JP4296058B2 - 四端子抵抗測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、測定信号源として定電流源を有し、測定部側にA/Dコンバータを含む四端子抵抗測定装置に関し、さらに詳しく言えば、定電流源側の基準電圧源と測定部側の基準電圧源とを共用化する技術に関するものである。
四端子抵抗測定法については各種の文献にその記述が見られ、原理的には測定用リード線の配線抵抗やプローブピンの接触抵抗の影響を受けないとされているため、特に低抵抗測定に多用されている。しかしながら、プローブピンの接触抵抗は現実的に無視できないことがある。例えば、特許文献1の図5に示されているように、被測定抵抗体の両端電圧を差動増幅器で受けるような場合に特に問題となる。
すなわち、プローブピンの接触抵抗は一般的には1Ω以下であるが、プローブピンが摩耗したり、大電流時の火花放電により接点が酸化した場合には、1kΩ以上になることが知られている。このように接触抵抗が高い状況のもとで、例えば被測定抵抗体が有する1mΩ程度の抵抗値を正確に測定するには、上記差動増幅器のCMRR(同相信号除去比)として120dB以上が必要となる。
その一方で、ダイナミックレンジを広くしたい場合には、上記差動増幅器のゲインを「1」で使用するのが一般的な手法であるが、このようにすると、CMRRはせいぜいのところ80dB程度に止まってしまう。
そのため、上記特許文献1では測定電流を供給するLo側プローブピンの接触抵抗による電位差をオペアンプの出力電流で吸収する制御ループを設けているが、ここでは、別の例として測定電流供給側(ソース側)と、電圧検出側(センス側)とを絶縁している従来例を図4により説明する。
この四端子抵抗測定装置は、被測定抵抗体Xに測定電流を供給する定電流源10と、被測定抵抗体Xに発生する電圧を検出する測定部20とを備えている。例えば1mΩ程度の低抵抗測定にはきわめて安定した定電流源が必要とされるため、この例では、定電流源10に2つのオペアンプA1,A2を用いている。
すなわち、基準電圧源11を有する一方のオペアンプA1がNチャネル・ジャンクションFET1の内部抵抗を制御して抵抗Rの両端にその基準電圧Vref1に相当する電圧を発生させる。他方のオペアンプA2は抵抗Rに発生した電圧を基準電圧として動作し、Pチャネル・ジャンクションFET2の内部抵抗を制御する。これにより、基準電圧源11の電圧に比例した定電流Iが得られる。
この定電流源10から一対の電流供給端子12a,12bを介して被測定抵抗体Xに測定電流Iが供給される。なお、一方の電流供給端子12aがHi側,他方の電流供給端子12bが電流源側のグランドGND2に接地されるLo側で、R1,R2は接触抵抗を示している。
測定部20には、被測定抵抗体Xに発生する電圧降下を検出する一対の電圧検出端子21a,21bと、電圧検出用のオペアンプA3と、A/Dコンバータ22とが含まれている。一方の電圧検出端子21aがHi側,他方の電圧検出端子21bが測定部側のグランドGND1に接地されるLo側で、R3,R4は接触抵抗を示している。
上記オペアンプA3はHi側電圧検出端子21aに接続されており、その検出電圧がA/Dコンバータ22に与えられる。A/Dコンバータ22には基準電圧源23が接続されている。この従来例においては、Lo側電流供給端子12bの接触抵抗R2による同相電圧(R2×I)の影響を回避するため、測定部側のグランドGND1と電流源側のグランドGND2との間を絶縁抵抗R5で絶縁している。なお、この絶縁抵抗R5は図示しない回路基板やトランスなどに寄生する絶縁抵抗で、通常は数GΩ以上の値を示す。
測定時には、定電流源10から被測定抵抗体X(抵抗値Rx)に測定電流Iが流され、これに伴って被測定抵抗体Xに生ずる電圧降下がオペアンプA3によって検出され、その検出電圧がA/Dコンバータ22によってデシタル信号に変換される。この場合、測定電流Iは基準電圧源11の基準電圧Vref2に比例し、A/D変換の結果(変換精度)は基準電圧源23の基準電圧Vref1に反比例する。この関係を次式(1)に示す。
A/D変換の結果∝RxI/Vref1∝Rx(Vref2/Vref1)…式(1)
また、グランドGND1,GND2間に存在する絶縁抵抗R5の抵抗値をR5とすると、同相電圧(R2×I)によりゼロ点が次式(2)
×I{R4/(R4+R5)}…式(2)
にしたがって変動するが、一般的にLo側電圧検出端子21bの接触抵抗R4は数10Ω以下で、絶縁抵抗R5の抵抗値R5は数GΩ以上である。したがって、一例としてLo側電流供給端子12bの接触抵抗R2が1kΩ,測定電流Iが1mAである場合のゼロ点の変動は0.1μV以下である。
このように、上記従来例によれば、簡単な構成でありながら高い同相信号除去比が得られるが、他方において次のような問題がある。すなわち、定電流源10側と測定部20側とにそれぞれ基準電圧源11と基準電圧源23とを個別的に必要とするが、これらの基準電圧源11,23は、上記式(1)から分かるようにA/D変換の結果に直接的に影響をおよぼす。そのため、両方に用いる基準電圧源11,23は高安定なものでなくてはならず、これがコスト高の原因となっている。
特開平11−38053号公報
したがって、本発明の課題は、定電流源側の基準電圧源と測定部側の基準電圧源とを共用化して、低価格で高精度の四端子抵抗測定装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、一対の電流供給端子を介して被測定抵抗体に測定電流を供給するオペアンプを含む定電流源と、上記測定電流によって上記被測定抵抗体に生ずる電圧を一対の電圧検出端子を介して検出し、その検出電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを含む測定部とを備え、上記電流供給端子および上記電圧検出端子のうちのLo側電流供給端子とLo側電圧検出端子とが、絶縁された異なるグランドに接地されている四端子抵抗測定装置において、記測定部側のA/Dコンバータに基準電圧を与える基準電圧源から上記定電流源に含まれているオペアンプに同一の基準電圧を給電して、上記測定部の基準電圧源を上記定電流源の基準電圧源として共用するとともに、上記測定部から上記定電流源への給電回路に、上記測定電流が上記Lo側電流供給端子から上記測定部側のグランドに流入しないようにするため、ボルテージフォロワの非反転オペアンプを接続したことを特徴としている。
また、装置内電源として、互いに絶縁された上記定電流源側の第1装置内電源と上記測定部側の第2装置内電源とを有し、上記定電流源に含まれるオペアンプおよび上記ボルテージフォロワの非反転オペアンプの各駆動電圧を上記第1装置内電源より得るようにしていることも本発明の特徴である。
本発明によれば、一つの電圧源が定電流源側の基準電圧源として用いられ、また、測定部側の基準電圧源としても用いられる。したがって、A/D変換の結果を示す上記式(1)において、常にVref1=Vref2となるため基準電圧源に安価なものを使用しても測定精度上なんら差し支えない。また、共用電源回路内にボルテージフォロワの非反転オペアンプが接続されているため、測定電流が測定部側のグランドに流れ込むのを防止することができる。
次に、図1ないし図3を参照して、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図1は本発明による四端子抵抗測定装置の第1実施形態を示す回路図で、図2は同四端子抵抗測定装置の電源構成を示す回路図である。図3は本発明の第2実施形態を示す回路図である。なお、この実施形態の説明において、先に説明した図4の従来例と同一もしくは同一と見なされてよい構成要素には、それと同一の参照符号を用いる。
図1の第1実施形態として示すように、本発明による四端子抵抗測定装置は、上記従来例と同じく基本的な構成として、被測定抵抗体Xに測定電流Iを供給する定電流源10と、被測定抵抗体Xに生ずる電圧降下分を測定する測定部20とを備えている。
この例においても、定電流源10には、電流制御素子としてのNチャネル・ジャンクションFET1を制御するオペアンプA1と、Pチャネル・ジャンクションFET2を制御するオペアンプA2とが含まれ、上記FET2よりHi側電流供給端子12aおよびLo側電流供給端子12bを介して被測定抵抗体Xに測定電流Iが流される。Lo側電流供給端子12bは、定電流源10側のグランドGND2に接続されている。
本発明において、定電流源10はオペアンプA1とオペアンプA2の2つのオペアンプを必ずしも必要とするものではなく、場合によっては、定電流源10は一方のオペアンプA1もしくは他方のオペアンプA2のいずれかにより構成されてもよい。
測定部20は、上記Hi側電流供給端子12aとLo側電流供給端子12bとに対応するHi側電圧検出端子21aとLo側電圧検出端子21bと、Hi側電圧検出端子21aに接続された電圧検出用のオペアンプA3と、オペアンプA3から出力される検出電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータ22とを備えており、Lo側電圧検出端子21bは測定部20側のグランドGND1に接続されている。
定電流源10側には定電流を得るための基準電圧源が必要とされ、また、測定部20側にもA/Dコンバータ22に基準電圧を与える基準電圧源が必要とされるが、本発明ではその基準電圧源を一つとしている。
この例では、その基準電圧源として、測定部20のA/Dコンバータ22に基準電圧Vref1を与える基準電圧源23を採用し、この基準電圧源23から定電流源10に含まれているオペアンプA1に同一の基準電圧Vref1を供給するようにしている。
このように、定電流源10側と測定部20側とで基準電圧源を共用化するに伴って、測定電流IがLo側電流供給端子12bから測定部20側のグランドGND1に流入するのを影響を回避するため、この実施形態においては、測定部20側のグランドGND1と定電流源10との間(この例では、オペアンプA1の負荷抵抗Rとの間)にボルテージフォロワの非反転オペアンプA4を接続している。
また、電源系については、Hi側電流供給端子12aから出た測定電流Iが必ずLo側電流供給端子12bを通って定電流源10側に戻り、測定電流Iが電圧検出端子21a,21b側に流入しないようにするため、図2に示すように定電流源10側と測定部20側とで別系統としている。
すなわち、定電流源10側と測定部20側とで、それぞれ個別的に商用電源電圧を所定に降圧するトランス10a,20a、その交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ10b,20bおよび整流平滑回路10c,20cを備え、これにより定電流源10側では第1装置内電源Vcc1を得て上記オペアンプA1,A2,A4に駆動電圧を与えている。また、測定部20側では第2装置内電源Vcc2を得て上記オペアンプA3に駆動電圧を与えている。
この四端子抵抗測定装置において、上記同相電圧(R2×I)の影響によるゼロ点の変動は、Lo側電圧検出端子21bの接触抵抗R4と非反転オペアンプA4の入力インピーダンスRSとによる次式(3)
×I{R4/(R4+RS)}…式(3)
で決まるが、一般的にLo側電圧検出端子21bの接触抵抗R4は数10Ω以下で、非反転オペアンプA4の入力インピーダンスRSは1GΩ以上であるため、例えばLo側電流供給端子12bの接触抵抗R2が1kΩ,測定電流Iが1mAである場合のゼロ点の変動は0.1μV以下である。
また、非反転オペアンプA4を入れたことによる測定電流Iの変動は、オペアンプA1と非反転オペアンプA4のCMRR(同相信号除去比)と開ループゲインAに依存する。一般的に、オペアンプのCMRR,Aは120dB以上であるため、Lo側電流供給端子12bの接触抵抗R2によるオペアンプA1,A4の出力誤差は1μV程度である。これに対して、基準電圧Vref1は通常1V以上とされるため、上記接触抵抗R2による測定電流Iの変動は1μV/1V=1ppm程度に収まる。よって、高精度が維持される。
図3の第2実施形態は、上記第1実施形態を変形して、被測定抵抗体Xに流す測定電流IをグランドGND2からオペアンプA2側に吸い込むように定電流源10の回路を組み替えた例で、この場合には、その測定電流Iが測定部20側のグランドGND1に流れ込まないようにするため、基準電圧源23の正極側の共用電源回路内にボルテージフォロワの非反転オペアンプA4を入れればよい。
本発明によれば、定電流源10側と測定部20側とに同一の基準電圧源を使用することができるため、A/D変換の結果は次式(4)
A/D変換の結果∝RxI/Vref1∝Rx(Vref1/Vref1)=Rx…式(4)
となり、基準電圧源の精度と無関係になる。したがって、基準電圧源に安価なものを使用でき、低価格で高精度の四端子抵抗測定装置を実現できる。
本発明による四端子抵抗測定装置の第1実施形態を示す回路図。 上記第1実施形態での電源構成を示す回路図。 本発明による四端子抵抗測定装置の第2実施形態を示す回路図。 従来の四端子抵抗測定装置を示す回路図。
符号の説明
10 定電流源
12a Hi側電流供給端子
12b Lo側電流供給端子
20 測定部
21a Hi側電圧検出端子
21b Lo側電圧検出端子
22 A/Dコンバータ
23 基準電圧源
A1 シンク側オペアンプ
A2 ソース側オペアンプ
A3 電圧検出用オペアンプ
A4 ボルテージフォロワの非反転オペアンプ
R1〜R4 接触抵抗
X 被測定抵抗体

Claims (2)

  1. 一対の電流供給端子を介して被測定抵抗体に測定電流を供給するオペアンプを含む定電流源と、上記測定電流によって上記被測定抵抗体に生ずる電圧を一対の電圧検出端子を介して検出し、その検出電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータを含む測定部とを備え、上記電流供給端子および上記電圧検出端子のうちのLo側電流供給端子とLo側電圧検出端子とが、絶縁された異なるグランドに接地されている四端子抵抗測定装置において、
    記測定部側のA/Dコンバータに基準電圧を与える基準電圧源から上記定電流源に含まれているオペアンプに同一の基準電圧を給電して、上記測定部の基準電圧源を上記定電流源の基準電圧源として共用するとともに、上記測定部から上記定電流源への給電回路に、上記測定電流が上記Lo側電流供給端子から上記測定部側のグランドに流入しないようにするため、ボルテージフォロワの非反転オペアンプを接続したことを特徴とする四端子抵抗測定装置。
  2. 装置内電源として、互いに絶縁された上記定電流源側の第1装置内電源と上記測定部側の第2装置内電源とを有し、上記定電流源に含まれるオペアンプおよび上記ボルテージフォロワの非反転オペアンプの各駆動電圧を上記第1装置内電源より得ることを特徴とする請求項1に記載の四端子抵抗測定装置。
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