インピーダンス測定

チップ上でカスコード接続回路の出力インピーダンスを向上させる研究を行っており、その出力インピーダンスを測定することを目的としています。そのためにVoutに流れる電流量を測定したいです。
シミュレーション上ではVoutに流れる電流は300uA±1uA未満となっています。周波数は10MHz以下を想定しています。
R=Vp-p/Ip-pでは約300kΩとなる計算です。
問題点としては
・周波数が低いのでインダクタを使えない
・直流電流300uAを流す必要がある
・グラウンドに接続する
これらの問題を解決して電流を測定する、もしくはインピーダンス値を測定する方法をご教授いただきたいです。よろしくお願いします

No.4 ベストアンサー 回答者： tance 回答日時： 2012/11/10 19:58

No.2 tanceです。

直流バイアス300uAを流した状態で、100kHz～10MHzの交流に対する出力インピーダンスを測りたいという事でよろしいですね。

もし測定結果が300kΩだったら、全ストレー容量が0.053pF以下であった訳で、これは手を近づけただけで変わる量なので、結果的に何を測っているか、極めて怪しい測定になってしまいます。でも、本当にそんなインピーダンスなのだとすると、本格的に測定治具を作らなければ測れないでしょう。本当にそんなインピーダンスなのかどうか概略を測るのが先決です。

さて、概略だけでも簡単に測るには以下の方法が良いでしょう。
直流は例えば、30Vの直流電源を用意して、そこから100kΩの抵抗を通して、ドレインバイアスを流します。100kΩは抵抗１本ではストレー容量が大きすぎて上記のようなハイインピーダンスには適さないので、10kΩの小さな抵抗を10本直列につなぎます。とにかくGNDや電源からできるだけ遠ざけてください。

そして、ドレイン出力からコンデンサ結合でオシロスコープのプローブにつなぎます。プローブは１０：１の10MΩのものが良いでしょう。その際、結合コンデンサの値を1pF程度にします。多くの１０：１プローブの入力容量は10pFくらいはあるので、この1pFにより信号の大きさは容量分割され、1/11になります。でも入力インピーダンスは1pFによるリアクタンス以上が確保されます。

出力インピーダンスを測る訳ですから、被測定FETには信号を与えずに、出力電圧を外部からゆすって、そのときの出力電流を測定する必要があります。外部から与える信号は回路のGNDとオシロのGNDの間に加えます。ここには出力インピーダンス50Ωの発振器が使えます。（当然回路側のGNDとオシロのGNDはつなぎません）でも容量などで、中途半端なつながりができてしまうでしょう。なので、オシロのCH2で、オシロのGNDを基準にした回路GNDの高周波電圧を実測する必要があるでしょう。

このまま測っただけでは不十分です。まず、1pF＋プローブの感度を別の発振器などで校正しておく必要があります。つまり、この1pF＋プローブをつないでも何の影響もない信号源（普通のジェネレータ）の既知の信号がどのように見えるのかを知っておくわけです。

さらに、得られたインピーダンス値（当然電流に換算して計算）から、100kΩの抵抗と1pF＋プローブの分を計算で差し引きます。並列になるわけですから単なる引き算ではありませんが、既知のもの（100kΩと1pF＋プローブ）と本当の被測定物のインピーダンスが並列になったものが測れた、と解釈する訳です。

それでも300kΩを正確に計ることは至難の業だと思いますよ。そして、実際数10kΩあれば良くできた方だと思います。

高周波のハイインピーダンスを測定するだけでひとつのテーマになる内容を含んでいます。頑張ってください。

この回答へのお礼

丁寧に教えて頂き有難うございました。
もう少し頑張って測定しようと思います

お礼日時：2012/11/12 15:47

No.3 回答者： tance 回答日時： 2012/11/01 12:18

質問をそのまま受け取ると、10MHzで300kΩの出力インピーダンスを測りたい、ということになるかと思います。

これは静電容量にして0.053pFです。しかもFETの内部の容量やパッケージの容量などの合計がこれよりはるかに小さくないと測ったことになりません。これは不可能ではありませんが、普通に考えると無理です。

それとも、直流的な内部抵抗だけ測れば良いのでしょうか。それなら、300uA中の1uAを測る手法ということになります。
安定な300uAを差し引くことで変動分だけを高感度電流計で測れば良いでしょう。

または、１ｋHzオーダーでも良いのであれば、コンデンサ結合で測れます。いずれにしても、ドレイン電圧を外部から変化させて、そのときの負荷電流を測ることになるので、同相除去がどこまでできるかが勝負です。

何か、質問の主旨とちがいますかねぇ。

No.2 回答者： tadys 回答日時： 2012/11/01 12:00

インピーダンスって、直流でのインピーダンス？、交流でのインピーダンス？

１０MHｚ以下と有るけど下限はいくつなの？

＞Voutに流れる電流量を測定したいです。
電流量って、直流の電流？、交流の電流？

＞300uA±1uA未満
未満って言うからにはもっと少ない場合も有るんですよね？

＞周波数が低いのでインダクタを使えない
周波数に合わせてインダクタの値を変えれば良い。
インダクタが使えない周波数では抵抗を使えば良い。
直流ならば、定電圧回路から電流を供給して電圧の変化と電流の変化を測定すればよい。
どの様にするかは使用する測定器による。

＞直流電流300uAを流す必要がある
出力インピーダンスの高い回路に外部から定電流を流すと出力電圧が安定な動作点にならないので測定できません。
低いインピーダンスの電源から電流を供給するか、フィードバックで出力電圧を安定化する必要が有ります。
フィードバックを使えばその分インピーダンス測定に影響を与えます。

＞ラウンドに接続する
何をグランドに接続するんですか？

一番重要な質問ですが、どんな機材が使用可能なんですか？

こんなのが使用出来れば良いんですが。（およそ\500万）
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5968 …
被測定回路に直流バイアスを加える事が出来ます。

こちらでもいいですが（およそ\300万）
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5990 …
（直流バイアスオプションが必要です）

バイアス回路に工夫が必要ですが、こんなものも有ります。（およそ\100万）
http://www.instek.co.jp/product/lcr/1mhz/lcr8110 …

お金が無いのであれば、直流でのYパラメータの測定と、低価格のLCRメータで出力容量を測る程度で我慢するんですね。
低価格のLCRメータは例えば、（\8400）
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-05469/

この回答への補足

周波数範囲は100kHz-10MHzを想定しています。
直流電流は300uAで、交流電流が100nA～1uAとなることを想定しています。交流電流の方を測定したいです
N型MOSFETを2段に重ね、上のMOSのドレインをout、下のMOSのソースをグラウンドに設置します
測定器は一般の大学の研究室にあるような中古品です。デジタルマルチメータ、アナログオシロ、ディジタルオシロ、シグナルジェネレータ、ロジックアナライザ、スペクトラムアナライザ、パラメータアナライザ、ネットワークアナライザ、ノイズフィギュアアナライザです

補足日時：2012/11/01 15:42

No.1 回答者： moochi99 回答日時： 2012/11/01 09:26

電流を測るのですから実際の負荷を接続して電流計で測る事になりますよね。

抵抗なのか電流ソースなのか分からないですが、何らかの負荷が接続されるとすればそこを電流計で測ればいいと思います。

或いはハイインピーダンス整合させたネットワークアナライザで直接インピーダンスを測るとか。


抵抗負荷なら1MΩの抵抗を接続して300V位加えるとか、これはまあ定電流源で代用出来ると思いますが、そんな感じではないのでしょうか。

もしかしたら私の質問の理解力が不足しているのかも。

この回答への補足

振幅1uA未満の電流値を測定することが難しいらしいのですが、
市販されている電流計で測定できないそうなんです

補足日時：2012/11/01 11:12