JP2009031223A - 補償回路、プローブ装置、プローブ装置キット - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でプローブの周波数特性を補償することができる補償回路を提供する。
【解決手段】本発明の補償回路は、プローブの周波数特性を補償するための補償回路であって、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、前記反転入力端子と前記出力端子の間に設けられたＯＰインピーダンス部とを備え、前記反転入力端子は、前記プローブからの信号の入力を受け付ける端子であり、前記非反転入力端子は、接地される端子であり、前記出力端子は、信号を出力する端子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、プローブの周波数特性を補償するための補償回路と、プローブと補償回路を有するプローブ装置及びプローブ装置キットに関する。

図８を用いて従来のプローブ１について説明する。図８は、従来のプローブの構成図である。
プローブ１は、プローブ先端部３と、プローブ出力端子５と、プローブＧＮＤ端子７とを有する。また、プローブ先端部３とプローブ出力端子５の間には第１インピーダンス部Ｚ₁が設けられ、プローブ出力端子５とプローブＧＮＤ端子７の間には第２インピーダンス部Ｚ₂が設けられている。

このような構成のプローブ１では、プローブ先端部３に印加される電圧Ｖｉｎと、プローブ出力端子５に出力される電圧Ｖｏｕｔには、式（１）の関係が成り立つ（以下の式において、Ｚ₁及びＺ₂は、それぞれ、第１インピーダンス部Ｚ₁及び第２インピーダンス部Ｚ₂のインピーダンスを示す。）。
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝Ｚ₂／（Ｚ₁＋Ｚ₂） （１）

Ｚ₁及びＺ₂が抵抗成分のみを有している場合は、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎの値は、Ｖｉｎの周波数によらずに一定になるが、Ｚ₁及びＺ₂の少なくとも一方が静電容量成分又はインダクタンス成分を有している場合には、Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎの値は、Ｖｉｎの周波数に依存することとなる。この場合、Ｖｏｕｔの波形にオーバーシュートが生じたり（図９を参照）、ハンチングが生じたりして、Ｖｉｎの波形を正確に測定することができない。

そこで、プローブ１の周波数特性を補償するために、図１０に示すように、プローブ出力端子５にインピーダンス部Ｚ_Bを有する補償回路９が接続される（例えば、特許文献１を参照）。

この場合、電圧Ｖｉｎと電圧Ｖｏｕｔには、式（２）の関係が成り立つ（式（２）において、Ｚ_Bは、インピーダンス部Ｚ_Bのインピーダンスを示す。）。
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝Ｚ_X／（Ｚ₁＋Ｚ_X） （２）
（但し、１／Ｚ_X＝１／Ｚ₂＋１／Ｚ_Bである。）
特開平８−８６８０８号公報

Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎが式（２）のような複雑な式で表現されるので、Ｖｉｎの周波数によらずにＶｏｕｔ／Ｖｉｎの値が一定になるようにＺ_Bを設定することは、極めて難しい。そこで、インピーダンスを周波数毎に調整する複雑な回路でＺ_Bを構成し、勘と経験によって調整を行うことが一般的である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でプローブの周波数特性を補償することができる補償回路を提供するものである。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の補償回路は、プローブの周波数特性を補償するための補償回路であって、反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、前記反転入力端子と前記出力端子の間に設けられたＯＰインピーダンス部とを備え、前記反転入力端子は、前記プローブからの信号の入力を受け付ける端子であり、前記非反転入力端子は、接地される端子であり、前記出力端子は、信号を出力する端子である。

本発明の補償回路によれば、オペアンプの出力がＯＰインピーダンス部を介して反転入力端子にフィードバックされているのでオペアンプの反転入力端子の電位が非反転入力端子の電位に等しくなる。非反転入力端子は、接地されるので、反転入力端子の電位は、常にＧＮＤ電位になり、それによってプローブ出力端子の電位も常にＧＮＤ電位になる。このため、プローブ先端部とプローブ出力端子の間のインピーダンス部と、オペアンプの反転入力端子と出力端子の間のＯＰインピーダンス部とを互いに相似な回路で構成することによってプローブの周波数特性の補償を行うことができ、補償回路の構成が簡易になる。

また、プローブ出力端子とオペアンプの反転入力端子との間の電位も常にＧＮＤ電位になるので、プローブ出力端子とオペアンプの反転入力端子とを電気的に接続するケーブルの浮遊容量の影響を無視することができる。このため、プローブからの信号の長距離伝送が容易になる。

また、本発明は、プローブと、上記記載の補償回路を有するプローブ装置であって、前記プローブは、プローブ先端部と、プローブ出力端子と、前記プローブ先端部と前記プローブ出力端子との間に設けられた第１インピーダンス部を有し、前記プローブ出力端子と前記オペアンプの反転入力端子が電気的に接続され、
前記ＯＰインピーダンス部と第１インピーダンス部は、互いに相似な回路で構成されることを特徴とするプローブ装置も提供する。

また、本発明は、プローブと、請求項１に記載の補償回路を有するプローブ装置キットであって、前記プローブは、プローブ先端部と、プローブ出力端子と、前記プローブ先端部と前記プローブ出力端子との間に設けられた第１インピーダンス部を有し、前記プローブ出力端子は、前記オペアンプの反転入力端子に電気的に接続される端子であり、前記ＯＰインピーダンス部と第１インピーダンス部は、互いに相似な回路で構成されることを特徴とするプローブ装置キットも提供する。

前記プローブは、接地される端子であるプローブＧＮＤ端子と、前記プローブ出力端子と前記プローブＧＮＤ端子との間に設けられた第２インピーダンス部を有してもよい。
ここで示した構成は、互いに組み合わせることができる。

以下，本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図面や以下の記述中で示す内容は，例示であって，本発明の範囲は，図面や以下の記述中で示すものに限定されない。

１．補償回路とプローブ装置の構成について
図１を用いて、本発明の一実施形態の補償回路９とプローブ装置１１について説明する。図１は、本発明の一実施形態の補償回路９とプローブ装置１１の構成図である。

本実施形態の補償回路９は、プローブ１の周波数特性を補償するための補償回路９であって、反転入力端子１３、非反転入力端子１５及び出力端子１７を有するオペアンプ１９と、反転入力端子１３と出力端子１７の間に設けられたＯＰインピーダンス部Ｚ_Bとを備えている。非反転入力端子１５は、接地されている。

また、本実施形態のプローブ装置１１は、プローブ１と、補償回路９を有するプローブ装置１１であって、プローブ１は、プローブ先端部３と、プローブ出力端子５と、プローブ先端部３とプローブ出力端子５との間に設けられた第１インピーダンス部Ｚ₁を有し、プローブ出力端子５とオペアンプ１９の反転入力端子１３が電気的に接続されている。また、プローブ１は、プローブＧＮＤ端子７と、プローブ出力端子５とプローブＧＮＤ端子７との間に第２インピーダンス部Ｚ₂とを備えている。プローブＧＮＤ端子７は、接地されている。プローブ装置１１は、互いに電気的に分離されたプローブ１と補償回路９を有するプローブ装置キットに含まれるプローブ１のプローブ出力端子５と補償回路９中のオペアンプ１９の反転入力端子１３とを電気的に接続することによって構成することができる。

補償回路９では、オペアンプ１９の出力がＯＰインピーダンス部Ｚ_Bを介して反転入力端子１３にフィードバックされているのでオペアンプ１９の反転入力端子１３の電位が非反転入力端子１５の電位に等しくなる。非反転入力端子１５は、接地されるので、反転入力端子１３の電位は、常にＧＮＤ電位になり、それによってプローブ出力端子５の電位も常にＧＮＤ電位になる。

図１に示すような構成のプローブ装置１１では、プローブ先端部３に印加される電圧Ｖｉｎと、オペアンプ１９の出力端子１７から出力される電圧Ｖｏｕｔには、式（３）の関係が成り立つ（以下の式においてにおいて、Ｚ_Bは、ＯＰインピーダンス部Ｚ_Bのインピーダンスを示す。）。
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝−Ｚ_B／Ｚ₁ （３）

式（３）には、第２インピーダンス部Ｚ₂のインピーダンスが含まれおらず、式（２）に比べてはるかにシンプルであることが分かる。式（３）がこのようなシンプルな形になったのは、プローブ出力端子５の電位が常にＧＮＤ電位であるので第２インピーダンス部Ｚ₂に電圧が印加されないからである。このように、本実施形態の補償回路９は、第２インピーダンス部Ｚ₂の影響を排除できるという効果を有するので、本実施形態の補償回路９は、第２インピーダンス部Ｚ₂を有するプローブ１、すなわち、Ｚ₂／（Ｚ₁＋Ｚ₂）倍に減衰された電圧信号がプローブ出力端子５から出力されるプローブ１（例えば、プローブ１）の周波数特性の補償に好適に利用される。

また、プローブ出力端子５と反転入力端子１３との間の電位も常にＧＮＤ電位になるので、本実施形態の補償回路９を用いれば、プローブ出力端子５との反転入力端子１３とを電気的に接続するケーブルの浮遊容量の影響を無視することができるようになり、プローブ１からの信号の長距離伝送が容易になる。
上記の通り、本実施形態の補償回路９は、第２インピーダンス部Ｚ₂を有するプローブ１の周波数特性を補償するために好適に利用されるが、図２に示すような第２インピーダンス部Ｚ₂を有さないプローブ１の周波数特性を補償するためにも利用することができる。この場合でも、プローブ出力端子５と反転入力端子１３とを電気的に接続するケーブルの浮遊容量の影響を無視することができるようになるという効果が得られるからである。

プローブ１の周波数特性を補償するためには、式（３）のＶｏｕｔ／ＶｉｎがＶｉｎの周波数によらずに一定になるように、ＯＰインピーダンス部Ｚ_Bと第１インピーダンス部Ｚ₁を互いに相似な回路で構成すればよい。「互いに相似な回路」とは、言い換えると、インピーダンスの比が周波数依存しない回路である。この場合、Ｚ_B＝Ｚ₁／Ｎ（Ｎは、周波数に依存しない正の値）となり、式（３）は、次の式で表される。
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝−Ｚ_B／Ｚ₁＝−１／Ｎ

この式は、Ｚ_B／Ｚ₁を調節することによって信号の減衰比を自由に調節することができ、さらに、Ｎを１より小さくすることによって信号の増幅をすることもできることを示している。

互いに相似な回路の一例は、図３のような回路において、Ｒ₂＝Ｒ₁／Ｎ，Ｃ₂＝ＮＣ₁の場合である。この場合、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bのそれぞれのインピーダンスは、次の式で表される。
Ｚ₁＝Ｒ₁／（１＋ｊωＣ₁Ｒ₁）
Ｚ_B＝Ｒ₂／（１＋ｊωＣ₂Ｒ₂）＝Ｒ₂／（１＋ｊωＣ₁Ｒ₁）

この式によると、Ｚ_B＝Ｚ₁／（Ｒ₁／Ｒ₂）となり、Ｚ_B＝Ｚ₁／Ｎとなり、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bが互いに相似な回路で構成されていることが分かる。

一般に、互いに相似な回路は、各抵抗器の抵抗値を１／Ｎ倍にし、各キャパシタの容量値をＮ倍にすることによって得ることができる。例えば、図４のような回路において、Ｒ₃＝Ｒ₁／Ｎ，Ｒ₄＝Ｒ₂／Ｎ，Ｃ₃＝ＮＣ₁，Ｃ₄＝ＮＣ₂にすると、Ｚ_B＝Ｚ₁／Ｎとなり、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bが互いに相似な回路になる。

また、図３や図４では、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bは、回路素子（抵抗器、キャパシタ、インダクタ）の配置が同じで回路定数（抵抗値、容量値、インダクタンス値）が互いに異なる回路で構成しているが、図５に示すように、回路素子の配置が互いに異なるようにしてもよい。図５のＺ_Bの回路は、Ｒ₅＝２Ｒ₃、Ｃ₅＝Ｃ₃／２にすると図４のＺ_Bの回路と等価になるので、この場合には、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bが互いに相似な回路で構成されていると言える。

２．プローブの周波数特性の補償を行う手順について
次に、プローブ１の周波数特性の補償を行う手順について説明する。
プローブ１の周波数特性の補償は、まず、プローブ１の第１インピーダンス部Ｚ₁の回路構成を決定することから始める。回路構成の決定方法の一例は、（１）スペクトルアナライザを用いて、補償回路９がない状態でのプローブ出力端子５からの出力の周波数特性を測定し、（２）次に、プローブ１の物理的構成から浮遊容量が発生する位置を推定してプローブ１の第１及び第２インピーダンス部Ｚ₁，Ｚ₂の回路素子の配置を例えば図６のように推定し、（３）次に、図６の回路の出力の周波数特性がプローブ出力端子５からの出力の周波数特性に一致するように、Ｒ₆〜Ｒ₈及びＣ₆〜Ｃ₈の回路定数を決定することによってプローブ１の第１及び第２インピーダンス部Ｚ₁，Ｚ₂の回路構成が決定される。

次に、プローブ１の第１インピーダンス部Ｚ₁と回路構成が相似になるようにＯＰインピーダンス部Ｚ_Bの回路素子の配置及び回路定数を決定する。回路定数は、信号の減衰率が所望の値になるように決定する。

図７に、ここで示した方法で求めた第１及び第２インピーダンス部Ｚ₁，Ｚ₂の一例と、第１インピーダンス部Ｚ₁と回路構成が相似になるように決定したＯＰインピーダンス部Ｚ_Bの一例を示す。Ｚ_Bは、減衰率が４０００：１になるように決定した。図７に示す回路でシミュレーションを行ったところ、プローブ１の周波数特性が適切に補償されていた。

ここまでは、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bがそれぞれ抵抗器とキャパシタのみで構成されている場合を例にとって説明を進めたが、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bは、それぞれ、インダクタを含んでもよい。
また、ＯＰインピーダンス部Ｚ_Bを構成する各回路素子は、それぞれ、回路定数が可変なものであってもよい。この場合、第１インピーダンス部Ｚ₁とＯＰインピーダンス部Ｚ_Bの回路構成を互いに相似にすることが容易になる。

本発明の一実施形態の補償回路とプローブ装置の構成図である。 本発明の別の実施形態の補償回路とプローブ装置の構成図である。 図１の補償回路とプローブ装置中の第１インピーダンス部とＯＰインピーダンス部の回路構成の一具体例である。 図１の補償回路とプローブ装置中の第１インピーダンス部とＯＰインピーダンス部の回路構成の別の具体例である。 図１の補償回路とプローブ装置中の第１インピーダンス部とＯＰインピーダンス部の回路構成のさらに別の具体例である。 プローブの物理的構成から推測される回路素子の配置を示す構成図である。 本発明の補償回路とプローブ装置の具体例を示す。 従来のプローブの構成図である。 従来のプローブの周波数特性の一例を示す。 図８のプローブに従来の補償回路が取り付けられた状態を示す。

符号の説明

１：プローブ ３：プローブ先端部 ５：プローブ出力端子 ７：プローブＧＮＤ端子 ９：補償回路 １１：プローブ装置 １３：反転入力端子 １５：非反転入力端子 １７：オペアンプの出力端子 １９：オペアンプ
Ｚ₁：第１インピーダンス部 Ｚ₂：第２インピーダンス部 Ｚ_B：ＯＰインピーダンス部

Claims (5)

1. プローブの周波数特性を補償するための補償回路であって、
   反転入力端子、非反転入力端子及び出力端子を有するオペアンプと、前記反転入力端子と前記出力端子の間に設けられたＯＰインピーダンス部とを備え、
   前記反転入力端子は、前記プローブからの信号の入力を受け付ける端子であり、前記非反転入力端子は、接地される端子であり、前記出力端子は、信号を出力する端子である補償回路。
2. プローブと、請求項１に記載の補償回路を有するプローブ装置であって、
   前記プローブは、プローブ先端部と、プローブ出力端子と、前記プローブ先端部と前記プローブ出力端子との間に設けられた第１インピーダンス部を有し、
   前記プローブ出力端子と前記オペアンプの反転入力端子が電気的に接続され、
   前記ＯＰインピーダンス部と第１インピーダンス部は、互いに相似な回路で構成されることを特徴とするプローブ装置。
3. 前記プローブは、接地される端子であるプローブＧＮＤ端子と、前記プローブ出力端子と前記プローブＧＮＤ端子との間に設けられた第２インピーダンス部を有する請求項２に記載のプローブ装置。
4. プローブと、請求項１に記載の補償回路を有するプローブ装置キットであって、
   前記プローブは、プローブ先端部と、プローブ出力端子と、前記プローブ先端部と前記プローブ出力端子との間に設けられた第１インピーダンス部を有し、
   前記プローブ出力端子は、前記オペアンプの反転入力端子に電気的に接続される端子であり、
   前記ＯＰインピーダンス部と第１インピーダンス部は、互いに相似な回路で構成されることを特徴とするプローブ装置キット。
5. 前記プローブは、接地される端子であるプローブＧＮＤ端子と、前記プローブ出力端子と前記プローブＧＮＤ端子との間に設けられた第２インピーダンス部を有する請求項４に記載のプローブ装置キット。

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