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 1GHzの微小電圧信号の測定について教えてください。
 測定物は数Ω、測定信号は数10μVであり、微小信号です。プローブと電圧アンプとオシロの直列を測定物に対して並列に接続し、測定物の微小電圧をアンプで増幅してから、オシロで観測する予定です。
測定物の信号を高速差動プローブで検出する場合、差動プローブ自体のノイズが数mVと大きく、測定する微小信号が埋もれてしまう可能性から、差動プローブは使用できそうにありません。差動プローブの代わりにSMAのコネクタを接続すると、SMAの低インピーダンスによる負荷効果によって、測定物の特性が変わってしまうと予想されます。
 微小電圧信号、かつ1GHzの波形を観測できる方法はあるのでしょうか?できればオシロで波形観測したいと思ってます。
 また、測定物を並列で測定する場合、インピーダンス整合は必要でしょうか?
 どなたか測定方法を教えてもらえないでしょうか?よろしくお願いします。

A 回答 (2件)

>測定系は測定物(数Ω)と電圧計(入力1MΩ)と電圧アンプ(入力50Ω)を並列に接続し、アンプにオシロが直列につながります。

ケーブルは同軸50Ωを用います。

測定物と計測器に分けると,測定対象は数Ω,計測器は50Ω(50//1M≒50)です.反射は当然ですが起きます.これは反射係数で評価されます.反射係数は,伝送線路のインピーダンスをZ0,測定物のインピーダンスをZとして

Γ=( Z-Z0 )/( Z+Z0 )

で決まる,複素数です.この大きさが電圧としての反射量で,この位相角が反射のときの位相変化です.これが大きい場合は,インピーダンスマッチングは必要でしょう.マッチングの方法はI-Laboratoryさんのホームページの高周波回路教室に詳しく書いてありますので参考にしてください.

疑問ですが,電圧計ってほんとに1GHzで1MΩもあるのでしょうか?高周波でそんなハイ=インピーダンスを作るのは非常に困難です.ふつうのDC用の電圧計では間違いなく1GHzではもっと低いインピーダンスになると思います.その辺はネットワークアナライザでの確認が必要です.(インピーダンスマッチングにもネットワークアナライザは必要ですし)

目的が
>今回の目的はパルス信号の応答で、パルスの色々な組み合わせに素子が応答するかどうか調べることです。
であれば,ちょっと大変にはなりますが,ネットワークアナライザで応答を調べるのがいいのではないでしょうか?これなら,校正をきちんとすれば,振幅と位相が角周波数ごとに分かりますので,パルス波形もフーリエ級数に展開して,ネットワークアナライザの結果を用いて応答にまとめることができると思います.

参考URL:http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/index.htm
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とりあえずは,アクティブプローブ(ハイ=インピーダンス)なのでしょう.


(差動プローブもそうですが)
ただ,μVのオーダーをオシロで測るのは,困難ではないでしょうか?オシロは,数mVなので60dB程度のアンプを入れないといけないですが,こんなゲインの高いアンプは設計が困難です.

その信号の何が知りたいかによりますが,振幅と周波数なら,スペアナを用いたほうが簡単です.測定したいオーダーであれば,アンプなしで測定できます.(20dBuV位なので,但し,RBWはかなり狭くしないといけないかも知れません.)
インピーダンスの件ですが,伝送線路のインピーダンスにマッチングすると,電圧で半分になります.線路インピーダンスが低いとノイズの影響は軽減されます.ハイ=インピーダンスで受けると,ほぼ,測定電圧が得られますが,ノイズの影響は受けやすくなるので,測定は難しくなると思います.

この回答への補足

ご回答、本当にありがとうございます。今回の目的はパルス信号の応答で、パルスの色々な組み合わせに素子が応答するかどうか調べることです。オシロでの測定は難しいと思いますが、やはりなんとか測定したいのが本音です。新たな質問になってしまいますがお願いします。測定系は測定物(数Ω)と電圧計(入力1MΩ)と電圧アンプ(入力50Ω)を並列に接続し、アンプにオシロが直列につながります。ケーブルは同軸50Ωを用います。測定物本来の電圧を測定するため、1MΩの電圧計をつないだまま、50Ωのアンプ-オシロで観察するとします。素子から見た電圧計などの合成インピーダンスは大きいのですが、電圧計以外の同軸やアンプは50Ωです。素子と合成インピーダンスの間で信号の反射がかなり起きている状態でしょうか?同軸50Ωからの信号は1MΩ電圧計の手前で反射しますか?、アンプの手前では反射しないのでしょうか?また、アンプに信号をきれいに伝えるにはどのようにしたらよいでしょうか?もしくはどこかにインピーダンス整合回路を挿入する必要があるのでしょうか?よろしくお願いします。

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 素  電   ア      
 子  圧   ン        
 |   計   プ          
 |   |    |          
 ------------

補足日時:2005/04/08 13:14
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この回答へのお礼

周囲に答えてもらえる人がおらず、先に進むことができずにいました。ありがとうございました。

お礼日時:2005/04/08 12:07

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Q入力電圧が微小電圧(数μV)で使えるオペアンプの選定

・入力電圧 5[μV]~10[mv]
・電圧利得 100[dB]程度
以上の条件で増幅回路を設計しようと考えています。
手元にあるオペアンプ(μPC4572C)は使えるのでしょうか。

微小電圧を扱う場合は、ノイズ対策が重要だと聞きますが、
そもそも、数μVという電圧を扱う回路を素人が個人が作ることは可能なのでしょうか。

どなたかご助言を頂けないでしょうか。

Aベストアンサー

tanceです。
どうやらセンサはストレインゲージのような抵抗ブリッジのようですね。

そして、10mVの中の40μVをみたいということだと解釈しました。

これだとそれほど難しい計測ではないでしょう。OPアンプは例えば
OP177あたりで十分です。(チョッパアンプである必要はありません)
(帯域があまり重要でない場合の話しです)

帯域は、信号の変化にどのくらいの速さで追従する必要があるかで
決まります。振動などの解析で、例えば1秒間に1000データ取る
必要があるシステムと、タンクの液体の温度を1日10回とるのと
では、要求される動作スピードが違います。

動作スピードが違うとノイズに影響します。外部から侵入してくる
ノイズや、もともと内部に持っているノイズなどは、高速応答する
系では大きなノイズとなりますが、低速でよければ同じ環境でも
ノイズを減らせます。

上記のOP177を使うとおそらく数100Hzくらいの帯域になると思います。
これだと、入力に10mVの急変があってから約3msec後には出力は
誤差40μV以内にまで追従するでしょう。(出力は約3msec遅れて
追従する)(数値は相当なる概算です)

あとは、外来ノイズ(自分の電源なども含めて)の侵入をどれだけ
防げるかです。これにはいろいろと手がありますが、ここでは
書ききれません。

あと、もし信号源がブリッジであって、バランス点だけを検出する
のであればブリッジの電源精度はあまり問題にならないのですが、
どうもこのテーマではアンバランス量を計る必要がありそうですね。

すると、ブリッジの電源の安定度が問題になります。仮に10V加えた
として、±10mVくらいの安定度が欲しいところです。

勝手にブリッジと仮定しておりますが、違っていたら無視してください。

tanceです。
どうやらセンサはストレインゲージのような抵抗ブリッジのようですね。

そして、10mVの中の40μVをみたいということだと解釈しました。

これだとそれほど難しい計測ではないでしょう。OPアンプは例えば
OP177あたりで十分です。(チョッパアンプである必要はありません)
(帯域があまり重要でない場合の話しです)

帯域は、信号の変化にどのくらいの速さで追従する必要があるかで
決まります。振動などの解析で、例えば1秒間に1000データ取る
必要があるシステムと、タンクの液体の温...続きを読む

Qボルテージフォロワの役割がよく分かりません。

ボルテージフォロワは、電流が流れることで寄生抵抗によって電圧値が低下しないようにするために、回路の入力段及び出力段に入れるものであると思いますが、
これを入れるのと入れないのでは具体的にどのような違いが表れるのでしょうか?

オペアンプを使った回路では通常、電流は流れないはずですので、このようなものは必要ないように思うのですが、どのような場合に必要になるのでしょうか?

Aベストアンサー

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗にほぼ等しい。この抵抗の大きさはさほど大きくできない。)
非反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができます(非反転増幅回路の入力インピーダンスは非反転入力と反転入力のピン間インピーダンスにほぼ等しく、かなり大きな値になる。)が、増幅率が1よりも大きくなってしまいます。
これを元の信号のレベルに下げるために抵抗で分圧してしまうと、分圧に使用した抵抗分出力インピーダンスが増えてしまいます。これでは何のためにオペアンプを入れて電流の影響を減らしたの意味がなくなってしまいます。
元の電圧のまま、次の段に受け渡すにはボルテージフォロワがよいということになります。


次に、#1の補足に対して。
>反転増幅回路と非反転増幅回路は単に反転するかしないかの違いだと思っていたのですが、
>それ以外に特性が異なるのですか?
これは、上でも述べていますが、反転増幅回路と非反転増幅回路は、増幅回路の入力インピーダンスが異なります。
信号源の出力インピーダンスが大きく、電流が流れると電圧が変化してしまような用途では入力インピーダンスを高くできる非反転増幅が有利です。

>・出力インピーダンスとは出力端子とグラウンド間のインピーダンスだと思っていたのですが、それでいくと分圧するということは
>出力インピーダンスを下げることになるのではないのでしょうか?
違います。出力インピーダンスとは信号を発生させている元と入力先との間のインピーダンスを意味します。
出力インピーダンスは信号源から流れる電流による電圧降下の大きさを決定付けます。
オペアンプを使った回路での出力インピーダンスは、理想的な状態ですはゼロになります。
分圧用の抵抗を入れてしまうと、分圧に使用した抵抗のうち信号源と入力先に入っている抵抗分が出力インピーダンスとして寄与していしまいます。

>・それと非反転増幅回路の出力を抵抗などで分圧することで増幅率を1以上にするデメリットを教えて下さい。
これは、何かの勘違いですね。
非反転増幅回路で増幅率を1よりも大きくしたいのなら分圧などする必要はありません。
非反転増幅で増幅率を1以下にしたい場合は、何らかの方法で信号を減衰させる必要があります。ここで分圧を使うのはあまり好ましいことではないということです。

#1のものです。

ちょっと説明がうまくなかったようです。
ボルテージフォロワを使用するのは、次の段の入力インピーダンスが小さく電流がある程度流れる場合に、信号を元の電圧をそのまま受け渡す際に使用します。
とくに信号源の出力インピーダンスが大きいときは信号源に流れる電流を減らすため、受ける側の入力インピーダンスを大きくする必要があります。
反転増幅回路を用いると、入力インピーダンスを大きくすることができません。(反転増幅回路の入力インピーダンスは信号源と反転入力端子の間の抵抗...続きを読む


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