はじめに
このアプリケーションノートでは、オシロスコープのプローブが測定ポイントの信号をどのように変化させるか、そしてプローブの影響を最小限に抑えるためにどのようなプローブの仕様に注目すべきかについて説明します。測定における落とし穴の一つに、ユーザーがしばしば忘れがちな、あるいは見過ごしがちなプローブ負荷の影響があります。結論、以下の基準を満たすオシロスコープ・プローブを選択することが望ましいです。
- 被測定デバイスからオシロスコープへ信号を忠実に伝送する
- 干渉しない！つまり、測定ポイントの信号をできるだけ変化させない
回路上のランダムな場所から15 pFのコンデンサをグラウンドにはんだ付けしたら、回路の動作が変わると予想しますか？もちろんそうでしょう。オシロスコープ・プローブには静電容量、抵抗、インダクタンスがあるため、測定している信号に影響を与え、回路の動作に影響を及ぼす可能性があります。オシロスコープ上に電圧波形を表示するために、プローブ先端は多少の電流を引き込みます。つまり、導電性があります。プローブ先端が電流を引き込むため、回路に干渉したり負荷をかけたりします。回路に負荷をかけるプローブの仕様に関連する2つの要素があり、それらは入力抵抗と入力容量です。プローブの入力インピーダンスのデータシート仕様の例と、これらの仕様がどのようにモデル化されるかの例を図1に示します。
入力抵抗の仕様
まず、入力抵抗仕様について調べてみましょう。プローブとスコープの入力抵抗は、図2の右側の波形に示されるように、被測定信号の振幅を減少させます。負荷がかかった信号の波形は元の信号の形状に近いものの、振幅が変化します。元の信号の振幅がどの程度減少するかは、一般的に信号源の抵抗に依存します。これは、オシロスコープに付属する多くの受動プローブが非常に大きな10 MΩの入力抵抗を持っているためです。
プローブの入力抵抗とオシロスコープの入力抵抗を合わせたものが、測定システムを電圧分圧器のように機能させます。入力抵抗の影響に関する計算は、方程式1に示されています。
理想的には、測定ポイントの信号は変化しないため、Vmeas はVsource と等しくなるはずです。実際には、プローブとオシロスコープの入力抵抗が測定される振幅に何らかの影響を与えます。抵抗性負荷を最小限に抑えるため、プローブは通常大きな入力抵抗を持っています。多くの場合、オシロスコープに付属する10:1受動プローブは10 MΩの入力抵抗を持っているため、プローブの入力抵抗が重大なプローブ負荷の原因となる可能性は低いです。方程式2は、システムの大きな入力抵抗が回路にどのように負荷や干渉をほとんど与えないかを示しています。
方程式2に示されているように、測定システムの大きな10 MΩの入力抵抗は、測定信号にほとんど影響を与えません。この例では、測定信号は4.9995 Vと計算され、これは5 Vの信号源の99.99%です。方程式やモデルを検討することで入力抵抗の学術的な概要を理解できますが、プローブ負荷の影響を確認する最良の方法は、テストポイントでの信号の変化を示すことです。図3は、50 Ωの信号源抵抗を持つ電圧源、テスト治具、オシロスコープを使用したテストセットアップを示しています。テスト治具には200 Ωの抵抗器と可変コンデンサがはんだ付けされています。テスト治具がチャンネル1に接続された出力とともに、オシロスコープに直接ケーブル接続されているのが明確に見えます。このセットアップは、テストポイントで何が起こっているかを示し、プローブ負荷の影響を観察することを目的としています。オシロスコープはプローブの出力ではなく、テスト治具の出力を表示しています。
10 MΩでは、被測定デバイス（DUT）での入力抵抗の影響を見るのは難しいでしょう。テストポイントでの信号に入力抵抗がどのように影響するかを見るために、図4では、その効果を強調するためにテスト治具にはんだ付けされた200 Ω抵抗器の影響を示しています。基準波形は信号源の波形で、チャンネル1は200 Ω抵抗器の入力抵抗によって負荷がかかった信号源の波形です。基準波形と負荷がかかった波形の両方の振幅と立ち上がり時間を観察するために、測定機能がオンになっています。負荷がかかった波形の形状は信号源のものと似ており、立ち上がり時間も同様ですが、振幅は減少しています。
入力容量の仕様
アプリケーションに適したプローブを選択する際、多くのユーザーは通常、プローブの帯域幅、ダイナミックレンジ、そして場合によっては入力抵抗の仕様を確認します。プローブの負荷特性を評価する際、ほとんどのユーザーは10 MΩの入力抵抗値を見て、プローブが十分な負荷能力を持っていると結論付けます。しかし、ほとんど常に見過ごされがちな重要なプローブ仕様が、プローブの入力容量です。低周波数の信号を測定する場合、プローブの静電容量は非常に高いリアクタンスを持ち、プローブの負荷はそれほど大きくありません。しかし、測定信号の周波数が上がるにつれて、容量性リアクタンスは減少します。高周波数では、プローブのインピーダンスが低下し、プローブの負荷がより大きくなります。プローブの入力容量が大きいほど、測定周波数が上がると回路を乱したり負荷をかけたりする度合いが大きくなります。
入力容量の影響は、図5の右側の波形に示されています。信号源と比較して、大きな入力容量値の影響を受けた波形は、前縁が丸くなっています。大きな容量値の影響が深刻なのは、信号の前縁に高周波成分が含まれているためです。この重要な信号成分が損なわれると、測定結果の信頼性に疑問が生じます。プローブを選択する際、ユーザーは最も低い入力容量を持つプロービングソリューションを特定する必要があります。
図5のシンプルなモデルを使用すると、一次方程式から、より大きな入力容量がかなり遅い立ち上がり時間とより低い帯域幅をもたらすことがわかります。方程式3の立ち上がり時間の計算に基づくと、より大きな入力容量とより遅い立ち上がり時間の間には明確な関係があります。
図3のテストセットアップを使用し、テスト治具にはんだ付けされた可変コンデンサを信号ストリップラインに接続して、プローブの入力容量の影響を示します。可変コンデンサを50 pFに調整した、容量性負荷の影響が図6に示されています。ここでも、信号源はR1として識別される基準波形として示され、チャンネル1はテスト治具の出力で、可変コンデンサによって負荷がかかった波形です。
測定により、基準波形と負荷がかかった波形の間の振幅と立ち上がりの違いが明らかになっています。容量性負荷の影響は明白です。前縁が劣化し、立ち上がり時間が大幅に遅くなり、わずかな位相シフトが生じています。
オシロスコープ付属受動プローブの負荷の影響
前のセクションのテストセットアップでは、入力抵抗と入力容量の影響を分離するために単純な抵抗性および容量性コンポーネントを使用しました。ここでは、オシロスコープに付属する一部の受動プローブによって引き起こされる入力容量の影響に注目しましょう。
まず、オシロスコープに標準で付属するアジレント製の受動プローブの負荷効果を検討しましょう。このプローブは、ユーザーが求める多くの仕様を満たしています。500 MHzの帯域幅、300 V CAT IIのダイナミックレンジ、そして10 MΩの入力抵抗です。また、他のベンダーが提供する受動プローブと同等の9.5 pFの入力容量も持っています。図3と同じテストセットアップを使用し、アジレント製の受動プローブを図7の左上隅に示すようにテスト治具に接続します。プローブチップは信号経路に当てられ、短いグラウンドスプリングがグラウンドに接続されています。。入力容量の影響は明らかです。図7の負荷がかかった波形の前縁は劣化し、立ち上がり時間は大幅に遅くなっています現在測定している信号は、元の信号源の波形とはあまり似ていません。この劣化した信号は、プローブケーブルを通ってプローブの補正ボックスに、そして最終的にスコープに到達する間にさらに変化します。この試験信号は、プローブとスコープによって元の信号のように見えるように再構築される必要があります。このような負荷や干渉は、重要な回路検証を行う際に悪影響を及ぼします。
テクトロニクスは、容量性負荷の悪影響を考慮し、業界最高の3.9 pFという入力容量を持つ新しいシリーズの受動プローブをオシロスコープに付属させています。これらの製品はTPP1000、TPP0500B、TPP0250です。図8に示すように、TPP0500Bをテスト治具に接続すると、低入力容量プローブの利点は明らかです。負荷がかかった波形であるチャンネル1の信号は、信号源の波形とほぼ同一です。また、負荷がかかった波形の立ち上がり時間への影響も最小限です。繰り返しになりますが、測定対象の信号に最小限の影響しか与えない、つまり害の少ないプローブで測定を行いたいものです。テクトロニクスの低容量受動プローブは、アクティブプローブに近いプローブ負荷の利点を提供します。
図9では、アジレントの標準プローブとテクトロニクスのTPP0500Bの容量性負荷を比較しています。その差は劇的です。現代では、信号のエッジはより速く、マージンはより厳しくなっているため、設計者はモデリング、シミュレーション実行、設計の検証に努力を払う必要があります。設計プロセスに時間と労力をかけた場合、測定システムに疑問を持ったり、測定の不正確さによるトラブルシューティングに追加の時間を費やしたくはありません。その場合、プローブ負荷の影響が設計の検証における弱点となっているのではないかと疑問を抱かざるを得ません。
プローブの負荷効果は、測定の不正確さを引き起こすだけでなく、回路動作にも影響を与える可能性があります。図10に示す例では、プローブの大きな入力容量により、信号が重要なセットアップタイムとホールドタイム要件を満たせなくなっています。また、劣化した前縁やリンギングが反射を引き起こし、信号の忠実度を損なう可能性があることもわかります。設計を検証する際に、最後にしたくないのは測定機器と格闘することです。低入力容量のプローブを選択し、干渉をより少なくすることが重要です。
プローブ負荷が測定に与える影響
動画で、テストポイントで起こっていることと、プローブの出力がどのように見えるかの比較を示しています。ご参考にご覧ください。
結論
プローブを選択する際、ユーザーはまず帯域幅やダイナミックレンジなどの主要な仕様を確認します。より知識のあるユーザーは、入力抵抗が大きな値であることを確認するかもしれません。しかし、重要な仕様「プローブの入力容量」がしばしば見過ごされがちです。より小さな入力容量を持つプローブを使用することは重要です。なぜなら、それが干渉や負荷をより少なくするからです。
あなたは、より大きな入力容量を持つプローブを使用して、望む結果を得ているかもしれません。しかし、その結果が本当に正確で信頼できるものかどうかが問題です。テストポイントでは、考慮していた以上のことが起きている可能性があります。プローブが期待通りの信号を再構築しているからといって、結果が正確だとは限りません。より小さな入力容量を持つプローブを使用することで、テストポイントでの干渉や負荷が少なくなり、より正確な測定結果を得られる可能性が大幅に高まります。
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