JPH0634656A - 電気信号導出用プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 入力端子（Ｅ）と出力端子（Ｓ）の間に、電
気信号を伝送する送信線と基準線とによって形成されて
いる伝送線を、少なくとも１つ有するケーブル（11）を
具備した、電気信号を導出するためのプローブの提供。 【構成】 少なくとも１つの送信線は少なくとも２つの
セグメント（111a，111b）によって形成され、２つの連
続したセグメントは少なくとも１つの直列接続された抵
抗Ｒ_M によって相互接続されている。周波数応答定数を
改善するために、伝送線の入力側（Ｒ_E ）及び出力側
（Ｒ_S ）の一方又は双方に抵抗を接続することができ
る。プローブは複数のチャンネルを具備してもよく、そ
れぞれのチャンネルの伝送線の出力側（Ｓ）はコンパレ
ータ（40）に接続され、且つ、それぞれのチャンネルの
入力インピーダンスと出力インピーダンスを整合させる
ためのプログラマブルな容量を具備していてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力端子と出力端子と
の間に少なくとも１つの伝送線を有するケーブルを含
む、電気信号を導出するためのプローブに関するもので
あって、該伝送線は電気信号を伝送するための送信線及
び基準線からなるものである。

【０００２】この種のプローブは、分析されるべき信号
を受け入れるロジックアナライザー、オッシロスコー
プ、スペクトルアナライザー、或いはその他の種々の測
定器、試験器等に、電気信号を送るために用いることが
できる。

【０００３】

【従来の技術】通常の平易な概念によれば、このような
プローブは、必要な信号との接触をもたらすためのチッ
プが付いた一端を有する、１本のケーブルで形成するこ
とができる。このようなプローブの頭部は能動回路を含
んでいない。

【０００４】分析すべき信号の導出のためには、従っ
て、増幅器（オッシロスコープ）或いはコンパレータ
（ロジックアナライザー）が測定装置に含まれる。しか
しながら、特にプローブの入力インピーダンスが高い場
合には、１ｍ或いはそれ以上の長さのケーブルを通して
ＲＦ信号を伝送することは難しい。そのような方法で
は、比較的低い周波数の信号についてのみ満足できるに
過ぎない。長いケーブル（１乃至２ｍの長さ）を伝送す
べき信号が高周波域（約 200ＭＨ_Z 以上）に達する場合
は、例えば、測定された信号の乱れが最小になるように
信号を取り出すことができる、能動型プローブを用いる
必要がある。

【０００５】そのため、１乃至２ＧＨ_Z に達する周波数
である伝送すべき信号を導出するための能動型ヘッドを
有するプローブが知られている。この場合のヘッドに
は、高い入力抵抗と低い入力容量を持ち、信号の増幅レ
ベルを識別するためのコンパレータが含まれている。こ
れは、例えば同軸ケーブルのような伝送線のために必要
な低インピーダンスにおけるケーブルの使用を可能にす
る。更に、プローブのヘッドにおけるコンパレータの配
置は、低い入力容量と共に高い入力インピーダンスを有
するプローブについても利用できる。しかしながら、そ
のような能動型プローブのアーキテクチャは、かなり複
雑である。従って、極めて高価なものになる。更に、そ
のようなプローブは、通常、プローブのヘッドと測定装
置との間の信号伝送用電線を多数必要とする。プローブ
のヘッドには能動型の集積回路が装備される必要があ
り、複雑なものになると共に、プローブの大きさと重さ
を増加させることとなる。

【０００６】プローブの能動部分の配置についてのもう
１つの可能性は、プローブのヘッドの中に設ける代わり
にサテライト回路の中に設けることであって、サテライ
ト回路はヘッドから一定の距離を置いて配置し、ケーブ
ルが２つの部分からなるようにすることである。前記の
方法での問題点は、かなり少なくなっている。このよう
に、ヘッドとサテライト回路との間のケーブルの短い部
分（伝送線）を使用することによって、プローブの周波
数応答性が改善される。プローブのヘッドの重さと大き
さも減少し、装置の使用を極めて容易にする。

【０００７】信号の導出点とコンパレータとの間で可能
な限り信号の完全性を保つために、抵抗性送信線よりな
るケーブルが使用される。この型の利用について、米国
特許第4,777,326 号は、伝送接続が抵抗性電線で形成さ
れた編んだフラットケーブルについて記述している。し
かしながら、このような連続的に分布した損失を持つケ
ーブルはいくつかの欠点を持っている。特に、ＧＨ_Z オ
ーダーの周波数の信号を２０cmを越える距離で伝送する
のに充分な公称抵抗値を持つ、抵抗性のケーブルを実現
することは難しい。他方、この構造はコンパレータの入
力容量に敏感であり、最良の性能を得るための容量の調
整のために、かなり複雑な手順が必要である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、プロ
ーブの通過帯域に関する技術的要求と、プローブヘッド
の使い易さを得るために、重さと大きさを減らす要求
と、プローブの低コストの要求との間で、可能な限りの
最良の妥協点を定めることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的は、先行のパラ
グラフで述べたように、送信線は、少なくとも２つのセ
グメント、即ち少なくとも１つの直列接続の抵抗Ｒ_M に
よって相互接続された２つの連続したセグメントによっ
て形成されたものであるようなプローブによって達成さ
れる。

【００１０】このようなプローブでは、周波数が０から
１ＧＨ_Z 以上にわたる広い周波数範囲において、導出さ
れるべき電気信号の完全性が、見事に保たれている。プ
ローブのヘッドには能動部品は何も含まれていないの
で、プローブは極めて軽く小さくなり得る。更に、コス
トの嵩む特別の抵抗性ケーブルを作る必要はない。全く
通常の伝送ケーブルと通常の抵抗器から作られる。

【００１１】送信線の少なくとも１つのセグメントと入
力端子との間に、抵抗Ｒ_E を直列に加えてもよい。

【００１２】送信線の少なくとも１つのセグメントと出
力端子との間に、抵抗Ｒ_S を直列に加えることも可能で
ある。抵抗Ｒ_E 、Ｒ_S 等の付加は、信号の伝送を改善
し、周波数応答性を可能な限りフラットにすることがで
きる。

【００１３】ケーブルは、高い入力インピーダンスと低
い出力インピーダンスのサテライト回路に導出されるべ
き信号を伝送する役割を果たす。好ましくは、サテライ
ト回路は少なくとも１つのコンパレータを有する能動回
路である。

【００１４】ケーブルの入力インピーダンス又は出力イ
ンピーダンスは、プローブの通過帯域を増すためにキャ
パシタンスを同調させることによって整合をとることが
できる。

【００１５】多数のチャンネルを作るために、複数のケ
ーブルか又は複数の送信線からなる１本のケーブルか、
いずれかを用いることができる。それぞれの送信線の出
力インピーダンスは、プログラマブルな容量を含む回路
を１本又は複数の送信線の出力側に接続することによ
り、当該チャンネルのコンパレータの入力インピーダン
スに適合させることができる。これによって、通過帯域
と同様に利得についても、チャンネル間のばらつきを減
らすことが可能になる。

【００１６】伝送線は、基板上に形成されたマイクロス
トリップ線とすることも可能であり、この場合、従って
接地レベルが基準線を構成する。この他に、同軸ケーブ
ル又はバイファイラ線によっても形成することができ
る。

【００１７】本発明の種々の観点及び他の観点は、以下
に詳細に述べる実施例を参照することによって明らかと
なろう。

【００１８】

【実施例】本発明のより良き理解のために、技術の状況
を最初に述べよう（図1-A,1-B ）。

【００１９】図１−Ａは、プローブ12に接続された測定
装置10によって電気信号が導出される従来例を示す。プ
ローブ12は、ヘッド13を装置10に接続するケーブル11を
有する。ヘッドは、試験されるべき部材（図示せず）に
接触させて測定すべき信号を導出するために用いるプロ
ーブチップ14を有する。ユーザーの利便のため、ケーブ
ル11は数cmから１ｍ或いはそれ以上の一定の長さにする
ことができる。

【００２０】プローブ12の構成は試験すべき信号が低周
波数か高周波数かに依存する。一般的には、プローブ
は、低周波数信号と同様に高周波数信号を、更に直流レ
ベルの信号も伝送することが必要である。特に、チップ
14と装置10の間のＲＦ信号の伝送は、最もデリケートな
問題を提起する。しかしながら、これらの問題を解決す
るために提案されているプローブは、通常は低周波数及
び直流レベルの伝送についての要求をも満足しなければ
ならない。

【００２１】この伝送上の問題を解決するために、ほん
の小さい乱れしかないチップによって信号を導出する手
段と、速い信号の伝送のために必要な低出力インピーダ
ンスをもつケーブルで伝送するためにこれらの信号を増
幅する手段とを含むヘッド13を有するプローブが存在す
る。そのようなヘッド13は、必要なＲＦ周波数範囲のた
めに通常付加される能動部品を含む変換手段を有する。
これらの電力消費は、通常高くなる。更に、ケーブル11
は、電力供給手段を具備しなければならず、これはケー
ブルの適応性を損なうものであり、加えてプローブ13の
複雑さを増し、プローブを使用するに当たって大きく重
いものにする。

【００２２】１つの折衷した解決法は、伝送の問題がさ
して決定的にならないようにケーブル11の長さを減ら
し、プローブ13の複雑さを減らしてコンタクトパッド14
の配置を簡潔なものにし、且つ、サテライト回路15（図
1-B ）において信号処理を行うことから成り立つ。分析
すべき信号は、回路15によって、回路15と装置10との間
の伝送（接続16）についてはもはや何の問題も起こさな
い信号に変換される。ケーブル11は、接続線の束で形成
されるか或いはいくつかの同軸ケーブルによって形成さ
れる。

【００２３】高い入力インピーダンスを得るためには、
通常は図２に示すように、２つの抵抗器と１つの容量が
同軸ケーブルに付加される。入力側においては、低容量
の直列容量Ｃ_a がかなり高い抵抗値の直列抵抗Ｒ_a に並
列に接続され、出力側においては、抵抗Ｒ_b がＳと基準
線との間に並列に接続される。高周波数と同様に直流に
おいても均一の利得を得るためには、Ｃ_b を同軸ケーブ
ルの分布容量としたとき、他の寄生的要素を無視すれ
ば、Ｒ_a.Ｃ_a をＲ_b.Ｃ_b に略等しくしなくてはならな
い。

【００２４】しかしながら、前記のケーブル11に沿って
高周波側で印加されたＲＦ信号の伝送に対してはまだ制
約がある。本発明は、図1-B に示されている組み合わせ
を保つことを優先しつつ、プローブの入力側を形成し且
つ以後Ｅと表記されるところのコンタクトチップ14（又
はコンタクトチップ14付近）と、ＲＦ伝送線の出力側を
構成し且つ以後Ｓと表記されるところのサテライト回路
15の入力側との間における伝送のための解決法を提供す
るものである。

【００２５】図３は、本発明によるプローブの一部分の
基本的な実施例を、さし当たって入力と出力のインピー
ダンス整合を無視して示したものである。入力端子Ｅと
出力端子Ｓとの間においては、ケーブル11は少なくとも
１本の送信線からなり、該送信線は２つのセグメント11
1aと111bに分けられ、該２つのセグメントは抵抗Ｒ_Mに
よって相互に接続されている。分析されるべき信号は、
セグメント111aの入力側と基準線21の端子Ｇ（接地）と
の間に印加される。

【００２６】図３に示されたプローブヘッド13は、この
場合、接触部材と保護部材を形成する。セグメント111a
の先端は、先端Ｅでコンタクトパッド14を構成する。

【００２７】送信線に沿って抵抗Ｒ_M があるため、送信
線は損失を持つ伝送線に近似される。この実施例は、簡
潔性、実現のコスト及び２ＧＨ_Z に至る広い周波数範囲
において平坦な周波数応答曲線が得られるという適応性
の故に、特に魅力的である。このような伝送線特性の再
現性は、均一に分布した損失を持つ伝送線の場合よりも
良好である。しかも、後者は実現が難しい。

【００２８】本発明による伝送線の損失特性は、次の２
つの基準: ・一定の周波数帯域にわたって可能な限り一定の応答が
得られること、 ・更に、可能な限り広い周波数帯域にわたって、予め定
められた最大リップル比の応答が得られること、に適合
する最適のパラメータによって決められる。

【００２９】上記の２つの観点は結合できる。

【００３０】パラメータは、当業者によく知られている
伝送線のシミュレーションの技術によって最適化でき
る。セグメント111a，111bの長さ及び抵抗Ｒ_M の値のよ
うなパラメータは、信号が端子Ｅ，Ｇ間に印加されたと
き、波が伝送線に沿って伝播し且つ予め定められた周波
数帯域で必要な特性を持った信号を端子Ｓ，Ｇ間に生成
するように、定められる。このようなシミュレーション
は、プローブのヘッドとコンパレータとの間にあるすべ
ての素子を含めて行われる。更に、寄生容量がある場合
には、ハウジング及びコネクタのインダクタンスと同様
に、すべて計算に入れられる。ケーブル11の全体の長
さ、伝送線の特性インピーダンス、入力容量などの、伝
送線の実際の使用に際して含まれるすべてのパラメータ
は、このようにして考慮される。より良い最適化、即ち
改良された性能は、このように、均一に分布した損失を
もつケーブルと比較して達成できる。このようなシミュ
レーションの結果は、必要な性能を得るために使うこと
のできるセグメント111a及び111bの長さ及び抵抗Ｒ_M の
値を決める。伝送線の最適化は、このように、信号の立
ち上がり時間が伝送線における伝播時間より短い場合
に、伝送線の波の反射を避けることにある。

【００３１】このような伝送線のシミュレーションを行
うにあたって、当業者ならば例えば次のように処理でき
る。一定の特性インピーダンスと波の伝播速度とを持つ
伝送線を想定する。交流電圧Ｖを該伝送線の入力側に印
加し、出力側で交流電圧ｖを測定す。無損失の伝送線に
おける伝播を記述する方程式を用いて、本発明の伝送線
は、直列抵抗Ｒ_M によって相互接続された２つの無損失
伝送線セグメント、即ち該セグメントの出力側に接続さ
れるべき回路の入力インピーダンスによって出力側が負
荷されている伝送線セグメントによって形成されるもの
として、シミュレートされる。

【００３２】Ｒ_M の値及び２つの無損失伝送線セグメン
トのそれぞれの長さに関するシミュレーションによって
行われる一連の試験により、前記基準を満足するＲ_M 及
び該長さの値が得られる。

【００３３】この方法は、複数の無損失伝送線セグメン
トを相互接続する複数の抵抗からなるところの、本発明
に基づく伝送線の計算に容易に拡張することができる。

【００３４】実際に与えられた状態について、若し２つ
のセグメント111a，111b間に挿入される只１つの抵抗Ｒ
_M のみを利用するとすれば、制御の度合いは制限される
かも知れない。他の制御パラメータを導入することによ
って性能を向上させることができる。このように、例え
ば抵抗Ｒ_E を、セグメント111aの入力側に付加すること
ができ（図4-A ）、又、抵抗Ｒ_S を、セグメント111bの
出力側に付加することができる（図4-B ）。２つの抵抗
Ｒ_E 及びＲ_S の効果も又、結合できる。ケーブル11を大
きな数のセグメントに分け、抵抗との複数の接続を利用
することもできる。プローブの周波数応答性はこのよう
に改善できる。

【００３５】このようにして決められた伝送線は、サテ
ライト回路15に含まれたコンパレータ40に接続される。
図５は、簡単のために基準線を省略して、送信線によっ
て簡潔に示されているサテライト回路15と伝送線111a，
111b，Ｒ_M を示す。プローブは通常複数のチャンネル、
従って複数の送信線を有するものであり、この場合はそ
れぞれのチャンネルが図５に相当する。すべてのコンパ
レータ40は同一の集積回路にアセンブルされていてもよ
い。

【００３６】コンパレータはすべて同一の入力特性を持
つとは限らず、一般的には、入力容量或いは接続インダ
クダンス（入力端子）に関して相当なばらつきが生じ
る。一つのチャンネルは、当該チャンネルのコンパレー
タの入力に対するプログラマブルな容量を持つ回路42を
接続することによって、他のチャンネルとは独立に補正
できる。このような方法によるチャンネル間のばらつき
の補償によって、各チャンネルが必要な特性に合致した
周波数応答性を持つようにすることができる。図６は、
プログラマブルな容量を持つ回路42の例を示す。供給線
Ｖと基準Ｇ（接地）との間に、容量Ｃ_1,Ｃ_2,...,Ｃ_n,の
配列が並列に接続されており、該容量のそれぞれにはＭ
ＯＳトランジスタＴ_1,Ｔ_2,...,Ｔ_n,が直列に接続されて
おり、該トランジスタのゲートは信号Ｅ_1,Ｅ_2,...,Ｅ_n,
によって制御されている。容量Ｃ_1,Ｃ_2,...,Ｃ_n,は、異
なった値を持ち、それらの値の範囲としては、例えばＣ
₁=１pＦ，Ｃ₂=0.5 pＦ，Ｃ₃=O.25 pＦ等の値を用いる
ことができる。プローブの調整の段階では、当該チャン
ネルの最適応答性が得られるように適当な容量Ｃ_1,Ｃ
_2,...,Ｃ_n,が得られるように、適当な信号Ｅ_1,Ｅ_2,...,
Ｅ_n,が能動化される。ＭＯＳトランジスタのドレイン又
はソースの容量を利用することによって、容量Ｃ _1,Ｃ
_2,...,Ｃ_n,の物理的な形成を省略できる。調整の間、当
該チャンネルのコンパレータ40の出力側44（図５）にお
ける信号が試験され、容量が選択される。制御ユニット
50は信号Ｅ_1,Ｅ_2,...,Ｅ_n,のうちの必要な信号を能動化
するようにプログラムされる。このように、制御ユニッ
ト50はプログラマブルな容量を持つ回路42の一部分を形
成する。

【００３７】それぞれのチャンネルの周波数応答性を更
に改善するために、それぞれのチャンネルにおいて、伝
送線の一点と接地Ｇとの間における別の位置に、補正素
子（特に容量）を付加することができる。

【００３８】従って、この点については次のような例が
考えられる: ・抵抗Ｒ_M の一端：容量Ｃ_MP（図７Ａ）、 ・抵抗Ｒ_M の他端：容量Ｃ’_MP（図７Ｂ）、 ・送信線の入力側Ｅ：容量Ｃ_EP（図７Ｃ）、 ・送信線の出力側Ｓ：容量Ｃ_SP（図７Ｄ）、 ・送信線の出力側Ｓ：抵抗Ｒ_SP（図７Ｄ）。

【００３９】補正素子は又抵抗Ｒ_E に並列に接続でき
る: 例えば容量Ｃ_ES（図７Ｆ）。直流を阻止するため
に、容量Ｃ_ESを、更に、送信線と直列に、入力端子Ｅに
接続できる（図７Ｃ）。

【００４０】これらの補正素子を付加することによっ
て、特定の実施例ではプローブの周波数応答性が改善さ
れている。更に、図２に示されているように、入力イン
ピーダンスと出力インピーダンスを整合させることが必
要になるかも知れない。当業者ならば、既知の技術に従
って、容易にこれらの実施例を完成させることができ
る。

【００４１】好ましい実施例においては、次のようなパ
ラメ─タを持つプローブは、周波数１ＧＨ_Z に至るま
で、10％以上のフラットな周波数応答性を持っている: Ｒ_E = 220 Ω、Ｒ_M = 120 Ω、Ｒ_S = 110 Ω、Ｒ_A = 42
kΩ、Ｃ_a = 2.4 pＦ、Ｒ_b = 8.3 kΩ、セグメント11
1aの長さ = 8.6 cm 及びセグメント111bの長さ = 11.4
cm。

【００４２】これらの値は、特性インピーダンス 95
Ω、誘電率 2.1 を持つケーブルのために決められたも
のである。

【図面の簡単な説明】

図面は、何ら限定的な意味を有しない例を示すものであ
る。

【図１】図１−Ａは、測定器に直接接続された既知のプ
ローブを示す図、図１−Ｂは、サテライト回路を経て測
定器に接続された既知のプローブを示す図である。

【図２】図２は、同軸ケーブルの入力インピーダンスと
出力インピーダンスとの整合のための既知の接続を示す
図である。

【図３】図３は、送信線の２つのセグメントの間に接続
した抵抗Ｒ_M を具備する、本発明の基本的な実施例を示
す図である。

【図４】図４は、第１に送信線の入力側に抵抗Ｒ_E を付
加した図（４−Ａ）、及び第２に送信線の出力側に抵抗
Ｒ_S を付加した図（４−Ｂ）である。

【図５】図５は、コンパレータの入力に接続されたプロ
グラマブルな容量を含む回路を具備したサテライト回路
を有するプローブの一部分を示す図である。

【図６】図６は、プログラマブルな容量を含む回路の実
施例を示す図である。

【図７】図７は、通過帯域を大きくするために、送信線
の入力側或いは出力側に、又は抵抗Ｒ_M の端部に、整合
のための要素を付加するためのいくつかの方法（Ａ−
Ｇ）を示す図である。

【符号の説明】

10 測定器 11 ケーブル 12 プローブ 13 ヘッド 14 チップ又はコンタクトパッド 15 サテライト回路 40 コンパレータ 42 プログラマブルな容量を持つ回路 50 制御ユニット 111a 送信線のセグメント 111b 送信線のセグメント

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力端子（Ｅ）と出力端子（Ｓ）との間
   に少なくとも１つの伝送線を有するケーブル（11）を含
   む電気信号を導出するためのプローブ（12）において、 該伝送線は電気信号を伝送するための送信線及び基準線
   を含むものであって、該送信線は、少なくとも１つの直
   列接続の抵抗Ｒ_M によって相互接続された２つの連続し
   たセグメント（111a，111b）によって形成されたもので
   あることを特徴とする電気信号導出用プローブ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のプローブにおいて、送
   信線のセグメント（111a）と入力端子（Ｅ）との間に直
   列に抵抗Ｒ_E が接続されていることを特徴とする電気信
   号導出用プローブ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載のプローブにおい
   て、送信線のセグメント（111b）と出力端子（Ｓ）との
   間に直列に抵抗Ｒ_S が接続されていることを特徴とする
   電気信号導出用プローブ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
   プローブにおいて、プローブの通過帯域の改善のため
   に、送信線のセグメントに接続された抵抗（Ｒ _M,Ｒ_E,Ｒ
   _S ）のうちの少なくとも１つが同調素子（Ｃ_MP, Ｃ′
   _MP, Ｃ_EP, Ｃ_SP,Ｃ_ES, Ｒ_SP）に接続されていることを
   特徴とする電気信号導出用プローブ。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の
   プローブにおいて、伝送線がマイクロストリップ線又は
   同軸線又はバイファイラ線のいずれかであることを特徴
   とする電気信号導出用プローブ。
6. 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の
   プローブにおいて、ケーブルの入力インピーダンス及び
   出力インピーダンスの双方又は一方を調整するための素
   子（Ｒ，Ｃ）を有することを特徴とする電気信号導出用
   プローブ。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
   プローブにおいて、送信線のセグメント（111b）の出力
   端子（Ｓ）がサテライト回路（15）のコンパレータ（4
   0）に接続されていることを特徴とする電気信号導出用
   プローブ。
8. 【請求項８】 請求項７に記載のプローブにおいて、サ
   テライト回路（15）は、更に、送信線の出力インピーダ
   ンスとコンパレータの入力インピーダンスとを整合させ
   るためのプログラマブルな容量を含む回路（42）を有す
   ることを特徴とする電気信号導出用プローブ。
9. 【請求項９】 請求項８に記載のプローブにおいて、プ
   ログラマブルな容量はＭＯＳトランジスタによって形成
   されていることを特徴とする電気信号導出用プローブ。