JP3862783B2

JP3862783B2 - インピーダンス測定装置

Info

Publication number: JP3862783B2
Application number: JP16724096A
Authority: JP
Inventors: 秀樹若松
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1996-06-27
Filing date: 1996-06-27
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2016-06-27
Also published as: JPH1010170A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はインピーダンス等の回路定数や材料の特性を、特に高周波広帯域で測定するインピーダンス測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の４端子対インピーダンス測定装置の基本構成を図３に示す。測定信号源１３の測定電流が、抵抗１２及び同軸ケーブル１１を経由してＨｃ測定端子１０から測定対象６０の１つの端子６１へ供給される。測定電流は、測定対象６０のもう一方の端子６２からＬｃ測定端子４０に流れ、同軸ケーブル４１を経由して電流計４２で測定される。
【０００３】
一方測定対象の端子６２の電位が、Ｌｐ測定端子３０から同軸ケーブル３１を介して、Ｌｐ増幅回路３２の反転入力に印加されている。またＬｐ増幅回路３２の非反転入力は同軸ケーブルの外部導体に接続されている。Ｌｐ増幅回路３２の出力が、可変電流源４３を制御して、測定対象の端子６２の電位を増幅回路３２の非反転入力の電位に等しくする。すなわち端子６２の電位が、同軸ケーブルの外部導体の電位に保持される。同軸ケーブルの外部導体は互いに接続され、その電位はインピーダンス測定装置のグランド電位である。グランド電位は、グランド端子６３から外部に出力されている。
【０００４】
測定対象６０の端子６１の電位は、Ｈｐ測定端子２０から同軸ケーブル２１を介して電圧計２２で測定される。前述のように端子６２の電位がグランド電位に保たれるので、電圧計２２は測定対象６０の両端に印加される電圧を測定することになる。したがって該電圧測定値と電流計４２の測定値の比から所望のインピーダンス測定値を求めることができる。
【０００５】
４端子対測定法は、４つの測定端子の接触抵抗の影響を受けないすぐれた測定方法である。しかし測定周波数が高くなると、Ｈｐ測定端子２０の同軸ケーブル２１及びＬｃ測定端子４０の同軸ケーブル４１の中心導体と外部導体間の静電容量と接触抵抗が測定誤差を発生させる。
【０００６】
図４に、測定対象の端子６１とＨｐ測定端子２０との接触抵抗２７及び同軸ケーブル２１の静電容量２８が構成する等価回路を示し、これらが電圧測定に誤差を与えることを以下に述べる。
以後、この静電容量のインピーダンスを「ケーブルのシャントインピーダンス」と呼ぶことにする。
【０００７】
周波数が低いときは同軸ケーブルのシャントインピーダンス２８が十分高く、Ｈｐ測定端子２０と測定対象の端子６１間の接触抵抗２７で電圧２２の読みが降下する事はない。ところが周波数が高くなるにつれケーブルのシャントインピーダンス２８は低くなり、これと接触抵抗２７の間で分圧が生じる。この分圧によって、電圧計２２の電圧測定に誤差を生じる。
【０００８】
図５に、測定対象の端子６２とＬｃ測定端子４０との接触抵抗５３及び同軸ケーブル４１の静電容量（シャントインピーダンス）５４が構成する等価回路を示し、これらが電流測定に誤差を与えることを以下に述べる。
接触抵抗５３は、測定対象の端子６２とＬｃ端子４０間に電位を発生させるため、この電位差をケーブルのシャントインピーダンスで除した電流がシャントインピーダンス５４に流れる。この電流が、測定対象の電流に重畳して電流計４２に流れるので、測定誤差を生じる。
【０００９】
測定周波数が高くなるほど同軸ケーブルの静電容量によるシャントインピーダンスが低下するため、従来の４端子対法では高い周波数になるほど接触抵抗の影響が大きくなって、測定誤差が増大する。しかも接触抵抗は再現性がないため、この誤差を補正で取り除くことはできない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
インピーダンス測定装置の４端子対の測定端子と測定対象との間の接触抵抗に測定ケーブルの静電容量が負荷になって測定誤差を生じる。この測定誤差を取り除き、高周波で再現性の良い高精度の測定を実現させる事が本件のねらいである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
Ｈｐ測定端子と電圧測定部との間を２重シールド構造のケーブルで接続する。増幅回路の作用により該ケーブルの中間導体を中心導体と同電位に保ち、中心導体と中間導体間の静電容量の効果を除去する。
Ｌｃ測定端子と電流測定部との間は、同軸ケーブル２本並列の外側にシールド導体を有する２重シールド構造のケーブルで接続する。増幅回路の作用により該ケーブルの中間導体（同軸ケーブルの外部導体）を中心導体と同電位に保ち、該ケーブルの静電容量の効果を除去する。
【００１２】
【実施例】
図１に本発明の第１の実施例を示す。従来技術の図３と同じ機能の構成要素には同じ参照記号を付してある。Ｈｐ測定端子２０と電圧測定部との間は、トライアキシャル・ケーブル２４で接続されている。トライアキシャル・ケーブル２４は、２重シールドケーブルの一種であり、同軸ケーブルの中心導体と外部導体の間に網状の中間導体を持つ構造である。
【００１３】
増幅回路２３の非反転入力にはトライアキシャル・ケーブル２４の中心導体が、反転入力には中間導体が接続されている。また出力が反転入力に帰還されているので、反転入力及び中間導体は中心導体と等電位に維持される。このため、トライアキシャル・ケーブルの中心導体と中間導体の間の静電容量には電流が流れず、Ｈｐ測定端子２０とグランド間のシャントインピーダンスは原理上無限大となる。
測定対象の電圧測定は、トライアキシャル・ケーブル２４の中間導体と外部導体間の電圧を測定すればよい。
【００１４】
Ｌｃ測定端子４０と電流測定部との間は、２本の同軸ケーブル４４及び４５並びに該同軸ケーブルを包み込む外部シールド編組４６から構成される２重シールドケーブルで接続されている。同軸ケーブル４４及び４５の中心導体は、Ｌｃ測定端子４０に接続されている。同軸ケーブル４４の電流測定部側の中心導体は増幅回路４７の反転入力に、外部導体は非反転入力に接続され、増幅回路４７の出力が可変電流源４３を制御する。同軸ケーブル４５の中心導体と外部導体間に、電流計４２と可変電流源４３の直列接続が接続されている。また、同軸ケーブル４５の外部導体は、Ｌｐ測定端子３０の電圧を増幅する増幅回路３２で制御される。
【００１５】
増幅回路３２の出力は、同軸ケーブル４５と可変電流源４３との接続点に接続されている。Ｌｐ測定端子の電位は、増幅回路３２、同軸ケーブル４５の外部導体、同軸ケーブル４４の外部導体及び増幅回路４７を介して電流源４３の制御に用いられる。その結果、同軸ケーブル３１の中心導体と外部導体が同電位に、同軸ケーブル４４及び４５の中心導体と外部導体が同電位に制御される。同軸ケーブル４５の中心導体と外部導体の電位差がないため、静電容量に電流が流れない。接触抵抗による電位降下がどうであろうとも、同軸ケーブル４５の静電容量に電流は流れないため、電流計４２に余分な電流は流れ込まない。
【００１６】
以上のように、Ｈｐ測定端子２０におけるシャントインピーダンスに電流が流れない手段を考案し、測定対象６０の両端の電圧を忠実に検出し、またＬｃ測定端子４０における接触抵抗で発生する電圧に関わらず、測定対象６０を通過する電流を忠実に検出できる手段を考案した。
【００１７】
本発明の第２の実施例として、ケーブルにインピーダンス整合を施した例を図２に示す。第１の実施例で示した基本動作と効果に何ら影響を与える事なく、各ケーブルに整端を行っている。整端の目的は、測定周波数の１／４波長がケーブル長に近づく、あるいは越す場合に生じる、ケーブル共振の特異点の問題を解消することである。なお、通常の４端子対の整端の有効性に関しては、特願昭６３−１６７０６１で説明されている。また類似トライアキシャル・ケーブルの整端例が、特願平５−３５２０１２にある。
【００１８】
図２では、同軸ケーブルの特性インピーダンスはすべてＲoである例を示した。また、トライアキシャル・ケーブルは、中心導体と中間導体間の特性インピーダンス及び中間導体と外部導体間の特性インピーダンスがそれぞれＲoである例を示した。
Ｈｐ測定端子２０と電圧測定部との間はトライアキシャル・ケーブル２４及び同軸ケーブル２１で接続されている。トライアキシャル・ケーブル２４の中心導体は、Ｈｐ測定端子２０の検出電圧を増幅回路２３の非反転入力に印加する。増幅回路２３の反転入力には増幅回路２３の出力及びトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続されている。したがって、トライアキシャル・ケーブルの中間導体の電位は中心導体の電位に等しくなる。トライアキシャル・ケーブル２４の中心導体と中間導体の間には抵抗２５が接続されてインピーダンス整合している。
【００１９】
実施例１と同様に、増幅回路２３のグランドはトライアキシャル・ケーブル２４の外部導体に接続されていて、トライアキシャル・ケーブル２４の中間導体と外部導体間の電圧は、Ｈｐ測定端子２０の電圧に等しい。
【００２０】
トライアキシャル・ケーブル２４のＨｐ端子側の中間導体は同軸ケーブル２１の中心導体に接続され、同軸ケーブル２１の外部導体はトライアキシャル・ケーブル２４の外部導体に接続されている。
同軸ケーブル２１の電圧測定部側には、整合のための抵抗２６が接続されているので、同軸ケーブル２１はトライアキシャル・ケーブル２４に整合して接続され、Ｈｐ測定端子２０の電圧に等しい電圧が抵抗２６の両端に現れる。これを電圧計２２で読みとる。
【００２１】
Ｌｃ測定端子４０と電流測定部との間は、２本のトライアキシャル・ケーブル４８及び４９で接続されている。図１のケーブルの外部シールド編組４６を分割して同軸ケーブル４４及び４５のそれぞれに外部シールドを施し、２本のトライアキシャル・ケーブルにした構成になっている。トライアキシャル・ケーブル４８及び４９に整合のための抵抗５１、５０及び５２を接続している。
また同軸ケーブル１１及び３１には、それぞれ抵抗１４及び３３を接続して整合を得ることできる。
なお第２の実施例の図２において、整端のための抵抗２５、２６、３３、５０、５１及び５２がなく、抵抗１４が整端抵抗でない場合、第１の実施例と等価の構成になる。
【００２２】
以上に述べた接触抵抗が、接触インピーダンスの場合でも本発明が適用できることは明らかである。また、測定端子の先端部のリード線の若干のインピーダンスや、固体や液体などの材料を探針で４端子測定する場合のバルク中の広がり抵抗に対しても、Ｈｐ測定端子及びＬｃ測定端子のシャントインピーダンスの影響を除去できる。
以上に本発明の実施例を示したが、例示の様式、配置、その他に限定するものでなく、必要に応じて本発明の要旨を失うことなく構成の変化も許容される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の４端子対測定法によれば、高周波において測定対象と測定端子との間の接触抵抗の心配なく、再現性の良い電気部品測定が可能になり、実用に供し有益である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図３】従来技術のインピーダンス測定装置の例を示す図である。
【図４】Ｈｐ測定端子における接触抵抗の効果を示す図である。
【図５】Ｌｃ測定端子における接触抵抗の効果を示す図である。
【符号の説明】
１０：Ｈc測定端子
１１：同軸ケーブル
１２：抵抗
１３：信号源
１４：抵抗
２０：Ｈｐ測定端子
２１：同軸ケーブル
２２：電圧計
２３：増幅回路
２４：トライアキシャル・ケーブル
２５：抵抗
２６：抵抗
２７：Ｈｐ測定端子における接触抵抗
２８：同軸ケーブルの静電容量
３０：Ｌｐ測定端子
３１：同軸ケーブル
３２：増幅回路
３３：抵抗
４０：Ｌｃ測定端子
４１：同軸ケーブル
４２：電流計
４３：電流源
４４：同軸ケーブル
４５：同軸ケーブル
４６：外部シールド編組
４７：増幅回路
４８：トライアキシャル・ケーブル
４９：トライアキシャル・ケーブル
５０：抵抗
５１：抵抗
５２：抵抗
５３：Ｌｃ測定端子における接触抵抗
５４：同軸ケーブルの静電容量
６０：測定対象
６１：測定対象の端子
６２：測定対象の端子
６３：グランド端子

Claims

測定対象に印加された電流および電圧を測定して該測定対象のインピーダンスを測定する装置において、
互いに絶縁された中心導体、中間導体、および、外部導体を有し、前記測定対象に印加された電圧を電圧測定手段に導くための第１のケーブルと、前記電圧測定手段と、を有する電圧測定回路と、
互いに絶縁された中心導体、中間導体、および外部導体を有し、前記測定対象に印加された電流を電流測定手段に導くための第２のケーブルと、前記電流測定手段と、を有する電流測定回路と、
を備えて成り、前記電圧測定回路および前記電流測定回路の少なくとも一方は、その回路に含まれる前記ケーブルの中間導体を中心導体とほぼ等しい電位に保持するための手段を備えている、
ことを特徴とするインピーダンス測定装置。
前記電圧測定回路は、
前記測定対象の一端に中心導体の一端が接続されたトライアキシャル・ケーブルと、
その非反転入力が前記トライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端に接続され、その反転入力及び出力が前記トライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された第１の増幅器と、
前記トライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記トライアキシャル・ケーブルの外部導体との間に接続された電圧測定手段と、
を備えて成り、
前記第１の増幅器により、前記トライアキシャル・ケーブルの中間導体と中心導体とがほぼ同電位に制御される、
ことを特徴とする請求項１記載のインピーダンス測定装置。
前記電流測定回路は、
その一端が前記測定対象の他端に接続された第１の中心導体と、その一端が前記測定対象の他端に接続された第２の中心導体と、それぞれが前記第１の中心導体および前記第２の中心導体を取り囲み、互いに接続された第１の中間導体および第２の中間導体と、前記第１の中間導体および前記第２の中間導体を取り囲む外部導体と、を有するケーブルと、
前記第１の中心導体の他端と前記第１の中間導体との間に接続された、電流測定手段と可変電流源との直列回路と、
その反転入力が前記第２の中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記第２の中間導体に接続され、その出力が前記可変電流源を制御する第２の増幅器と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続された同軸ケーブルと、
その反転入力が前記同軸ケーブルの中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記同軸ケーブルの外部導体に接続され、その出力が前記可変電流源と前記第１の中間導体との接続点に接続された第３の増幅器と、
を備えて成り、
前記第３の増幅器により前記第１の中間導体と前記第１の中心導体とがほぼ同電位に制御される、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインピーダンス測定装置。
測定信号を測定対象の一端に導くためのＨｃケーブルと、
その中心導体の一端が前記測定対象の一端に接続されたＨｐトライアキシャル・ケーブルと、
その非反転入力が前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端に接続され、その反転入力および出力が前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された第１の増幅器と、
前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの外部導体との間に接続され、前記測定対象に印加された電圧を測定するための電圧測定手段と、
その一端が前記測定対象の他端に接続された第１の中心導体および第２の中心導体と、それぞれが前記第１の中心導体および前記第２の中心導体を取り囲み互いに接続された第１の中間導体および第２の中間導体と、前記第１の中間導体および前記第２の中間導体を取り囲む外部導体と、を有するＬｃケーブルと、
前記第１の中心導体の他端と前記第１の中間導体との間に接続された、前記測定対象に印加された電流を測定するための電流測定手段と可変電流源との直列回路と、
その反転入力が前記第２の中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記第２の中間導体に接続され、その出力が前記可変電流源を制御する第２の増幅器と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続されたＬｐ同軸ケーブルと、その反転入力が前記Ｌｐ同軸ケーブルの中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記Ｌｐ同軸ケーブルの外部導体に接続され、その出力が前記可変電流源と前記第１の中間導体との接続点に接続された第３の増幅器と、
を備えて成り、
前記第１の増幅器により、前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブル中心導体とがほぼ同電位に制御され、前記第３の増幅器により前記Ｌｃケーブルの第１の中間導体と前記Ｌｃケーブルの第１の中心導体とがほぼ同電位に制御される、
ことを特徴とする４端子対測定法を用いたインピーダンス測定装置。
前記電圧測定回路は、
その中心導体の一端が前記測定対象の一端に接続されたトライアキシャル・ケーブルと、
その非反転入力が前記トライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端に接続され、その反転入力および出力が前記トライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された第１の増幅器と、
その中心導体の一端が前記トライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された同軸ケーブルと、
前記同軸ケーブルの中心導体の他端と前記同軸ケーブルの外部導体との間に接続された電圧測定手段と、
を備えて成り、
前記第１の増幅器により、前記トライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記トライアキシャル・ケーブルの中心導体とがほぼ同電位に制御される、
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。
前記電流測定回路は、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続された第１のトライアキシャル・ケーブルと、
前記第１のトライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端と前記第１のトライアキシャル・ケーブルの中間導体との間に接続された、電流測定手段と可変電流源との直列回路と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続され、その中間導体の一端が前記第１のトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された第２のトライアキシャル・ケーブルと、
その反転入力が前記第２のトライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記第２のトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続され、その出力が前記可変電流源を制御する第２の増幅器と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続された同軸ケーブルと、
その反転入力が前記同軸ケーブルの中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記同軸ケーブルの中心導体の外部導体に接続され、その出力が前記第１のトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記可変電流源との接続点に接続された第３の増幅器と、
を備えて成り、
前記第３の増幅器により前記第１のトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記第１のトライアキシャル・ケーブルの中心導体とがほぼ同電位に制御される、
ことを特徴とする請求項１または請求項５に記載のインピーダンス測定装置。
測定信号を測定対象の一端に導くためのＨｃケーブルと、
その中心導体の一端が前記測定対象の一端に接続されたＨｐトライアキシャル・ケーブルと、
その非反転入力が前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端に接続され、その反転入力および出力が前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された第１の増幅器と、
その中心導体の一端が前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続されたＨｐ同軸ケーブルと、
前記Ｈｐ同軸ケーブルの中心導体の他端と前記Ｈｐ同軸ケーブルの外部導体との間に接続され、前記測定対象に印加された電圧を測定するための電圧測定手段と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続された第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルと、
前記第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端と前記第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中間導体との間に接続された、前記測定対象に印加された電流を測定するための電流測定手段と可変電流源との直列回路と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続され、その中間導体の一端が前記第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続された第２のＬｃトライアキシャル・ケーブルと、
その反転入力が第２のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中心導体の他端に接続され、その非反転入力が第２のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中間導体に接続され、その出力が前記可変電流源を制御する第２の増幅器と、
その中心導体の一端が前記測定対象の他端に接続されたＬｐ同軸ケーブルと、その反転入力が前記Ｌｐ同軸ケーブルの中心導体の他端に接続され、その非反転入力が前記Ｌｐ同軸ケーブルの外部導体に接続され、その出力が前記第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記可変電流源との接続点に接続された第３の増幅器と、
を備えて成り、
前記第１の増幅器により、前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記Ｈｐトライアキシャル・ケーブルの中心導体とがほぼ同電位に制御され、前記第３の増幅器により前記第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中間導体と前記第１のＬｃトライアキシャル・ケーブルの中心導体とがほぼ同電位に制御されることを特徴とする、４端子対測定法を用いたインピーダンス測定装置。
前記ケーブルのそれぞれの測定手段側端において、それぞれの前記ケーブルとインピーダンス整合する手段を接続した、
ことを特徴とする請求項５、請求項６、または、請求項７のいずれかに記載のインピーダンス測定装置。