I/Vアンプ（電流/電圧変換増幅器）

微小な電流信号を測定するためには、低雑音のI/Vアンプを使用することが重要なのは言うまでもありません。さらに、適切な測定機器の設置や最適な測定条件に設定することが大切です。ここでは、微小な電流信号を測定する際に注意するべき点を紹介します。

• 1. 信号増幅前の雑音低減方法
• 2. 信号増幅後の雑音低減方法

1. 信号増幅前の雑音低減方法

センサからI/Vアンプで増幅するまでの入力部において、主に下記2点に注意する必要があります。

• 外乱の影響を小さくする
• I/Vアンプの入力付加容量Csを小さくする

外来雑音の影響を小さくする

I/Vアンプの入力部の信号レベルは小さいため、外来雑音による影響を最小限にすることが重要です。外来雑音を低減するためには、下記の対策が効果的です。

I/Vアンプの入力付加容量Csを小さくする

一般的に、I/VアンプのCsが大きくなると、下記のような影響があります。

a) I/Vアンプの動作が不安定になる
b) 雑音が増加する

a)については、I/Vアンプの特長の「入力に大きな容量が付いても安定動作」で説明しましたので、ここでの説明は割愛します。なお、弊社のSA-600シリーズを使うことでCsによらず、安定したI/Vアンプの動作が実現可能です。

b)について、図1に示す一般的なI/Vアンプの回路図と入力換算雑音電流のグラフを用いて説明します。
図9に示すように、入力換算雑音電流は周波数が高くなるに伴い増加し、I/Vアンプ内部回路の動作範囲を超えると減衰します。Csが大きいと、入力換算雑音電流はより低い周波数から増加し始めるため、雑音電流は大きくなります。

図9　一般的なI/Vアンプの回路図と入力換算電流雑音

図10に、SA-607F2(LPF設定＝THRU)においてCsが10pFと1000pFのときの出力雑音波形を示します。Csが100倍大きくなると、出力雑音が10倍以上になっており、微小信号検出のためにはCsを小さくすることが重要であることがわかります。
Csを小さくするためには、容量の小さいセンサの選定、センサからI/Vアンプまでの配線長を可能な限り短くすること、容量の小さいケーブル（特性インピーダンスが大きなケーブル）の選定が効果的です。なお、参考としてBNC同軸ケーブルの種類とその容量値を表1に示します。一般的に販売されている同軸ケーブルの特性インピーダンスは50Ωまたは75Ωです。これらのケーブルをできるだけ短くして使うことが簡単にCsを小さくできる方法です。

図10　Csに対する出力電圧波形

2. 信号増幅後の雑音低減方法

I/Vアンプで増幅した後、雑音を低減する方法は主に下記の2点があります。

• 適切な測定帯域に設定する
• 平均化処理によるS/N比向上

適切な測定帯域に設定する

雑音を小さくするためには適切な測定帯域を選択し、不要な周波数帯域の雑音成分を除去することが効果的です。特に、雑音の振幅レベルが同じでも、高い周波数ほどエネルギーが大きいため、不要な高域の雑音成分を除去することが重要です。

図11にI/Vアンプの出力にLPF(1次, fc＝1kHz)を追加したときの出力波形を示します。LPFがないときに比べ、LPFを追加すると雑音が低減して出力波形がきれいに表示されています。このように、測定したい信号帯域に対して適切な測定帯域に設定することで、S/N比が向上でき、より微小な電流信号を検出することが可能になります。

なお、実測例としてSA-607F2を使用して1pAp-pのリアルタイム信号の検出に成功しました。測定結果は「信号検出限界への挑戦―pAのリアルタイム信号検出―」を参照してください。

図11　測定帯域の違いによる出力波形比較

また、測定したい信号波形に対する測定帯域の設定値の目安を表6に示します。
ただし、表6はあくまで目安であり、お客様の測定内容によって適切な測定帯域は様々です。そのため、弊社は各種フィルタを用意しております。フィルタに関する情報は計測お役立ち情報の「プリアンプとフィルタの使い方」にもございますので、ご参照ください。

平均化処理によるS/N比の向上

適切な測定系や測定条件を整えても、センサからの微小信号が雑音に埋もれて信号検出できない場合があります。このような状態でも、平均化処理によって微小信号を検出できる場合があります。平均化処理によって微小信号を検出できる場合の条件は下記の通りです。

a) 雑音成分がランダム雑音である。
b) 検出したい信号が繰り返し波形である。
c) 検出したい信号の同期信号がある。

図12に測定系のブロック図と平均化処理有り/無し時のI/Vアンプの出力波形を示しますが、平均化処理によって雑音に埋もれていた微小電流信号を検出できることがわかります。
平均化処理をする際、測定器の適切な測定レンジ設定が重要です。例えば、オシロスコープの平均化機能を使用する場合を考えます。I/Vアンプの出力電圧波形がオシロスコープの測定レンジを超える場合、測定範囲を超えた部分の出力波形はクランプされ、信号成分も含めて除去されるため、正確な信号が検出できなくなります。また、オシロスコープの測定レンジが大きすぎる場合、検出する信号レベルがオシロスコープの測定分解能以下になると、どんなに平均化してランダム雑音成分を除去しても信号は検出できません。従って、平均化処理により改善できるS/N比は測定器のダイナミックレンジによって決まります。

このように、測定したい信号レベルと、信号に重畳している雑音レベルを考慮して、適切な測定器と、測定レンジに設定することが大切です。
なお、実測例としてSA-607F2を使用して10fAp-pの繰り返し信号の検出に成功しました。測定結果は「信号検出限界への挑戦―fAの繰り返し信号検出―」を参照してください。

図12　平均化処理による出力波形の比較

• 1. 高抵抗値の測定
• 2. 低リークダイオードの0V付近の絶縁抵抗測定
• 3. ハイサイドの電流検出

1. 高抵抗値の測定

1 TΩ抵抗を測定する場合の例を図1に示します。(a)は電圧アンプを使用した場合で、(b)は電流アンプを使用した場合です。

電圧アンプを使用した場合は標準抵抗器などの既知の抵抗値が必要で、かつ標準抵抗器よりもはるかに高入力インピーダンスのアンプが必要になります。

図1　高抵抗値の測定方法

図2にアンプ出力電圧V2の応答波形を示しますが、DUTと標準抵抗器が1TΩと非常に大きいため、10pFの寄生容量でも、時定数が10sのローパスフィルタになってしまい、測定に時間がかかります。また、測定系のインピーダンスが非常に高いため、外来雑音の影響も受けやすくなります(図2 (a))。

一方、電流アンプを使用した場合の応答波形は、電圧アンプに比べ応答性能が非常に速いことがわかります(図2(b))。電流アンプの入力インピーダンスは内部回路のおよそ1 / (オープンループ利得)になるのでインピーダンスは小さくなり、寄生容量がついても電圧アンプほど応答速度が遅くなりません。また、入力インピーダンスが小さいため、外来雑音の影響も受けにくくなります。また、標準抵抗器などの既知の抵抗器は不要です。

図2　高抵抗値の測定方法

2. 低リークダイオードの0V付近の絶縁抵抗測定

ダイオードは保護回路等でよく使用されていますが、微小電流測定では、0V付近のダイオードの絶縁抵抗が十分かどうか評価する必要があります。ダイオードに0Vから10mV印加したときのリーク電流測定系と測定結果を図3に示します。このように、0V付近で非常に絶縁抵抗が高い場合でも特性を評価できます。

図3　低リークダイオードの絶縁抵抗測定系と測定結果

3. ハイサイドの電流検出

一般的な電流アンプによる測定

一般的な電流アンプの回路図を図4に示します。一般的な電流アンプは入力端子電圧が0V基準で動作するため、ローサイドの電流検出はできますが、ハイサイドの電流検出は困難です。

ハイサイドの電流検出はシャント抵抗を測定したい電流経路に入れて、シャント抵抗で生じる電圧を測定する方法があります。しかし、検出したい電流が微小だとRsを大きくする必要があり、Rsを大きくすることで熱雑音が増加してうまく測定することができなくなります。

入力端子にバイアス電圧が印加できる電流アンプ

電流アンプSA-600シリーズをベースに、電流入力端子にバイアス電圧が印加できる回路を開発しました。開発した電流アンプは電流入力端子I_IN と電圧入力端子V_IN を持ち、V_IN 端子とI_IN 端子の電圧が同じになるように動作します。これにより、V_IN 端子でバイアス電圧を印加することで、DUTへのバイアス電圧印加と、DUTからの電流信号検出を同時に行うことができます。

バイアス電圧の印加と電流検出が同時にできる測定器としてソースメータがあります。ソースメータは幅広い電圧印加/電流検出が可能ですが、筐体サイズが大きいためDUTまでケーブルを伸ばして接続する必要があります。一般的にケーブル等によって入力に付加される容量が大きくなると出力雑音が大きくなり、ケーブルが長いと外乱雑音の影響を受けやすくなることから、微小電流を検出する場合はDUT直近に測定器を接続することが重要です。開発したカスタム電流アンプは小型で、DUT直近に接続できるので、低雑音で微小電流検出が可能です。