２、コンデンサ３、プローブピン９、抵抗１０及びコンデンサ１１はプローブヘッド１００を構成し、抵抗５、トランジスタ６、抵抗１３、トランジスタ１４、差動アンプ１７、補償回路５０及び補償回路５１はプローブヘッド１０１を構成している。

プローブピン１の一端は抵抗２の一端及びコンデンサ３の一端にそれぞれ接続され、抵抗２の他端はコンデンサ３の他端及び伝送線路４の一端にそれぞれ接続される。伝送線路４の他端は抵抗５の一端に接続され、抵抗５の他端はトランジスタ６のエミッタ端子に接続される。

トランジスタ６のコレクタ端子は抵抗７の一端、コンデンサ８の一端及び差動アンプ１７の非反転入力端子にそれぞれ接続され、トランジスタ６のベース端子は接地される。抵抗７の他端及びコンデンサ８の他端はそれぞれ接地される。

プローブピン９の一端は抵抗１０の一端及びコンデンサ１１の一端にそれぞれ接続され、抵抗１０の他端はコンデンサ１１の他端及び伝送線路１２の一端にそれぞれ接続される。伝送線路１２の他端は抵抗１３の一端に接続され、抵抗１３の他端はトランジスタ１４のエミッタ端子に接続される。

トランジスタ１４のコレクタ端子は抵抗１５の一端、コンデンサ１６の一端及び差動アンプ１７の反転入力端子にそれぞれ接続され、トランジスタ１４のベース端子は接地される。抵抗１５の他端及びコンデンサ１６の他端はそれぞれ接地される。

差動アンプ１７の出力端子は抵抗１８の一端に接続され、抵抗１８の他端は伝送線路１９の一端に接続される。

ここで、図４に示す従来例の動作を説明する。高密度化する被測定対象へのプロービングを可能とするため、プローブをプローブヘッド１００とプローブヘッド１０１の２つに分離し、その間を伝送線路４及び伝送線路１２でつなぐ構成をとっている。

式（１）に示すように、抵抗５の抵抗値”Ｒ_ｅ１”とトランジスタ６のエミッタ抵抗の抵抗値”ｒ_ｅ１”を加算し、この抵抗値を伝送線路４の特性インピーダンス”Ｚ_ｏ１”に合わせることにより、伝送線路４を整合終端させる。

同様に、式（２）に示すように、抵抗１３の抵抗値”Ｒ_ｅ２”とトランジスタ１４のエミッタ抵抗の抵抗値”ｒ_ｅ２”を加算し、この抵抗値を伝送線路１２の特性インピーダンス”Ｚ_ｏ２”に合わせることにより、伝送線路１２を整合終端させる。

この結果、プローブをプローブヘッド１００とプローブヘッド１０１の２つに分離し、その間を伝送線路４及び伝送線路１２でつなぎ、プローブヘッド１０１内の抵抗５の抵抗値及びトランジスタ６のエミッタ抵抗の抵抗値を加算したものを伝送線路４の特性インピーダンスに合わせ、抵抗１３の抵抗値及びトランジスタ１４のエミッタ抵抗の抵抗値を加算したものを伝送線路１２の特性インピーダンスに合わせることにより、伝送線路４及び伝送線路１２がそれぞれ整合終端されるので、高密度化する被測定対象へのプロービング及び波形品位の劣化が少ない高周波信号の測定が可能になる。

しかし、図４に示す従来例では、伝送線路４及び伝送線路１２をそれぞれ整合終端させるためには、抵抗５の抵抗値”Ｒ_ｅ１”及び抵抗１３の抵抗値”Ｒ_ｅ２”が調整可能でなければならない。

具体的には、抵抗５及び抵抗１３に半固定抵抗を使用したり、薄膜、若しくは、厚膜抵抗をトリミングして使用する等が考えられる。トリミングの代表例としてレーザトリミングがあるが、これはレーザにより抵抗のパターンをカットし、抵抗値を所望の値に合わせ込む技術である。

しかし、半固定抵抗を使用する場合は、部品サイズが大きく、寄生素子の影響を考慮する必要があり、薄膜、若しくは、厚膜抵抗をトリミングする場合は、レーザトリミング装置等の特別な製造装置を必要とするという問題があった。

従って本発明が解決しようとする課題は、部品サイズが大きく、寄生素子の影響を考慮する必要がある半固定抵抗や、薄膜、若しくは、厚膜抵抗をトリミングするレーザトリミング装置等の特別な製造装置を使用すること無く、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能なプローブを実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
高周波信号測定に用いるプローブにおいて、
被測定対象に接触するプローブヘッドと、このプローブヘッドからの信号を伝送する伝送線路と、この伝送線路に接続されトランジスタのエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより前記伝送線路の特性インピーダンスに合わせて整合を取るインピーダンス調整回路と、このインピーダンス調整回路の周波数特性を補償する補償回路と、前記インピーダンス調整回路の出力信号を増幅するアンプとを備えたことにより、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載のプローブにおいて、
前記インピーダンス調整回路が、
一端が前記伝送線路に接続される抵抗と、エミッタ端子が前記抵抗の他端に接続され、コレクタ端子が前記補償回路に接続されると共にベース端子が接地されるトランジスタと、一端が正電源に接続されると共に他端が前記トランジスタのコレクタ端子に接続される第１の電流源と、一端が前記抵抗の他端及び前記トランジスタのエミッタ端子にそれぞれ接続されると共に他端が負電源に接続される第２の電流源とから構成されることにより、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項２記載のプローブにおいて、
前記第１の電流源若しくは前記第２の電流源が、
Ｄ／Ａ変換器から構成されることにより、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

請求項４記載の発明は、
請求項２記載のプローブにおいて、
前記第１の電流源若しくは前記第２の電流源が、
電圧源と、半固定抵抗とから構成されることにより、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

請求項５記載の発明は、
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のプローブにおいて、
前記第１の電流源若しくは前記第２の電流源が、
温度センサを有し、温度変化によって出力電流を制御することにより、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせず、さらに、温度が変化した場合においても回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１の発明によれば、プローブヘッドからの信号を伝送線路を介して伝送し、この伝送線路に接続されたインピーダンス調整回路内のトランジスタのエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより、伝送線路の特性インピーダンスに合わせて整合を取ることができるので、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

請求項２、請求項３及び請求項４の発明によれば、トランジスタのコレクタ端子及びエミッタ端子に電流源をそれぞれ接続し、これらの電流源によりコレクタ電流を制御してエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより、伝送線路の特性インピーダンスに合わせて整合を取ることができるので、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

請求項５の発明によれば、温度センサで測定した温度により電流源の電流を制御し、トランジスタのエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせず、さらに、温度が変化した場合においても回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係るプローブの一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，５０，５１及び１００は図４と同一符号を付してあり、２０，２１，２２及び２３は電流値を可変できる電流源である。

抵抗５、トランジスタ６、電流源２０及び電流源２１はインピーダンス調整回路５２を構成し、抵抗１３、トランジスタ１４、電流源２２及び電流源２３はインピーダンス調整回路５３を構成している。差動アンプ１７、補償回路５０、補償回路５１、インピーダンス調整回路５２及びインピーダンス調整回路５３はプローブヘッド１０２を構成している。

電流源２０の一端は正電源”ＶＣＣ”に接続され、電流源２０の他端はトランジスタ６のコレクタ端子、抵抗７の一端、コンデンサ８の一端及び差動アンプ１７の非反転入力端子にそれぞれ接続される。電流源２１の一端は抵抗５の他端及びトランジスタ６のエミッタ端子にそれぞれ接続され、電流源２１の他端は負電源”ＶＥＥ”に接続される。

電流源２２の一端は正電源”ＶＣＣ”に接続され、電流源２２の他端はトランジスタ１４のコレクタ端子、抵抗１５の一端、コンデンサ１６の一端及び差動アンプ１７の反転入力端子にそれぞれ接続される。電流源２３の一端は抵抗１３の他端及びトランジスタ１４のエミッタ端子にそれぞれ接続され、電流源２３の他端は負電源”ＶＥＥ”に接続される。その他の接続に関しては図４と同じため、説明を省略する。

ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。図１に示す実施例の動作は図４の従来例とほぼ同一であり、異なる点は電流源を用いてトランジスタのエミッタ抵抗を変化させ、伝送線路のインピーダンスの整合を取ることである。

電流源２０の電流値”Ｉ_ｃｑ１”及び電流源２１の電流値”Ｉ_ｅｑ１”は、トランジスタ６が飽和せず、電流源２０及び電流源２１が正常に動作し、プローブ入力電圧定格内でトランジスタ６のコレクタ電圧が差動アンプ１７の入力電圧範囲内に収まるように決める。一般に、トランジスタ６の電流利得は十分大きいので、電流源２０の電流値”Ｉ_ｃｑ１”及び電流源２１の電流値”Ｉ_ｅｑ１”の関係は式（３）のようになる。

同様に、電流源２２の電流値”Ｉ_ｃｑ２”及び電流源２３の電流値”Ｉ_ｅｑ２”は、トランジスタ１４が飽和せず、電流源２２及び電流源２３が正常に動作し、プローブ入力電圧定格内でトランジスタ１４のコレクタ電圧が差動アンプ１７の入力電圧範囲内に収まるように決める。一般に、トランジスタ１４の電流利得は十分大きいので、電流源２２の電流値”Ｉ_ｃｑ２”及び電流源２３の電流値”Ｉ_ｅｑ２”の関係は式（４）のようになる。

トランジスタ６のエミッタ抵抗”ｒ_ｅ１”は、式（５）に示すようになる。ここで、”ｇ_ｍ１”は相互コンダクタンス（＝ｑＩ_ｃ１／ｋＴ）、”ｋ”はボルツマン定数（1.38e-23[JK^-1]）、”Ｔ”は温度（[K]）、”ｑ”は電子負荷（1.6e-19[C]）、”Ｉ_ｃ１”はトランジスタ６のコレクタ電流（[A]）、”β_ｏ”は電流利得である。

同様に、トランジスタ１４のエミッタ抵抗”ｒ_ｅ２”は、式（６）に示すようになる。ここで、”ｇ_ｍ２”は相互コンダクタンス（＝ｑＩ_ｃ２／ｋＴ）、”Ｉ_ｃ２”はトランジスタ１４のコレクタ電流（[A]）である。

式（５）より、トランジスタ６のコレクタ電流”Ｉ_ｃ１”を変化させるとエミッタ抵抗”ｒ_ｅ１”が変化することが分かる。すなわち、トランジスタ６のコレクタ電流”Ｉ_ｃ１”を大きくすればエミッタ抵抗”ｒ_ｅ１”が小さくなり、トランジスタ６のコレクタ電流”Ｉ_ｃ１”を小さくすればエミッタ抵抗”ｒ_ｅ１”が大きくなる。

同様に、式（６）より、トランジスタ１４のコレクタ電流”Ｉ_ｃ２”を変化させるとエミッタ抵抗”ｒ_ｅ２”が変化することが分かる。すなわち、トランジスタ１４のコレクタ電流”Ｉ_ｃ２”を大きくすればエミッタ抵抗”ｒ_ｅ２”が小さくなり、トランジスタ１４のコレクタ電流”Ｉ_ｃ２”を小さくすればエミッタ抵抗”ｒ_ｅ２”が大きくなる。

トランジスタ６のエミッタ抵抗”ｒ_ｅ１”をコレクタ電流”Ｉ_ｃ１”を変化させることで調整し、抵抗５の抵抗値”Ｒ_ｅ１”（固定値）とトランジスタ６のエミッタ抵抗の抵抗値”ｒ_ｅ１”を加算した抵抗値を伝送線路４の特性インピーダンス”Ｚ_ｏ１”に合わせて整合終端させる。

同様に、トランジスタ１４のエミッタ抵抗”ｒ_ｅ２”をコレクタ電流”Ｉ_ｃ２”を変化させることで調整し、抵抗１３の抵抗値”Ｒ_ｅ２”（固定値）とトランジスタ１４のエミッタ抵抗の抵抗値”ｒ_ｅ２”を加算した抵抗値を伝送線路１２の特性インピーダンス”Ｚ_ｏ２”に合わせて整合終端させる。

この結果、トランジスタのコレクタ端子及びエミッタ端子に電流源をそれぞれ接続し、これらの電流源によりコレクタ電流を制御してエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより、伝送線路の特性インピーダンスに合わせて整合を取ることができるので、寄生素子による影響の考慮及び特別な装置を必要とせずに、回路内に配線された伝送線路のインピーダンスの整合終端が可能になる。

なお、図１に示す実施例において電流源を用いてトランジスタのエミッタ抵抗を変化させているが、この電流源を電流出力のＤ／Ａ（Digital to Analog）変換器や電圧源と半固定抵抗で構成する等、電流値を変化させる手段が備わっているものであればよい。

また、図１に示す実施例において式（５）及び式（６）より、トランジスタのエミッタ抵抗は温度”Ｔ”により変化するが、コレクタ電流を調整することにより、エミッタ抵抗の変化量を打ち消すようにしてもよい。

この場合の具体例を図２に示す。図２は温度に比例した電流を出力する回路の構成ブロック図である。図２において２４は温度に比例した電圧を出力する温度センサ、２５は電圧を電流に変換する電圧電流変換回路である。温度センサ２４の出力端子は電圧電流変換回路２５の入力端子に接続され、電圧電流変換回路２５は出力電流を出力する。

温度センサ２４及び電圧電流変換回路２５を図１のプローブヘッド１０２内に内蔵し、式（５）に示すコレクタ電流”Ｉ_ｃ１”及び式（６）に示すコレクタ電流”Ｉ_ｃ２”に電圧電流変換回路２５から出力される出力電流をそれぞれ加算することで、温度”Ｔ”の変化分をコレクタ電流に加算した電圧電流変換回路２５の出力電流で打ち消すことができるので、トランジスタ６のエミッタ抵抗”ｒ_ｅ１”及びトランジスタ１４のエミッタ抵抗”ｒ_ｅ２”は温度に依存せずに一定の値を保つことが可能になる。

また、温度センサ２４の具体例を図３を用いて説明する。図３は温度センサ２４の回路図である。図３において２６は電流源、２７，２９及び３１は抵抗、２８及び３０はトランジスタ、３２は出力端子である。

電流源２６の一端は正電源”ＶＣＣ”に接続され、電流源２６の他端は抵抗２７の一端、抵抗２９の一端及び出力端子３２の一端にそれぞれ接続される。抵抗２７の他端はトランジスタ２８のコレクタ端子、ベース端子及びトランジスタ３０のベース端子にそれぞれ接続され、トランジスタ２８のエミッタ端子は接地される。

抵抗２９の他端はトランジスタ３０のコレクタ端子及び出力端子３２の他端にそれぞれ接続され、トランジスタ３０のエミッタ端子は抵抗３１の他端に接続される。抵抗３１の他端は接地される。

ここで、図３に示す回路の動作を説明する。トランジスタ２８のベース−エミッタ間電圧を”Ｖ_ＢＥ１”、トランジスタ３０のベース−エミッタ間電圧を”Ｖ_ＢＥ２”とすると、トランジスタ２８及びトランジスタ３０のベース−エミッタ間電圧の差である”ΔＶ_ＢＥ”は式（７）に示すようになる。”Ｉ_１”は抵抗２７に流れる電流、”Ｉ_２”は抵抗２９及び抵抗３１に流れる電流、”Ｒ_１”は抵抗３１の抵抗値である。

式（７）より、”ΔＶ_ＢＥ”は温度”Ｔ”に比例することが分かる。また、”Ｉ_２”は式（８）のように示されるので、抵抗２９の抵抗値を”Ｒ_２”とすると、出力電圧”Ｖ_Ｔ”は式（９）に示すようになる。

式（９）より、出力電圧”Ｖ_Ｔ”はトランジスタ２８及びトランジスタ３０のベース−エミッタ間電圧の差である”ΔＶ_ＢＥ”が抵抗２７の抵抗値”Ｒ_１”と抵抗２９の抵抗値”Ｒ_２”の比率分増幅される。

この結果、抵抗２７に電流”Ｉ_１”を流し、抵抗２９及び抵抗３１に電流”Ｉ_２”を流し、トランジスタ２８及びトランジスタ３０のベース−エミッタ間電圧の差である”ΔＶ_ＢＥ”に比例した出力電圧”Ｖ_Ｔ”をモニタすることにより、”ΔＶ_ＢＥ”が温度”Ｔ”に比例しているので、温度を電圧出力で測定することが可能になる。

また、図１に示す実施例において差動プローブの場合を示しているが、必ずしも差動である必要は無く、シングル構成のプローブとしてもよい。この場合、プローブピン９、抵抗１０、コンデンサ１１、伝送線路１２、抵抗１３、トランジスタ１４、抵抗１５、コンデンサ１６、電流源２２及び電流源２３が削除され、差動アンプ１７が１入力のアンプになる。

また、図１に示す実施例において電流源２０、電流源２１、電流源２２及び電流源２２は電流値が可変できるものを使用しているが、必ずしもこのようにする必要は無く、トランジスタ６及びトランジスタ１４の特性に合わせて、予め電流値が固定された電流源を使用してもよい。

本発明に係るプローブの一実施例を示す構成ブロック図である。温度に比例した電流を出力する回路の構成ブロック図である。温度センサの回路図である。従来のプローブの一例を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１，９プローブピン
２，５，７，１０，１３，１５，１８，２７，２９，３１抵抗
３，８，１１，１６コンデンサ
４，１２，１９伝送線路
６，１４，２８，３０トランジスタ
１７差動アンプ
２０，２１，２２，２３，２６電流源
２４温度センサ
２５電圧電流変換回路
３２出力端子
５０，５１補償回路
５２，５３インピーダンス調整回路
１００，１０１，１０２プローブヘッド

Claims

高周波信号測定に用いるプローブにおいて、
被測定対象に接触するプローブヘッドと、
このプローブヘッドからの信号を伝送する伝送線路と、
この伝送線路に接続されトランジスタのエミッタ抵抗の抵抗値を調整することにより前記伝送線路の特性インピーダンスに合わせて整合を取るインピーダンス調整回路と、
このインピーダンス調整回路の周波数特性を補償する補償回路と、
前記インピーダンス調整回路の出力信号を増幅するアンプと
を備えたことを特徴とするプローブ。
前記インピーダンス調整回路が、
一端が前記伝送線路に接続される抵抗と、
エミッタ端子が前記抵抗の他端に接続され、コレクタ端子が前記補償回路に接続されると共にベース端子が接地されるトランジスタと、
一端が正電源に接続されると共に他端が前記トランジスタのコレクタ端子に接続される第１の電流源と、
一端が前記抵抗の他端及び前記トランジスタのエミッタ端子にそれぞれ接続されると共に他端が負電源に接続される第２の電流源とから構成されることを特徴とする
請求項１記載のプローブ。
前記第１の電流源若しくは前記第２の電流源が、
Ｄ／Ａ変換器から構成されることを特徴とする
請求項２記載のプローブ。
前記第１の電流源若しくは前記第２の電流源が、
電圧源と、
半固定抵抗とから構成されることを特徴とする
請求項２記載のプローブ。
前記第１の電流源若しくは前記第２の電流源が、
温度センサを有し、温度変化によって出力電流を制御することを特徴とする
請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のプローブ。