JP5774386B2 - インピーダンス測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物のインピーダンスを、直流電圧を重畳させた交流電圧を測定対象物に印加して測定するインピーダンス測定装置に関するものである。

測定対象物に交流信号を印加して、流れた交流電流、及び測定対象物の両端に発生した交流電圧から、測定対象物のインピーダンスを演算して求めることが行われている。このようなインピーダンス測定装置としては、インピーダンス測定装置やインピーダンスアナライザと呼ばれるものの他に、例えば、ＬＣＲメータ、抵抗計、静電容量計などがある。インピーダンスとして抵抗、静電容量やインダクタンスを測定する装置もインピーダンス測定装置に含まれる。

測定対象物の中には、例えば大容量の積層コンデンサのように、印加される直流バイアス電圧のレベルによってインピーダンスが変わるものがある。このような測定対象物のインピーダンスを測定する場合には、所定の直流バイアス電圧を測定対象物に印加しつつ測定することが行われている。例えば、特許文献１には、交流電圧に直流電圧（直流バイアス電圧）を重畳させた試験電圧を測定対象物（測定対象体）に印加するインピーダンス測定装置が記載されている。このインピーダンス測定装置では、直流電圧源が出力抵抗を介して測定対象物に直流バイアス電圧を印加している。この出力抵抗は、出力が短絡した場合に直流電圧源を保護するためのものであり、例えば５０Ωや１００Ω程度に設定されている。

このように、１００Ω程度の出力抵抗が入っていたとしても、コンデンサのような直流抵抗が非常に高い測定対象物の場合、出力抵抗には直流電流が流れないため、直流電圧源の出力電圧が直流バイアス電圧として測定対象物にそのまま印加される。

しかしながら、測定対象物の直流抵抗が低い場合、直流電流が測定対象物に流れ、直流電圧源の出力抵抗と、測定対象物の直流抵抗とによって、直流電圧源の出力電圧が分圧されてしまい、意図した直流バイアス電圧が測定対象物に印加されなくなる。そうすると、所望する測定条件での測定が行えなくなり、測定精度が悪化してしまう。

特開２００７−１３２７７８号公報

本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、測定対象物の直流抵抗の高低によらず、所定の直流バイアス電圧を測定対象物に確実に印加しつつ測定用の交流電圧を印加してインピーダンスを測定することができるインピーダンス測定装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載されたインピーダンス測定装置は、直流電圧を重畳させた交流電圧を、所定の直流出力抵抗で測定対象物に出力する信号源と、該測定対象物に流れる電流を検出する電流検出部と、該測定対象物の両端電圧を検出する電圧検出部と、該電流検出部及び該電圧検出部の出力を読み込んで、該測定対象物のインピーダンスを演算する演算処理部とを備えるインピーダンス測定装置であって、該直流電圧のみ、又は該直流電圧を重畳させた該交流電圧を該信号源から出力させた状態で、該電圧検出部又は該演算処理部と、該信号源とが、所定の直流バイアス電圧を該測定対象物に印加させるフィードバック関係で接続される。

さらに請求項１に記載のインピーダンス測定装置は、該演算処理部が、該信号源を制御して該直流電圧のみを該測定対象物に出力させ、該電流検出部及び該電圧検出部の出力を読み込んで該測定対象物の直流抵抗を演算し、該信号源の該直流出力抵抗と該直流抵抗とに基づいて該測定対象物に該所定の直流バイアス電圧が印加されるように、該信号源をフィードバック制御することを特徴とする。

請求項２に記載のインピーダンス測定装置は、請求項１に記載のもので、前記演算処理部が、前記電圧検出部の出力を読み込んで前記所定の直流バイアス電圧が前記測定対象物に印加されるまで、前記フィードバック制御を繰り返し行うことを特徴とする。

請求項３に記載のインピーダンス測定装置は、請求項１又は２に記載のもので、前記電流検出部及び前記電圧検出部の出力を、直流結合及び交流結合のいずれかで前記演算処理部が読み込むように切り換え可能なスイッチ部を有し、前記演算処理部が、該スイッチ部を直流結合に切り換えて前記フィードバック制御を行い、該スイッチ部を該交流結合に切り換えて前記測定対象物のインピーダンスの演算を行うことを特徴とする。

請求項４に記載のインピーダンス測定装置は、請求項１に記載のもので、前記電圧検出部が、前記測定対象物の両端電圧を差動増幅する差動増幅器を有しており、前記信号源が、交流電圧源と、負の直流電圧源と、これら両電圧源の出力を加算する加算回路と、該加算回路の出力が反転入力端子に入力されると共に、該差動増幅器の出力端子が該反転入力端子にフィードバック接続され、非反転入力端子が基準電位に接続された演算増幅器とを備えることを特徴とする。

請求項５に記載のインピーダンス測定装置は、請求項４に記載のもので、前記加算回路の出力が入力抵抗を介して前記反転入力端子に入力され、前記差動増幅器の出力端子が前記反転入力端子に帰還抵抗を介してフィードバック接続されていることを特徴とする。

本発明のインピーダンス測定装置によれば、電圧検出部又は演算処理部と、信号源とが、所定の直流バイアス電圧が測定対象物に印加されるようにフィードバック関係で接続されていることにより、測定対象物の直流抵抗の高低によらず、所定の直流バイアス電圧を測定対象物に確実に印加することができるため、所望の測定条件でインピーダンスを精度良く測定することができる。

演算処理部が、最初に測定対象物の直流抵抗を測定し、信号源の直流出力抵抗と測定対象物の直流抵抗との分圧比に基づいて、測定対象物に所定の直流バイアス電圧が印加されるように信号源の出力する直流電圧をフィードバック制御する場合、測定対象物の直流抵抗を実際に測定しているため、測定対象物に所定のバイアスを確実に印加させることができる。

演算処理部が、電圧検出部の出力を読み込んで所定の直流バイアス電圧が測定対象物に印加されるまで、フィードバック制御を繰り返し行う場合、測定対象物の直流抵抗に電圧依存性があったとしても、所定の直流バイアス電圧を確実に印加させることができる。

演算処理部が、電流検出部及び電圧検出部の出力を、直流結合で読み込んでフィードバック制御を行い、交流結合で読み込んで測定対象物のインピーダンスの演算を行う場合、フィードバック制御時とインピーダンス測定時とで、測定のダイナミックレンジを変更することが容易になる。したがって、所定の直流バイアス電圧を重畳させつつ、測定対象物のインピーダンスを精度良く測定することができる。

電圧検出部が、測定対象物の両端電圧を差動増幅する差動増幅器を有しており、信号源が、交流電圧源と、負の直流電圧源と、これら両電圧源の出力を加算する加算回路と、加算回路の出力が反転入力端子に入力されると共に、差動増幅器の出力端子が反転入力端子にフィードバック接続され、非反転入力端子が基準電位に接続された演算増幅器と、所定の直流出力抵抗として演算増幅器の出力端子に接続された出力用抵抗とを備える場合、測定対象物に所定の直流バイアス電圧が印加されるように回路が自動的にフィードバック動作する。したがって、演算処理部がフィードバック制御のための処理を行うことが不要になり、短時間で測定を行うことができる。

信号源の加算回路の出力が入力抵抗を介して演算増幅器の反転入力端子に入力され、電圧検出部の差動増幅器の出力端子が反転入力端子に帰還抵抗を介してフィードバック接続されている場合、入力抵抗と帰還抵抗との比によって決まる増幅度で、信号源の両電圧源の出力電圧が増幅されて測定対象物に印加されるので、例えば、増幅度を大きくして、出力可能な最大電圧レベルの小さな両電圧源を用いるなど、設計の自由度を高くすることができる。

本発明を適用するインピーダンス測定装置のブロック図である。 本発明を適用するインピーダンス測定装置の動作を示すフローチャートである。 本発明を適用する他のインピーダンス測定装置のブロック図である。 本発明を適用する他のインピーダンス測定装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されるものではない。

図１に示すインピーダンス測定装置１は、信号源２、電流検出部３、電圧検出部４、Ａ／Ｄ変換器２５，２６、及び演算処理部５を備え、所定の直流バイアス電圧を測定用の交流電圧（交流測定電圧）に重畳させて測定対象物（ＤＵＴ）９０に印加して、４端子法でＤＵＴ９０のインピーダンスを測定可能なものである。このインピーダンス測定装置１は、所定の直流バイアス電圧をＤＵＴ９０に印加させるように、演算処理部５と信号源２とがフィードバック関係で接続されており、演算処理部５がデジタル的に演算処理を行って信号源２をフィードバック制御している。以下、具体的に説明する。

信号源２は、直流電圧を重畳させた交流電圧を、所定の直流出力抵抗でＤＵＴ９０に出力するものである。具体的には、信号源２は、交流電圧源１１、直流電圧源１２、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、加算回路１３、出力用抵抗Ｒ０、及び電流供給端子Ｈｃを備えている。交流電圧源１１は、例えば１ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚなどのような測定に使用する所定の周波数の交流電圧を出力するものである。交流電圧源１１は、出力する交流周波数及び交流電圧を演算処理部５によって制御される。交流電圧源１１は、スイッチＳＷ１を介して加算回路１３の一の入力端子に接続されている。スイッチＳＷ１は、加算回路１３の一の入力端子に、交流電圧源１１を接続するか、基準電位（グランド電位）を接続するかを切換え可能に接続された１回路２接点スイッチであり、演算処理部５によって切り換えを制御される。

直流電圧源１２は、基準電位に対して正の直流電圧を出力するものであり、出力する直流電圧を演算処理部５によって制御される。直流電圧源１２は、スイッチＳＷ２を介して加算回路１３の他の入力端子に接続されている。スイッチＳＷ２は、加算回路１３の他の入力端子に、直流電圧源１２を接続するか、基準電位を接続するかを切換え可能に接続された１回路２接点スイッチであり、演算処理部５によって切り換えを制御される。なお、スイッチＳＷ２は無くてもよく、交流電圧源１１を加算回路１３の他の入力端子に直接接続してもよい。このスイッチＳＷ２は、インピーダンス測定装置１に汎用性を持たせるために設けられたものであり、例えば直流バイアス電圧をＤＵＴ９０に印加せずにインピーダンスを測定するような場合に使用される。

加算回路１３は、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を介して一及び他の入力端子に入力された電圧を加算して出力する。加算回路１３としては、公知の種々の加算回路を用いることができる。加算回路１３の出力端子には、出力用抵抗Ｒ０を介して、電流供給端子Ｈｃが接続されている。電流供給端子Ｈｃは、ＤＵＴ９０の一端に接触させて使用される。出力用抵抗Ｒ０は、信号源２の出力抵抗（出力インピーダンス）を規定するものである。この場合、交流電圧及び直流電圧が共通の出力用抵抗Ｒ０を介して出力されるので、信号源２の交流出力抵抗及び直流出力抵抗は、出力用抵抗Ｒ０となる。この出力用抵抗Ｒ０は、例えば５０Ωや１００Ωなどの所定の既知の値である。

電流測定部３は、電流検出端子Ｌｃ、演算増幅器２１、差動増幅器２２、電流検出抵抗Ｒ１、スイッチＳＷ３、コンデンサＣ１、及び抵抗Ｒ２を備え、ＤＵＴ９０に流れる電流を電流−電圧変換（検出）して出力するものである。電流検出端子Ｌｃは、ＤＵＴ９０の他端に接触させて使用される。この電流検出端子Ｌｃは、演算増幅器２１の反転入力端子に接続されている。演算増幅器２１は、非反転入力端子が基準電位に接続されると共に、出力端子と反転入力端子とが電流検出抵抗Ｒ１で接続されている。したがって、演算増幅器２１の反転入力端子は、基準電位に仮想接地されている。差動増幅器２２によって電流検出抵抗Ｒ１の両端電圧が差動増幅されるようになっている。差動増幅器２２の出力端子は、スイッチＳＷ３の共通端子に接続されている。スイッチＳＷ３は、差動増幅器２２の出力を直流結合で出力するか、交流結合で出力するかを切換えるための１回路２接点スイッチである。スイッチＳＷ３の一の切換接点（図中、上側接点）は、直流結合の出力に用いられ、Ａ／Ｄ変換器２５に接続されている。スイッチＳＷ３の他の切換接点（図中、下側接点）は、交流結合の出力に用いられ、交流結合用のコンデンサＣ１を介してＡ／Ｄ変換器２５に接続されている。コンデンサＣ１の出力側（Ａ／Ｄ変換器２５側）には、基準電位間に抵抗Ｒ２が接続されている。この抵抗Ｒ２は、コンデンサＣ１と共にハイパスフィルタを構成しており、このハイパスフィルタは交流電圧源１１の出力する周波数を通過可能になっている。Ａ／Ｄ変換器２５は、電流検出部３から出力されたアナログ電圧を、デジタル変換して演算処理部５に出力する。

電圧検出部４は、電圧検出端子Ｈｐ，Ｌｐ、差動増幅器２３、スイッチＳＷ４、コンデンサＣ２、及び抵抗Ｒ３を備え、ＤＵＴ９０の両端電圧を検出して出力するものである。電圧検出端子Ｈｐは、ＤＵＴ９０の一端に接触させて使用され、電圧検出端子Ｌｐは、ＤＵＴ９０の他端に接触させて使用される。電圧検出端子Ｈｐは差動増幅器２３の一の入力端子に接続され、電圧検出端子Ｌｐは差動増幅器２３の他の入力端子に接続されている。差動増幅器２３は、両端子Ｈｐ，Ｌｐを介して入力される電圧を差動増幅する。差動増幅器２３の出力端子は、スイッチＳＷ４の共通端子に接続されている。スイッチＳＷ４は、差動増幅器２３の出力を直流結合で出力するか、交流結合で出力するかを切換えるための１回路２接点スイッチである。スイッチＳＷ４の一の切換接点（図中、上側接点）は、直流結合の出力に用いられ、Ａ／Ｄ変換器２６に接続されている。スイッチＳＷ４の他の切換接点（図中、下側接点）は、交流結合の出力に用いられ、交流結合用のコンデンサＣ２を介してＡ／Ｄ変換器２６に接続されている。コンデンサＣ２の出力側（Ａ／Ｄ変換器２６側）には、基準電位間に抵抗Ｒ３が接続されている。この抵抗Ｒ３は、コンデンサＣ２と共にハイパスフィルタを構成しており、このハイパスフィルタは、交流電圧源１１の出力する周波数を通過可能になっている。Ａ／Ｄ変換器２６は、電圧検出部４から出力されたアナログ電圧を、デジタル変換して演算処理部５に出力する。なお、スイッチＳＷ３，ＳＷ４が本発明におけるスイッチ部に相当する。

演算処理部５は、ＣＰＵ、メモリや各部とのインタフェース回路（いずれも不図示）などを備えて、メモリに記憶されたプログラムにしたがって動作する。この演算処理部５は、信号源２及びスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の制御を行い、電流検出部３及び電圧検出部４の出力を読み込んで、ＤＵＴ９０のインピーダンスを演算する。又、後述するように、インピーダンスの演算を行う前に、直流電圧のみを信号源２から出力させて、ＤＵＴ９０に所定の直流バイアス電圧が印加されるように直流電圧源１２の出力する直流電圧をフィードバック制御する。さらに、演算処理部５は、インピーダンスの演算を行う前に、ＤＵＴ９０に所定の交流測定電圧が印加されるように、交流電圧源１１の出力する交流電圧をフィードバック制御する。

図１のブロック図及び図２のフローチャートを参照しつつ、インピーダンス測定装置１の動作について具体的に説明する。

測定を行うために測定者は、図１に示すように、ＤＵＴ９０の一端に電流供給端子Ｈｃ及び電圧測定端子Ｈｐを接触させると共に、他端に電流検出端子Ｌｃ及び電圧測定端子Ｌｐを接触させる。又、測定者は、インピーダンスを測定する交流周波数、ＤＵＴ９０に印加すべき所定の交流測定電圧（例えば交流１Ｖrms）、及びＤＵＴ９０に印加すべき所定の直流バイアス電圧（例えば直流１０Ｖ）を、図示しない操作部を操作して設定し、演算処理部５に予め記憶させておく。

インピーダンス測定装置１の動作を開始させると、図２のステップＳ１に示すように、演算処理部５は、スイッチＳＷ１を基準電位側、スイッチＳＷ２を直流電圧源１２側、スイッチＳＷ３を直流結合側、スイッチＳＷ４を直流結合側に切り換える。次に、演算処理部５は、直流電圧源１２に直流電圧を出力させる（ステップＳ２）。これにより、信号源２から直流電圧のみが出力される。この場合、演算処理部５は、所定の直流バイアス電圧と同じ直流電圧を直流電圧源１２に出力させることが好ましい。例えば、測定時に１０Ｖの直流バイアス電圧をＤＵＴ９０に印加すべき場合、先ず直流電圧源１２に１０Ｖの直流電圧を出力させる。このように、直流電圧源１２が出力を開始する直流電圧を所定の直流バイアス電圧と同じにすることで、ＤＵＴ９０に所定の直流バイアス電圧を超える過大な電圧が印加されないため、ＤＵＴ９０の破損や性能劣化を防止することができる。

続いて、演算処理部５は、Ａ／Ｄ変換器２５から電流検出部３の検出した電流を読み込むと共に、Ａ／Ｄ変換器２６から電圧検出部４の検出した電圧を読み込んで、電圧を電流で除算して、ＤＵＴ９０の直流抵抗Ｒdutを演算する（ステップＳ３）。

次に、演算処理部５は、信号源２の出力用抵抗Ｒ０（直流出力抵抗）と、ＤＵＴ９０の直流抵抗Ｒdutとの分圧比に基づいて、ＤＵＴ９０に所定の直流バイアス電圧が印加される直流電圧を直流電圧源１２に出力させる（ステップＳ４）。

具体的には、直流電圧源１２の出力する直流電圧をＶdc、ＤＵＴ９０の両端電圧をＶdutとすると、
Ｖdut＝Ｖdc×Ｒdut／（Ｒ０＋Ｒdut） ・・・(１)
の関係が成り立つ。所定の直流バイアス電圧をＶdcpとして、（１）式のＶdutに代入して変形し、直流電圧源１２に出力させる直流電圧Ｖdcを求めると、
Ｖdc＝Ｖdcp×（Ｒ０＋Ｒdut）／Ｒdut ・・・(２)
となる。ステップＳ４では、演算処理部５が、（２）式で演算して求めた直流電圧Ｖdcを直流電圧源１２に出力させる。

次に、演算処理部５は、電圧検出部４の検出した電圧を読み込んで、ＤＵＴ９０に所定の直流バイアス電圧が実際に印加されているか否かを確認する（ステップＳ５）。例えばダイオードなどの半導体が付加されたＤＵＴ９０のように、ＤＵＴ９０の種類によっては、印加される直流バイアス電圧に依存して直流抵抗が変化する場合がある。このような場合には、所定のバイアス電圧からずれた電圧がＤＵＴ９０に印加されてしまうため、ステップＳ５で確認を行っている。なお、ＤＵＴ９０の直流抵抗に電圧依存性がない場合には、このステップＳ５を省略してもよい。ステップＳ５で、ＤＵＴ９０に所定のバイアス電圧が印加されていない場合には、演算処理部５は、再度ステップＳ３〜Ｓ５を繰り返す。ステップＳ５で、ＤＵＴ９０に所定の直流バイアス電圧が印加されていた場合には、演算処理部５は、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、演算処理部５は、ＤＵＴ９０に所定の直流バイアス電圧を印加したまま、つまり直流電圧源１２に（２）式の直流電圧を出力させたままの状態で、スイッチＳＷ１を交流電圧源１１側、スイッチＳＷ２を直流電圧源１２側（そのままの状態）、スイッチＳＷ３を交流結合側、スイッチＳＷ４を交流結合側に切り換える。

次に、演算処理部５は、交流電圧源１１に交流電圧を出力させつつ、電圧検出部５の出力を読み込んで、電圧検出部５から所定の交流測定電圧が検出されるように、交流電圧源１１の交流電圧をフィードバック制御する（ステップＳ７）。この場合、過大な交流電圧がＤＵＴ９０に印加されないように、演算処理部５は、最初に所定の交流測定電圧を交流電圧源１１に出力させてからフィードバック制御することが好ましい。ステップＳ７により、ＤＵＴ９０に所定の交流測定電圧が印加される。したがって、ＤＵＴ９０に、所定の直流バイアス電圧を重畳させた所定の交流測定電圧が、印加された状態になる。

続いて、演算処理部５は、電流検出部３及び電圧検出部４の出力をＡ／Ｄ変換器２５，２６から読み込んで、ＤＵＴ９０のインピーダンスを演算する（ステップＳ８）。以上で、ＤＵＴ９０のインピーダンス測定が終了する。

なお、ステップＳ７，Ｓ８では、電流検出部３及び電圧検出部４の出力を精度良く読み込むために、Ａ／Ｄ変換器２５，２６の入力ダイナミックレンジを有効に使用することが好ましい。つまり、電流検出部３，電圧検出部４の出力レベルと、Ａ／Ｄ変換器２５，２６の入力ダイナミックレンジとが懸け離れないようにすることが好ましい。そのため、例えば、Ａ／Ｄ変換器２５，２６の各々の前段に不図示の可変増幅器を配置して、演算処理部５がダイナミックレンジに対応させて可変増幅器の増幅度を宜可調整してもよい。この場合、ステップＳ３〜Ｓ５のように直流電圧を測定するときには、この可変増幅器の増幅度を１に設定するか、可変増幅器を迂回して測定する。又は、Ａ／Ｄ変換器２５，２６のリファレンス電圧を各々可変可能にしておいて、演算処理部５がダイナミックレンジに対応させてリファレンス電圧を適宜調整してもよい。ここで、リファレンス電圧とは、Ａ／Ｄ変換器がデジタル変換可能な入力電圧範囲（ダイナミックレンジ）を規定する電圧である。一例として、Ａ／Ｄ変換器２５，２６が、グラウンド電位からリファレンス電圧までの入力電圧を１６ビットの分解能でＡ／Ｄ変換する場合、Ａ／Ｄ変換器２５，２６ごとに、リファレンス電圧を１Ｖ〜１０Ｖのように可変させることで、ダイナミックレンジを１Ｖ〜１０Ｖに設定することができる。又は、電流検出部３に異なる抵抗値の複数の電流検出抵抗を切り換え可能に配置して、Ａ／Ｄ変換器２５のダイナミックレンジに対応するように、演算処理部５が電流検出抵抗を適宜切り換えるようにしてもよい。又は、電圧検出部４の差動増幅器２３の増幅度を切り換え可能にして、Ａ／Ｄ変換器２６のダイナミックレンジに対応するように、演算処理部５が増幅度を適宜切り換えるようにしてもよい。なお、Ａ／Ｄ変換器２５，２６がステップＳ３〜Ｓ５で直流電圧を読み込むときのダイナミックレンジと、ステップＳ７，Ｓ８で交流電圧を読み込むときのダイナミックレンジが共通で良い場合、スイッチＳＷ３，ＳＷ４を配さずに、電流検出部３，電圧検出部４の出力を、Ａ／Ｄ変換器２５，２６に直流結合で接続してもよい。

又、演算処理部５が、最初に直流電圧のみを信号源２から出力させた状態で、フィードバック制御により所定の直流バイアス電圧をＤＵＴ９０に印加させておいてから、信号源２に交流電圧を出力させる例について説明したが、演算処理部５が、直流電圧を重畳させた交流電圧を信号源２から出力させた状態で、直流結合で電流検出部３及び電圧検出部４の出力を読み込んで、デジタル的なフィルタリング処理で交流信号を除去して直流電圧のみを抽出して、ＤＵＴ９０の直流抵抗を演算し、この直流抵抗による分圧比に基づいて、所定の直流バイアス電圧がＤＵＴ９０に印加されるように、信号源２をフィードバック制御するようにしてもよい。

次に、本発明を適用する別の実施形態であるインピーダンス測定装置３０について、図３、４を参照して説明する。なお、既に説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

インピーダンス測定装置３０は、信号源７、電流検出部３、電圧検出部４、Ａ／Ｄ変換器２５，２６、及び演算処理部８を備え、所定の直流バイアス電圧を測定用の交流電圧に重畳させてＤＵＴ９０に印加して、４端子法でＤＵＴ９０のインピーダンスを測定可能なものである。このインピーダンス測定装置３０は、所定の直流バイアス電圧、及び所定の交流測定電圧をＤＵＴ９０に印加させるように、電圧検出部４と信号源２とが、アナログ回路的にフィードバック関係で接続されている。以下、具体的に説明する。

信号源７は、直流電圧を重畳させた交流電圧を、所定の直流出力抵抗でＤＵＴ９０に印加するものである。この信号源７は、交流電圧源１１、負の直流電圧源１５、スイッチＳＷ１，ＳＷ２、加算回路１３、入力抵抗Ｒ１１、演算増幅器１６、出力用抵抗Ｒ０、帰還抵抗Ｒ１２、及び電流供給端子Ｈｃを備えている。

交流電圧源１１は、図１のインピーダンス測定装置１と同様にスイッチＳＷ１を介して加算回路１３の一の入力端子に接続されている。交流電圧源１１は、出力する交流電圧を演算処理部８によって制御される。

直流電圧源１５は、基準電位に対して負の直流電圧を出力するものであり、出力する直流電圧を演算処理部８によって制御される。直流電圧源１５は、スイッチＳＷ２を介して加算回路１３の他の入力端子に接続されている。スイッチＳＷ２は、加算回路１３の他の入力端子に、直流電圧源１２を接続するか、基準電位を接続するかを切換え可能になっており、演算処理部５によって切り換えを制御される。

なお、スイッチＳＷ１，ＳＷ２は無くてもよく、交流電圧源１１及び直流電圧源１５を加算回路１３に直接接続してもよい。このスイッチＳＷ１，ＳＷ２は、インピーダンス測定装置３０に汎用性を持たせるために設けられたものであり、例えば直流バイアス電圧のみ、又は交流電圧のみをＤＵＴ９０に印加してインピーダンスを測定するような場合に使用される。

加算回路１３の出力端子は、一例として、入力抵抗Ｒ１１を介して、演算増幅器１６の反転入力端子に接続されている。又、この反転入力端子には、帰還抵抗Ｒ１２を介して、電圧検出部４の差動増幅器２３の出力端子が接続されており、演算増幅器１６及び差動増幅器２３がネガティブフィードバックになっている。演算増幅器１６の非反転入力端子は、基準電位に接続されている。このため、演算増幅器１６の反転入力端子は仮想接地されている。演算増幅器１６の出力端子は、出力用抵抗Ｒ０を介して、電流供給端子Ｈｃに接続されている。この出力用抵抗Ｒ０は演算増幅器１６の出力電流を制限し演算増幅器１６を保護するためのものであり、信号源７の直流出力抵抗及び交流出力抵抗となる。

電流検出部３及び電圧検出部４は、インピーダンス測定装置１と同様のものである。なお、スイッチＳＷ３，ＳＷ４は無くてもよく、電流検出部３，電圧検出部４を、Ａ／Ｄ変換器２５，２６に交流結合で接続してもよい。このスイッチＳＷ３，ＳＷ４は、インピーダンス測定装置３０に汎用性を持たせるために設けられたものであり、例えば直流バイアス電圧のみ、又は交流電圧のみをＤＵＴ９０に印加してインピーダンスを測定するような場合に使用される。

演算処理部８は、信号源７及びスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の制御を行い、電流検出部３及び電圧検出部４の出力を読み込んで、ＤＵＴ９０のインピーダンスを演算する。

次に、図３のブロック図及び図４のフローチャートを参照しつつ、インピーダンス測定装置３０の動作について具体的に説明する。

測定を行うために、測定者は、図３に示すようにＤＵＴ９０をセットすると共に、インピーダンスを測定する交流周波数、ＤＵＴ９０に印加すべき所定の交流測定電圧、及びＤＵＴ９０に印加すべき所定の直流バイアス電圧を、演算処理部５に予め記憶させておく。

インピーダンス測定装置３０の動作を開始させると、図４のステップＳ１１に示すように、演算処理部８は、スイッチＳＷ１を交流電圧源１１側、スイッチＳＷ２を直流電圧源１２側、スイッチＳＷ３を交流結合側、スイッチＳＷ４を交流結合側に切り換える。

次に、演算処理部８は、交流電圧源１１及び直流電圧源１５に電圧の出力を開始させる（ステップＳ１２）。ここで、負帰還接続されている演算増幅器１６及び差動増幅器２３は、全体的に反転増幅回路を構成しているので、加算回路１３から入力抵抗Ｒ１１への入力電圧をＶin、差動増幅器２３の出力電圧をＶoutとすると、
Ｖout＝−Ｖin×Ｒ１２／Ｒ１１ ・・・（３）
の関係が成り立つ。なお、式中のＲ１１は入力抵抗Ｒ１１の抵抗値、Ｒ１２は帰還抵抗Ｒ１２の抵抗値を表している。

ＤＵＴ９０の両端電圧Ｖdut＝Ｖoutの関係が成り立つので、（３）式に代入すると次の（４）式になる。
Ｖdut＝−Ｖin×Ｒ１２／Ｒ１１ ・・・（４）

入力電圧Ｖinは、交流電圧源１１の出力電圧Ｖacと、負の直流電圧源１５の出力電圧（−Ｖdc）とを加算した電圧であるので、
Ｖin＝Ｖac＋（−Ｖdc） ・・・（５）
となる。この（５）式を（４）式に代入して変形すると、
Ｖdut＝（−Ｖac×Ｒ１２／Ｒ１１）＋（Ｖdc×Ｒ１２／Ｒ１１） ・・・（６）
の関係が成り立つ。（６）式の第１項目がＤＵＴ９０に印加される交流電圧であり、第２項目がＤＵＴ９０に印加される直流電圧である。なお、第１項目の負の符号は、交流電圧の位相が１８０度回転したことを表すものであり、ここでは大きさだけを考える。

ＤＵＴ９０に、所定の直流バイアス電圧Ｖdcp、及び所定の交流測定電圧Ｖacpを印加させるためには、（６）式の第１項目及び第２項目を変形して、
Ｖac＝Ｖacp×Ｒ１１／Ｒ１２ ・・・（７）
Ｖdc＝Ｖdcp×Ｒ１１／Ｒ１２ ・・・（８）
の関係が成り立つ。入力抵抗Ｒ１１及び帰還抵抗Ｒ１２の値は既知であるので、演算処理部８は、ステップＳ１２で、（７）式を満たす交流電圧Ｖacを交流電圧源１１から出力させると共に、（８）式を満たす直流電圧（−Ｖdc）を直流電圧源１５から出力させる。

例えば、Ｒ１２＝Ｒ１１とした場合、交流電圧源１１から所定の交流測定電圧Ｖacpと大きさが等しい交流電圧Ｖacを出力させ、直流電圧源１５から所定の直流バイアス電圧Ｖdcpと大きさが等しく負の直流電圧（−Ｖdc）を出力させる。又、例えば、Ｒ１２＝２×Ｒ１１とした場合、交流電圧源１１に所定の交流測定電圧Ｖacpの１／２の大きさの交流電圧Ｖacを出力させ、直流電圧源１５に所定の直流バイアス電圧Ｖdcpの１／２の大きさの負の直流電圧（−Ｖdc）を出力させる。

このような電圧を交流電圧源１１及び直流電圧源１５に出力させると、インピーダンス測定装置３０は、アナログ回路的に負帰還動作して、出力用抵抗Ｒ０の値によらず、ＤＵＴ９０に、所定の直流バイアス電圧が重畳された所定の交流測定電圧が印加された状態になる。

続いて、演算処理部８は、電流検出部３及び電圧検出部４の出力をＡ／Ｄ変換器２５，２６から読み込んで、ＤＵＴ９０のインピーダンスを演算する（ステップＳ１３）。以上で、ＤＵＴ９０のインピーダンス測定が終了する。

なお、電流検出部３、電圧検出部４の出力を直流結合でも精度良くＡ／Ｄ変換器２５，２６が変換可能であれば、スイッチＳＷ３，ＳＷ４を無くして、直流結合で接続するようにしてもよい。

１はインピーダンス測定装置、２は信号源、３は電流検出部、４は電圧検出部、５は演算処理部、７は信号源、８は演算処理部、１１は交流電圧源、１２は直流電圧源、１３は加算回路、１５は負の直流電圧源、１６は演算増幅器、２１は演算増幅器、２２，２３は差動増幅器、２５はＡ／Ｄ変換器、２６はＡ／Ｄ変換器、３０はインピーダンス測定装置、９０は測定対象物（ＤＵＴ）、Ｃ１，Ｃ２はコンデンサ、Ｈｃは電流供給端子、Ｌｃは電流検出端子、Ｈｐ，Ｌｐは電圧検出端子、Ｒ０は出力用抵抗、Ｒ１は電流検出抵抗、Ｒ２，Ｒ３は抵抗、Ｒ１１は入力抵抗、Ｒ１２は帰還抵抗、ＳＷ１〜ＳＷ４はスイッチ、ＶdutはＤＵＴ９０の両端電圧、Ｖinは入力電圧、Ｖoutは検出電圧である。

Claims (5)

1. 直流電圧を重畳させた交流電圧を、所定の直流出力抵抗で測定対象物に出力する信号源と、
   該測定対象物に流れる電流を検出する電流検出部と、
   該測定対象物の両端電圧を検出する電圧検出部と、
   該電流検出部及び該電圧検出部の出力を読み込んで、該測定対象物のインピーダンスを演算する演算処理部とを備え、
   該直流電圧のみ、又は該直流電圧を重畳させた該交流電圧を該信号源から出力させた状態で、該電圧検出部又は該演算処理部と、該信号源とが、所定の直流バイアス電圧を該測定対象物に印加させるフィードバック関係で接続されるインピーダンス測定装置であって、
   該演算処理部が、該信号源を制御して該直流電圧のみを該測定対象物に出力させ、該電流検出部及び該電圧検出部の出力を読み込んで該測定対象物の直流抵抗を演算し、該信号源の該直流出力抵抗と該直流抵抗とに基づいて該測定対象物に該所定の直流バイアス電圧が印加されるように、該信号源をフィードバック制御することを特徴とするインピーダンス測定装置。
2. 前記演算処理部が、前記電圧検出部の出力を読み込んで前記所定の直流バイアス電圧が前記測定対象物に印加されるまで、前記フィードバック制御を繰り返し行うことを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
3. 前記電流検出部及び前記電圧検出部の出力を、直流結合及び交流結合のいずれかで前記演算処理部が読み込むように切り換え可能なスイッチ部を有し、前記演算処理部が、該スイッチ部を直流結合に切り換えて前記フィードバック制御を行い、該スイッチ部を該交流結合に切り換えて前記測定対象物のインピーダンスの演算を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のインピーダンス測定装置。
4. 前記電圧検出部が、前記測定対象物の両端電圧を差動増幅する差動増幅器を有しており、
   前記信号源が、交流電圧源と、負の直流電圧源と、これら両電圧源の出力を加算する加算回路と、該加算回路の出力が反転入力端子に入力されると共に、該差動増幅器の出力端子が該反転入力端子にフィードバック接続され、非反転入力端子が基準電位に接続された演算増幅器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のインピーダンス測定装置。
5. 前記加算回路の出力が入力抵抗を介して前記反転入力端子に入力され、前記差動増幅器の出力端子が前記反転入力端子に帰還抵抗を介してフィードバック接続されていることを特徴とする請求項４に記載のインピーダンス測定装置。

Images