JP2945015B2 - 直流バイアス印加装置 - Google Patents

直流バイアス印加装置

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JP2945015B2 JP63167910A JP16791088A JP2945015B2 JP 2945015 B2 JP2945015 B2 JP 2945015B2 JP 63167910 A JP63167910 A JP 63167910A JP 16791088 A JP16791088 A JP 16791088A JP 2945015 B2 JP2945015 B2 JP 2945015B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、インピーダンス測定における直流バイアス
の印加装置に係り、特にインダクタンス測定における直
流バイアス電流の印加装置に関する。
〔従来技術およびその問題点〕
インダクタは、磁心の飽和などの原因により直流バイ
アス電流によってそのインダクタンス値を異にする。し
たがって、その素子の実際の使用状態と同様の条件でイ
ンダクタンスを測定したい場合、通常のインダクタンス
・メータと共に直流バイアス電源を使用している。この
ような測定における問題点は、被測定素子と並列に接続
された直流バイアス電源に交流測定信号が流れるためイ
ンピーダンス測定に誤差が生じてしまうことである。
そこで、直流バイアス下のインダクタンスを測定する
従来方法について、図面を参照しながら説明する。まず
従来例の一つは、第7図(a)に示すように、被測定素
子と比較してインダクタンスの充分大きいインダクタ74
をバイアス電源と被測定素子との間に接続することであ
る。インピーダンス測定器71は、端子HC,LCから被測定
素子72に交流電流をかけ、端子HP,LPで交流電圧を測り
そのベクトル比を求めることによって被測定素子の値を
決定する一般的な測定器である。いま、端子HCからの電
流iacは、端子Hdおいて、被測定素子72を流れる電流id
とバイアス電源側に流れる電流ieに分かれる。このとき
の分流比は、主として被測定素子72とインダクタ74のイ
ンピーダンスの比によって決定される。電流ieはキャパ
シタCおよび電圧源Eを通ってインピーダンス測定器の
LC端子に流れ込む。測定器71では、(id+ie)という電
流が被測定素子72を流れたものとして処理するため、測
定値に誤差が生じる。この誤差を少なくするためには、
ieを少なくすればよく、そのためにはインダクタ74のイ
ンダクタンスは、被測定素子に対して非常に大きくする
必要がある。例えば、測定周波数100Hzにおいて被測定
素子の真のインピーダンスが1kΩ(約1.6H)の場合、誤
差10%以内で測定を行いたいとすると、インダクタ74
は、そのおよそ10倍の16H以上が必要となる。さらにこ
のインダクタ74には被測定素子72に印加したい直流電流
と同じ値の電流が流れるわけであるから、例えばバイア
ス電流が10Aのときに、上記のような大きなインダクタ
ンス値を有するインダクタ74は物理的にも巨大なものと
なってしまう欠点があった。
他の方法として、第7図(b)に示すように、インダ
クタ74の代わりに並列共振回路76を設けることが考えら
れる。共振周波数においてはHC,HP端子と被測定素子と
の接続点から直流バイアス源を見たインピーダンスは極
めて大きくなるので、高確度の測定を行うことができる
が、測定周波数が共振周波数に限定されるため汎用性に
欠けるという欠点があった。
ところで、直流バイアスの印加方法にはもう一つの問
題がある。第8図(a)は、システムの外観を示してい
る。該システム81はインダクタンス測定ユニット81と直
流バイアス電源ユニット82とを有しており、被測定素子
は電源ユニット82に直接またはその近傍に取り付けられ
た測定端子84に接続され、測定されるようになってい
る。
しかし、測定環境によっては、作業性を良くするた
め、第8図(b)のようにケーブルでプローバ85を延長
接続することが望ましい。ところが、延長ケーブルに起
因する新たな問題を生じる。バイアス電流は矢印I1に示
すように電源83から流れ出てバイアス・ケーブル88Aを
流れ、プローバ85の被測定素子86を通り、矢印I2に示す
ようにバイアス・ケーブル88Bを流れて再び電源83に帰
る。このため、この構成では2つの問題を生じる。第1
の問題点は、バイアス・ケーブル88A,88B間に容量(キ
ャパシタンス)が形成されることである。仮にこの2本
の接続ケーブルを第9図(a)に示すような平行導体で
あると考えると、導体間の容量、すなわちバイアス・ケ
ーブル間の容量Cは、ほぼ次式で表される。
この容量Cを通じて、インダクタンス・メータの測定
信号は、結合(ACカップリング)し、測定誤差をより拡
大する。例えば、1〔m〕のバイアス・ケーブル88A,88
Bをぴったりと寄り合わせた場合(D≒2r)のケーブル
間容量は、例えば約40pFとなり、測定周波数1MHzで1kΩ
のインピーダンスを測定する際には、約4kΩの浮遊イン
ピーダンスが並列に印加されたことになるため20%程度
の測定誤差を生じる。また、この容量はケーブル間の距
離に大きく依存するため、測定再現性を向上させようと
すると2本のケーブル88A,88Bを何らかの態様で固定し
なければならず、作業性を悪くする。
第2の問題点は、バイアス電流I1,I2が発生させる磁
界である。バイアス・ケーブルから距離aの点に生じる
磁界は、次のように表される。
これが、他の機器を誤動作させるなどの理由により製
品規格を満足しないことがある。例えば、20〔A〕のバ
イアス電流を供給している際、ケーブルから距離1cmの
点にできる磁界はケーブル一本につきB=4×10-4〔Wb
/m2〕すなわち4ガウスになる。さらに第9図に示す点
Pにおいてはケーブル一本の場合に2倍、すなわち8ガ
ウスの磁界ができる。
上記問題点に対し、第9図(b)に示すように、各ケ
ーブル88A,88Bをシールド91によりシールドすれば、ケ
ーブル間容量の発生を防止することができるが、磁界の
発生については防止することができないという欠点があ
った。
また第9図(c)に示すように、同軸ケーブル93を使
用すれば、バイアス電流は心線93aおよび外被93bをそれ
ぞれ反対方向に流れるのでケーブルの外側に磁界は発生
しない。しかし、逆に心線93aおよび外被93b間の容量が
大きくなってしまうという欠点があった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、上記した従来技術の欠点を除くためになさ
れたものであって、その目的とするところは、直流バイ
アス下のインピーダンス測定、とりわけインダクタンス
測定において、交流カット用の大きなインダクタンスを
使用する必要をなくし、これによって装置の小型化およ
びコストダウンを図り、測定精度を飛躍的に向上させる
ことである。また他の目的は、測定周波数に依存せず、
全ての周波数に渡って高い測定精度を維持することを可
能にすることである。さらに他の目的は、測定精度を低
下させずに、インピーダンス測定装置および直流バイア
ス電源からフィクスチュアまでケーブルを用いて延長す
ることを可能にすることである。また他の目的は、大き
な直流バイアス電流により発生する磁束を防止すること
である。さらに他の目的は、通常のインピーダンス測定
器を使用して、とりわけ、接続方法として優れた4端子
対法を使用することが可能なインピーダンス測定器を使
用することができるようにすることである。また他の目
的はインピーダンス測定器に一切の変更を加えないで測
定システムを構成できるようにすることである。
〔問題点を解決するための手段〕
要するに本発明(第1発明)は、 本発明による、インピーダンスを測定する被測定素子
に対して直流バイアスを印加する装置は、その第1の端
子が第1の線によって前記被測定素子の一方の端子に接
続され、その第2の端子が第2の線によって接続点に接
続された、少なくとも一つのインピーダンス性装置(本
明細書における「インピーダンス性装置」とは、その接
続端子間において何らかのインピーダンスを有する装置
のことを意味する。)と、その第1の端子が第3の線に
よって前記接続点に接続され、その第2の端子が第4の
線によって前記被測定素子の他方の端子に接続された、
少なくとも一つのインピーダンス性装置とを具備してお
り、前記インピーダンス性装置の少なくとも一つは直流
バイアス電源であり、前記接続点は、測定系における少
なくとも1つの共通電位点へ接続されていることを特徴
としている。
また、本発明による直流バイアス印加装置は、前記第
2の線が前記第1の線を囲んだシールド線であり、前記
第3の線が前記第4の線を囲んだシールド線であり、前
記第1の線と前記第2の線が対を成し、前記第3の線と
第4の線が対を成して、夫々往復線路を形成することが
好ましい。
さらに、本発明による直流バイアス印加装置は、前記
第1と第2の線が、前記第1の線を芯線、前記第2の線
を外皮とする同軸ケーブルであり、前記第3と第4の線
が、前記第4の線を芯線、前記第3の線を外皮とする同
軸ケーブルであることが好ましい。
〔実施例〕
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明す
る。まず、第4図の回路図をもとにして本発明の原理を
説明する。インピーダンス測定器41は、第7図の従来例
において説明したインピーダンス測定器71と同様の物で
ある。被測定素子たるインダクタ42には、インピーダン
ス性装置の一例たる2個の直流バイアス電源43A,43Bが
接続されており、それら直流バイアス電源43A,43Bによ
って直流バイアス電流IDCが供給される。一方、インピ
ーダンス測定器のHC端子からの測定信号電流iacは、端
子Hdにおいて、被測定素子42のインピーダンスと電源43
A,43Bのインピーダンス(主にインダクタL1のインピー
ダンス)との比によって分流され、被測定素子には電流
idが流れ、電源側には電流ibが流れる。次にibはキャパ
シタC1または電圧源E1を通り、接続点Gにおいて、共通
電位点に接続された線45に流れ込む電流ib1と電源43B側
へ流れる電流ib2とに分流される。この接続点Gは、本
明細書においては「共通接続点」とも称しており、2つ
のインピーダンス性装置が直列に接続されている点のこ
とを指す。本発明においては、測定系の共通電位を有す
る点(共通電位点)に接続される。このib2は、第7図
の従来例と同様に測定値の誤差を生じさせる原因となる
が、ここでib1とib2との分流比に注目すると、この分流
比はほぼ共通電位点に接続された線45のインピーダンス
ZGとインダクタL2のインピーダンスとの比で決まってお
り、ZGは実際の装置において実質上ほとんど0Ωに近い
値にすることができるため、ib2/ib1≒0(すなわちi
b2≒0)とすることが可能である。したがって、LCに流
れ込む電流は、(id+ib2)≒idとなり、極めて誤差の
少ないバイアス印加が実現できる。例えば、測定周波数
において被測定素子のインピーダンスが1kΩ、L1 L2
インピーダンスがともに100Ωである場合、仮に共通電
位点に接続された線のインピーダンスZG=10mΩあった
としてもib2/ib1≒10-3程度であるため、直流バイアス
電源による誤差は0.1%となる。さらに、このインピー
ダンスZGは、周波数に依存しないため、広い周波数領域
にわたって(ib2/ib1)≒0となる。
なお、第4図による原理の説明において、バイアス電
源回路は、図示のようにインダクタ、キャパシタ、電圧
源によって構成されるものとして説明したが、もちろん
これに限定されるものではない。例えば、インダクタの
代わりに抵抗器を使用する、電圧源の代わりに電流源を
使用する、あるいはキャパシタを使用しない、あるいは
電流源のみを使用するというような構成が代替例として
考えられる。
さらに、第4図においては、2つのバイアス電源回路
が直列に接続されているものとして説明したが、これに
限定されるものではなく、2つのインピーダンス性装置
のうち少なくとも一方がバイアス電源回路であればよ
い。例えば、端子48a,48bへ、バイアス電源43Aの代わり
に、インダクタや抵抗器のみを接続してもよい。あるい
は、電圧源E1またはE2の電圧が0〔V〕である場合を考
えてもよい。重要なことは、互いに直列に接続されてお
り且つ少なくとも一方が直流バイアス電源である複数の
インピーダンス装置の間の共通接続点において、充分大
きな分流比が得られるようにすることであり、種々の変
形が可能であることは当業者には明らかであろう。但
し、出願人が、最良であると考えるのは、電流源を直列
に接続したものなので、以下の実施例においては、電流
源を図示するものとする。
なおここで、添付図面に使用する記号について付言す
る。これらの記号で表現された構成要素は、必ずしも理
想的なもの、例えば電流源においてはインピーダンス∞
の電流源を意味するものではなく、実際のデバイスを図
示の都合上簡略化して表現したものである。同様に、添
付図面における導線は、等価回路表現における抵抗0を
意味する部分と、実際の電線・ケーブルのシンボルとし
て僅かなインピーダンスを有するものであることを意味
する部分とを含む。これらの区別は、本明細書の全趣旨
から当業者には容易に理解できるものと思われる。
次に、第5図の実施例を参照しながら、本発明の特徴
についてより詳細に説明する。図面には、いわゆる5端
子法により接続されたインピーダンス測定器51及び被測
定素子52が示されている。被測定素子52に電流を供給す
る電線、被測定素子52の電圧を測定するための電線57A
乃至57Dはそれぞれシールド線57によってシールドされ
ており、浮遊容量による電流はこれらシールド線を流れ
るので測定値に影響しないため、高インピーダンスの測
定に有効である。2個のバイアス電流源53A,53Bは、同
軸ケーブル54A,54Bによって、被測定素子52に接続され
る。同軸ケーブル54Aおよび54Bの外部導体は、導線55に
よってそれぞれ互いに接続されており、さらにそれらは
導線58によってシールド線57に接続されている。直流バ
イアス電流IDCは、バイアス電流源53Aから順に、同軸ケ
ーブル54Aの心線、被測定素子52、同軸ケーブル54Bの心
線、バイアス電流源53B、同軸ケーブル54Bの外被線、導
線55、同軸ケーブル54Aの外被線、バイアス電流源53A、
という経路を通る。
一方、交流測定信号iacは、端子Hdでibとidとに分流
され、ibはさらに導線58を通ってシールド線57側に流れ
る電流ib1と、電源53B側に流れる電流ib2とに分流され
る。上記の説明と同様この分流比は、回路のインピーダ
ンス比によって決まるので、ib2≒0となり、ibはほと
んど全てシールド線57に流れるので、インピーダンス測
定器51の電流検出部には被測定素子52を流れた電流id
みが検出される。ここで、注目すべきことは、同軸ケー
ブル54A,54Bの外被線とシールド線57との間の接続の距
離を短くすることができる、即ち導線58の長さを短くす
ることができるので、ib1とib2との分流比を極めて大き
くすることができるということである。
次に、本願出願人が最良のものであると考える実施例
の一つを説明する。第1図は、本発明を、4端子対法に
よるインピーダンス測定において適用したものを示す。
測定電流は、交流電源11から同軸ケーブル6Aの中心導体
を通って被測定素子(DUT)2に流れ、電流計13を通
る。同軸ケーブル6D及び同軸ケーブル6Aの外部導体は、
この電流の帰路を形成する。往路・帰路(本明細書にお
いて、これら往路と帰路が対になった線路を「往復帰
路」と称する)の電流のバランスがとれていれば、同軸
ケーブルの中心導体と外部導体とによって生じる磁束は
互いに打ち消しあい、したがって同軸ケーブル間の相互
インダクタンスによって生じる測定誤差が避けられる。
前記バランスが崩れると、被測定素子2の端子Ldに接続
された零電位検出増幅器15に誤差電流が流れ、増幅され
た誤差電流が0になるまで、電流計13側にフィードバッ
クされる。これにより端子Ldと同軸ケーブル6C,6Bの外
部導体との間の電位差は0になるので、電圧計12は、端
子Ldと端子Hdとの間の電圧を測定することになる。直流
バイアス電源3A,3Bと被測定素子2との接続は、第5図
の実施例とほぼ同様となっている。但し、注意すべきこ
とは、第5図における57はシールド線として使用される
ものであって、導線58はこのシールド線に対する接続を
おこなうものであるのに対して、第1図における同軸ケ
ーブル6Aは中心導体・外部導体にそれぞれ逆方向の同一
電流を流すためのものであって、導線8は中心導体から
流れ出た電流を外部導体に還流させるためのものである
という点において相違することである。
第2図は、第1図の実施例を適用したシステムの外観
を示す。テストフィクスチュア16は、端子Hd用コンタク
ト16Hと端子HL用のコンタクト16Lとを備えており、それ
ぞれ直流カット用コンデンサを介してケーブル6A乃至6D
の中心導体に接続されている。また、導線8による同軸
ケーブル4Aと同軸ケーブル6Aとの接続も、テストフィク
スチュア16内でなされている。
第3図に電流源3A,3Bを構成する電源装置の終段の回
路図を示す。31A,31Bは、パワーMOSFETである。制御電
圧入力端子32A,32Bには、絶対値が等しく互いに逆極性
の制御電圧が、従来技術によって構成することができる
制御電圧発生回路(図示せず)によって印加される。直
流バイアス電流の大きさは、 IDC=V1/Rsense のようになる。
次に、第1図および第2図の実施例の動作を説明す
る。直流バイアス電流は、電流源3Aから順に、ケーブル
4Aの中心導体→被測定素子2→ケーブル4Bの中心導体→
電流源3B→ケーブル4Bの外部導体→導線5→ケーブル4A
の外部導体→電流源3Aの経路を流れる。同軸ケーブル4A
及び4Bの、それぞれ中心導体及び外部導体を流れる電流
の大きさは等しいので、ケーブル外部に磁束は生じな
い。
電源11からの交流測定信号は、端子Hdで一部が電流iC
として分流され、ケーブル4Aの中心導体へと流れる。ケ
ーブル4Aの中心導体・外部導体間の容量などのリアクタ
ンスを介してケーブル4Aの外部導体を戻ってきた電流
は、導線8の電流ic1と導線5の電流ic2とに分流され
る。しかし、分流点から見た導線5側のインピーダンス
は導線8側に比較して極めて大きい。すなわち、導線5
は電流源3Bに接続されているのに対して、導線8はケー
ブル6Aの外部導体に直接接続されており、しかもフィク
スチュア16内で接続されているため導線8自体極めて短
い。これにより ic2=0 ic1=iC となる。
電流計13は、被測定素子2に流れる交流測定信号id
みを測定するので、iCの影響を全く受けず精確な測定が
可能である。
上記実施例においては、2対の往復線路を介して直列
接続された2つの電流源間の共通接続点とインピーダン
ス測定器側のシールド線との接続が、被測定素子の近傍
で行われるものとして説明したが、かならずしもこれに
限定されるものではなく、2つのバイアス電源間の共通
接続点から比較的長く延長することもできる。また、直
流バイアス供給用ケーブルは必ずしも同軸ケーブルを使
用しなくてもよく、磁界の発生が問題にならない場合に
は、単線や平行電線を使用してもよい。また、上記実施
例においてインピーダンス測定器と、被測定素子の両端
子との間には、直流遮断用コンデンサが設けられてい
る。このコンデンサの位置は、第1図のように被測定素
子の近傍のフィクスチュアの内でもよく、第4図のよう
にインピーダンス測定器41の外部且つその近傍でもよ
い。また第5図のように直流遮断用コンデンサ56A乃至5
6Dを具備したインピーダンス測定器51ではそれを利用で
きる。但し、直流遮断用コンデンサは本発明の実施例に
必要不可欠なものではない。
さらに、第6図に別実施例を示す。第1図の実施例と
同一の構成部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省
略する。本実施例は、第1図の実施例に加えて保護回路
60を備えている。直流バイアス電源3A,3Bの電流の大き
さに一時的に差異が生じると装置に過度の負担がかか
り、測定器等を破損・劣化させる恐れがある。保護回路
60は、端子Hdへ流入する直流電流と端子Ldから吸い込む
直流電流とを等しくするためのものであって、いわゆる
アクティブ・インダクタンス回路からなる。63は、制御
電源である。この回路図を第6図(b)に示す。これに
より端子Ldの直流電位に対応して、端子Ldから吸い込む
電流を増減するようになっている。
以上のように、本発明の実施例を説明したが、本発明
は直流バイアス電源から被測定素子までケーブルで延長
する場合にのみ適用されるものではないことは言うまで
もない。例えば、第8図(a)のようなシステムに適用
しても、多大な効果を発揮することは容易に理解される
ものと思われる。
〔効果〕
本発明は、上記のように構成され、作用するものであ
るから、直流バイアス下のインピーダンス測定、とりわ
けインダクタンス測定において、交流遮断用の大きなイ
ンダクタを使用する必要がなくなり、これによって装置
が小型化し、測定精度が飛躍的に向上するという効果が
得られる。また、測定周波数に依存せず、全ての周波数
にわたって高い測定精度を維持することが可能になると
いう効果を奏する。さらに、測定精度を低下させずに、
インピーダンス測定装置および直流バイアス電源からフ
ィクスチュアまでケーブルを用いて延長することが可能
となる効果が得られる。また、直流バイアス電流が供給
されるケーブルからの磁束の発生が防止されるという効
果が得られる。また、4端子対法によるインピーダンス
測定における、直流バイアス電流の印加にも適用するこ
とができるという効果が得られる。さらにインピーダン
ス測定器に一切の変更を加えずに測定システムが提供で
きるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図乃至第6図は本発明の実施例に係り、第1図は第
1実施例に係る直流バイアス印加装置を示す電気回路
図、第2図は第1実施例の外観を示す斜視図、第3図は
第1実施例の直流バイアス電流源の終段部の電気回路
図、第4図は本発明の原理を説明するための電気回路
図、第5図は第2実施例に係る電気回路図、第6図は第
3実施例に係る電気回路図、第7図は従来の測定方法を
示す電気回路図、第8図は第7図の従来例の外観を示す
斜視図、第9図は従来例の問題点を説明するためのケー
ブルの斜視図である。 2,42,52:被測定素子、Hd:被測定素子の一方の端子、G:
接続点、Ld:被測定素子の他の一方の端子、3A,3B,43A,4
3B,53A,53B:インピーダンス性装置の一例たる直流バイ
アス電源、45,57:交流測定電流のインピーダンス測定に
対する影響を除去するための接続線の一例たるガード
線、6A,6B,6C,6D:交流測定電流のインピーダンス測定に
対する影響を除去するための接続線たる、4端子対接続
法における外部導体を有する同軸ケーブル、4A,54A:第
1の往復線路たる同軸ケーブル、4B,54B:第2の往復線
路たる同軸ケーブル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01R 27/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】インピーダンス測定装置に接続される被測
    定素子に並列に接続して該被測定素子に直流バイアスを
    印加する装置であって、 それぞれ2つの端子を備え、少なくとも1つが直流バイ
    アス電源を含んでいる、第1と第2のインピーダンス性
    装置を直列に接続して備えており、 前述インピーダンス性装置の直列接続において互いに接
    続されていない2つの端子が夫々前記被測定素子の対応
    する端子に接続され、前記2つのインピーダンス性装置
    の相互接続点は測定系の共通電位に接続される ことを特徴とする直流バイアス印加装置。
  2. 【請求項2】インピーダンス測定装置に接続される被測
    定素子に並列に接続して該被測定素子に直流バイアスを
    印加する装置であって、 その第1の端子が第1の線によって前記被測定素子の一
    方の端子に接続され、その第2の端子が第2の線によっ
    て接続点に接続される第1のインピーダンス性装置と、 その第1の端子が第3の線によって前記接続点に接続さ
    れ、その第2の端子が第4の線によって前記被測定素子
    の他方の端子に接続される第2のインピーダンス性装置
    と を具備しており、 前記第1及び第2のインピーダンス性装置の少なくとも
    1つは直流バイアス電源であり、 前記接続点は、測定系における共通電位点へ接続され、 前記第2の線は前記第1の線を囲んだシールド線であ
    り、 前記第3の線は前記第4の線を囲んだシールド線であ
    り、 前記第1の線と前記第2の線が対を成し、前記第3の線
    と前記第4の線が対を成して、夫々往復線路を形成して
    いる ことを特徴とする直流バイアス印加装置。
  3. 【請求項3】前記第1と第2の線は、前記第1の線を芯
    線、前記第2の線を外皮とする同軸ケーブルであり、前
    記第3と第4の線は、前記第4の線を芯線、前記第3の
    線を外皮とする同軸ケーブルであることを特徴とする、
    請求項2に記載の直流バイアス印加装置。
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