差動プローブの怪

質問

以前、ＯＰアンプで差動回路を組んだ経験があり、その時の教訓として、入力回路のバイアス電流のためにリターンは必ず確保すべし、と理解していました。しかし、今回、差動プローブを初めて使ったのですが、文字どおり、両端しかつないでいないのに、ちゃんと安定して測定できてしまいました。プローブ用に専用電源もついていることから、ひょっとして、アイソレーションアンプでも入っているかと疑い、テスターで抵抗値を計って見たところ、なにがしかの抵抗はあったと記憶しています。それに帯域が100ＭＨＺ以上あり、まずアイソレーションされている可能性はないと思います。一体、このプローブの中身はどうなっているのでしょうか？。バイアス電流ゼロでも動作する回路でもあるのでしょうか？更に、調べたかったのですが、今はもう手元に無く、ずっと気になっていました。どうか、みなさん宜しくお願いします。

回答No.4

anachrockt

> 差動回路の動作解説で、教科書通りの説明では、ほとんどが、相手の回路からの
> 電流は＋側も-側も計測側のコモンに流れ込むように説明されています。
どんな教科書を使っているのかわかりませんが，その電流は「同相（ノイズ）電流」で
差動回路では流す必要がないとゆうか流さない方が良い電流です．
「差動電流」は，チャンとループになっています．
自分で式を立てて考えれば，疑問は氷解するでしょう．

お礼

長らくお付き合いいただきありがとうございました。

補足

差動回路の代表的な回路としてOPアンプの加減算回路で動作を理解していたのですが、応用問題に弱いというか、同相電流以外の経路での式がたてられません。考えてもわからん時は実験するしかないと考えていますが未だに暇が無くてどうしょうもありません。ただ、同相電流をキャンセルしたい時はやはり、お互いのコモンをつないでおくべきとなりそうな気がするのですが,,,やっぱり回路が違うのかな。

回答No.3

anachrockt

何がわからないのかよくわかりませんが，紹介した差動プローブ「P5205型」では，入力インピーダンスは各入力毎に4MΩ//7pFになっています．
7pFの100MHzに於けるリアクタンスは227Ωで，充分すぎるほど小さいです．
被測定回路から差動入力の片側へ流れ込んだ電流は，4MΩ//7pFを通り，オシロのグラウンドを経由して，もう一方の4MΩ//7pFを通って，被測定回路に戻ります．
チャンと「バイアス電流」が流れるループはできています．

差動プローブの内部回路については数年前のNEに載っていました．
日経BPのサイトで検索しても出てきませんから，図書館等でNE旧号をチェックしてみてください．

お礼

重ねて回答頂き感謝します。ありがとうございます。

補足

私はてっきり、差動プローブの内部は計装アンプ回路のように、両側の入力とも、初段で入力インピーダンスの高いアンプで受けているとばかり思っていました。何しろ、価格と箱の大きさとから、中は相当な回路が入っているものと、かってな想像をしていました。
「バイアス電流」が流れるループはできているということで測定可能であることは納得できました。
しかし、私の理解不足から、まだ疑問があるのですが、差動回路の動作解説で、教科書通りの説明では、ほとんどが、相手の回路からの電流は＋側も-側も計測側のコモンに流れ込むように説明されています。
差動プローブの様な電流の帰りかたになると、この教科書通りのゲインの計算式などが成り立たないことになるのでしょうか？イメージ的には、シングルエンドのプローブのGNDリードの先に数ＭΩの抵抗を付けて相手につないでいるという感じでしょうか。紹介頂いた資料が入手できそうにないので、暇な時にでも実験して見たいとおもいます。

回答No.2

anachrockt

差動プローブには，このように入力抵抗が規定されています．
http://www.tektronix.co.jp/products/accessories/oscilloscope_probes/p5200_spec.html
内部回路は，ここの中段「差動増幅器」の最初の回路を変形した物で，
http://www.mizunaga.jp/opamp.html
同相電圧を高く取るため，Rs大，Rf小になっています．
アンプ入力回路のバイアス電流のためのリターンはRfで確保されます．
(Rs+Rf)で接地されるから，信号源はフローティングでもかまいません．
オシロ屋さんは，高入力インピーダンス，広帯域のアンプは得意ですから，
ゲインを，こんな感じで調整しても100MHzはOKでしょう．
http://www.analog.com/jp/prod/0,,759_782_AD629%2C00.html

お礼

早速の御回答ありがとうございます。アナデバのICはよく使うのですが、あんなのがあるとは知りませんでした。勉強になります。次回、テーマがあれば使って見たいと思います。ありがとうございました。

補足

私の言葉使いがまずかったと思いますが、バイアス電流とは、被測定回路から、測定側回路に流れる電流のことのつもりで使いました。どんな測定回路でも、相手から一滴の電流（？）も流さずに測定することは不可能と理解しているのですがどうでしょうか？もし、そうだとすれば、相手に電流を返す経路も必ず必要になるのではないかと考えるわけです。とすると、差動プローブでは、この電流がどこから帰っていっているのでしょうか？差動プローブの＋かー入力のどちらかでしょうか？このような電流の帰りかたでもちゃんと測定できるのでしょうか？ここのところがよくわかりません。もう一つの可能性として、結局、漏れ電流として帰っていってしまうのではないかと思っています。本来、絶縁されているはずの電源からでも、僅かに漏れて、ACラインから相手に帰って行っているのではないかと疑っています。
ここで、もし、漏れ電流で帰っているとすると、完全にアイソレートされ、絶縁抵抗無限大なんてことになれば、CMRRが無限大の差動プローブでない限り測定不可となるのではないでしょうか？しかし、はたして帯域が100MHzでもこの漏れ電流で動けるのかどうかの疑問もあります。どうも、すっきりしません。どこか、私の考えに抜けが有るよう思うのですが良くわかりません。ひょっとして、まったく相手から電流と取らずに測定する方法でもあるのでしょうか？

回答No.1

isoworld

バイアス電流が完全にゼロで動作する回路はありえません（限りなくゼロに近いが有限なら、ありえるでしょうが）。

　プローブ用に専用電源があるということは、内部に何らかの電子回路があるのでしょう。フローティングした状態で100MHz以上の帯域を確保しながら電圧なり波形なりを観測するのは、いまの絶縁技術ではそう難しくないと思います。

　２０年以上も前になりますが、光ファイバを軸としたオプトエレクトロニクスを専門としていたとき、落雷時に対地電位が数100kVも浮き上がる避雷針に流れる落雷電流（観測には広帯域特性が要求される）をＬＥＤを使って光波形に変換し（電源はバッテリーです）、光ファイバを使って絶縁しながら（絶縁距離は数百ｍ）地上の観測装置で観察していたことがあります。
　ＬＥＤやレーザ素子にとって、100MHzなんてちょろいものです。

お礼

早速の御回答ありがとうございます。とんでもない世界をご存知のようで、私には想像も付きません。当方は、たかが数100KHz程度のアイソレートでも四苦八苦で、結局、A/Dなどで変換したあとのデジタル信号をアイソレートして逃げております。私の勉強不足を思い知らされる思いです。もっと、勉強せねばです。今回は、どうもありがとうございました。

補足

早速の回答ありがとうございます。
アイソレートされていれば、納得で、なんの心配もないのですが、説明書には、そのようなことの明記がなかったと記憶しています。更に、品名は「差動プローブ」となっていました。確かに、価格も高価だった（8万ぐらい）ので、中身は実はそんなことになっているのかも知れません。もう少し調べて見ようかと思います。ありがとうございました。