オシロスコープ用プローブの種類と使い分け

オシロスコープ用プローブの種類と使い分け

オシロスコープで正確な波形を測定するには、測定対象に適したプローブを選ぶことが重要です。

プローブには、パッシブプローブ、アクティブプローブ、差動プローブ、高電圧プローブ、電流プローブ、光アイソレーションプローブなど、さまざまな種類があります。それぞれ測定できる信号、周波数帯域、入力電圧、回路へ与える負荷、安全性能が異なります。

ここでは、代表的なオシロスコープ用プローブの特長と用途を整理し、測定目的に応じた選び方について解説します。

　
　
■プローブの役割

プローブは、測定対象の信号をオシロスコープの入力回路へ伝送するための測定アクセサリです。

単なる接続ケーブルではなく、測定対象とオシロスコープの間に挿入される測定回路の一部です。そのため、プローブの性能や接続方法は、表示される波形に大きく影響します。

プローブには、主に以下の役割があります。

・　測定対象の信号を取り出す
・　入力信号を適切なレベルへ減衰または変換する
・　測定対象とオシロスコープのインピーダンスを整合させる
・　回路へ与える負荷を抑える
・　高電圧や差動信号を測定可能にする
・　電流や電磁界を電圧信号へ変換する
・　測定者と測定機器の安全性を確保する

プローブの選定が適切でない場合、波形の振幅、立上り時間、リンギング、ノイズなどが実際とは異なって表示される可能性があります。

　
　
■パッシブプローブ

パッシブプローブは、抵抗器やコンデンサなどの受動部品で構成された、最も一般的な電圧プローブです。

外部電源を必要とせず、電子回路の動作確認、電源波形、低速から中速のデジタル信号など、幅広い測定に使用できます。

主な特長は以下の通りです。

・　構造が比較的簡単
・　外部電源が不要
・　扱いやすく価格も比較的安い
・　広い電圧範囲に対応しやすい
・　1:1、10:1、100:1などの減衰比がある
・　一般的なオシロスコープに標準付属することが多い

一般的な回路測定には10:1パッシブプローブが適しています。小振幅・低周波信号には1:1プローブ、高電圧信号には100:1以上の高電圧プローブが使用されます。

　
　
■アクティブプローブ

アクティブプローブは、プローブ先端付近にFETやバッファアンプなどの能動回路を内蔵した電圧プローブです。

入力容量が小さく、広い周波数帯域を持つため、高速デジタル信号や高周波信号の測定に適しています。

主な特長は以下の通りです。

・　入力容量が小さい
・　測定対象へ与える負荷を抑えやすい
・　広い周波数帯域に対応
・　高速な立上り波形を測定可能
・　小型部品へ接続しやすいプローブチップを使用可能
・　内部回路を動作させるための電源が必要

パッシブプローブよりダイナミックレンジや最大入力電圧が狭い場合があります。高速信号であっても、入力電圧がプローブの定格を超える場合は使用できません。

　
　
■差動プローブ

差動プローブは、2つの測定ポイント間の電位差を直接測定するプローブです。

差動信号、接地電位を基準としない信号、大きなコモンモード電圧上の微小信号などの測定に使用されます。

主な用途は以下の通りです。

・　差動クロックや差動データ信号
・　USB、HDMI、PCI Expressなどの高速信号
・　スイッチング電源のハイサイド測定
・　インバータやモータドライブ
・　電流検出抵抗の両端電圧
・　フローティング信号

選定時には、差動入力範囲、コモンモード入力範囲、CMRR、最大入力電圧、周波数帯域を確認します。

差動プローブであっても、すべての製品が測定対象とオシロスコープの間を電気的に絶縁しているわけではありません。

　
　
■高電圧シングルエンドプローブ

高電圧シングルエンドプローブは、接地電位を基準とする高電圧信号を測定するためのプローブです。

100:1、500:1、1000:1などの高い減衰比によって、入力信号をオシロスコープで測定可能な電圧へ低下させます。

主な用途は以下の通りです。

・　高電圧電源
・　高電圧パルス
・　接地基準のパワー回路
・　放電回路
・　高電圧部品の評価

一般的な接地型オシロスコープでは、プローブのグランドリードが保護接地に接続されています。グランドリードを高電位側へ接続すると短絡するため、接地電位を基準とする測定にのみ使用します。

　
　
■高電圧差動プローブ

高電圧差動プローブは、2つの高電圧測定ポイント間の電位差を測定するプローブです。

両方の測定ポイントが接地電位にない回路や、高いコモンモード電圧が存在する回路に使用されます。

主な用途は以下の通りです。

・　スイッチング電源
・　ハーフブリッジ回路
・　フルブリッジ回路
・　インバータ
・　モータドライブ
・　パワー半導体

差動電圧が小さくても、各入力端子の対地電圧が高い場合があります。差動入力範囲だけでなく、各入力の対地電圧、コモンモード入力範囲、測定カテゴリを確認します。

　
　
■光アイソレーション差動プローブ

光アイソレーション差動プローブは、測定信号を光信号へ変換し、測定対象とオシロスコープの間を電気的に分離して伝送します。

高速で変化する大きなコモンモード電圧上の微小信号を測定する用途に適しています。

主な用途は以下の通りです。

・　SiC MOSFETのゲート・ソース間電圧
・　GaN HEMTのゲート電圧
・　IGBTのハイサイドゲート信号
・　スイッチングノード
・　高電位側のシャント抵抗
・　ダブルパルステスト

高いCMRRを広い周波数範囲で維持しやすく、一般的な高電圧差動プローブではコモンモードノイズの影響が大きい測定に適しています。

　
　
■AC電流プローブ

AC電流プローブは、主に電流トランスの原理を利用して交流電流やパルス電流を測定します。

主な特長は以下の通りです。

・　交流電流を測定可能
・　高周波電流の測定に対応しやすい
・　外部電源を必要としない製品がある
・　直流電流は測定できない
・　低周波ではドループが発生する場合がある
・　アンペア秒積による測定制限がある

パワー半導体のスイッチング電流、高周波パルス電流、デバイスの入出力電流などの測定に使用されます。

　
　
■AC/DC電流プローブ

AC/DC電流プローブは、ホール素子と電流トランスなどを使用し、直流から交流までの電流を測定します。

主な用途は以下の通りです。

・　直流電源やバッテリーの電流測定
・　スイッチング電源の入力・出力電流
・　インバータやモータの電流
・　突入電流
・　負荷変動時の電流
・　パワー半導体の電流波形

正確な測定を行うには、測定前に消磁とゼロ調整を行います。また、最大連続電流、最大ピーク電流、周波数に対する電流ディレーティングを確認する必要があります。

　
　
■ロゴスキーコイル電流プローブ

ロゴスキーコイル電流プローブは、柔軟な空芯コイルを導体の周囲に巻き付けて交流電流を測定します。

磁性体コアを使用しないため磁気飽和が発生しにくく、数百Aから数kAの大電流測定に適しています。

主な特長は以下の通りです。

・　大電流を測定可能
・　柔軟なコイルで太い導体やバスバーへ取り付けやすい
・　磁気飽和が発生しにくい
・　回路を切断せずに測定可能
・　直流電流は測定できない
・　低周波測定には制限がある

インバータ、モータドライブ、溶接機、大容量電源、短絡電流などの測定に使用されます。

　
　
■ロジックプローブ

ロジックプローブは、入力信号を設定されたしきい値と比較し、論理0または論理1として取得するプローブです。

主にミックスドシグナルオシロスコープのデジタル入力で使用します。

主な用途は以下の通りです。

・　複数のデジタル信号の同時観測
・　パラレルバスの解析
・　I²C、SPI、UARTなどの通信解析
・　クロックとデータのタイミング確認
・　セットアップ時間とホールド時間の確認
・　特定のロジックパターンによるトリガ

信号の詳細な電圧波形やノイズを確認する場合は、アナログプローブを併用します。

　
　
■近磁界・近電界プローブ

近磁界・近電界プローブは、電子回路やプリント基板の近くに発生する高周波電磁界を検出します。

スペクトラムアナライザやFFT機能を備えたオシロスコープへ接続し、EMIノイズの発生源や結合経路を調査します。

近磁界プローブは高周波電流による磁界、近電界プローブは高周波電圧による電界の検出に適しています。

これらは回路上の電圧を直接測定するプローブではなく、EMIデバッグや対策前後の相対比較に使用する診断用プローブです。

　
　
■電圧信号からプローブを選ぶ方法

電圧信号を測定する場合は、最初に測定ポイントの基準電位を確認します。

接地電位を基準とする一般的な低電圧信号には、パッシブプローブを使用します。

高速で回路負荷を小さくしたい低電圧信号には、アクティブプローブを使用します。

2点間の電位差や差動信号には、差動プローブを使用します。

接地基準の高電圧信号には、高電圧シングルエンドプローブを使用します。

高い対地電圧を持つ2点間の測定には、高電圧差動プローブを使用します。

大きく高速に変化するコモンモード電圧上の微小信号には、光アイソレーション差動プローブを検討します。

　
　
■電流信号からプローブを選ぶ方法

直流を含む電流を測定する場合は、AC/DC電流プローブを使用します。

交流またはパルス電流だけを測定し、高い周波数帯域が必要な場合は、AC電流プローブを使用します。

太い導体やバスバーに流れる大電流を測定する場合は、ロゴスキーコイル電流プローブが適しています。

微小電流を高い感度で測定する場合は、高感度電流プローブや電流シャントを使用する方法があります。

電流プローブを選定する際は、最大電流だけでなく、最小測定電流、帯域幅、アンペア秒積、導体径、導体の対地電圧も確認します。

　
　
■周波数帯域の選び方

プローブの帯域幅は、測定対象の信号周波数より十分に広いものを選定します。

方形波やパルス信号には、繰り返し周波数より高い周波数成分が含まれています。そのため、クロック周波数やスイッチング周波数だけでなく、立上り時間と立下り時間も考慮する必要があります。

帯域幅が不足すると、以下のような測定誤差が発生します。

・　振幅が小さく表示される
・　立上り時間が遅く表示される
・　短いパルスを検出できない
・　オーバーシュートが小さく表示される
・　リンギングを正しく観測できない

オシロスコープとプローブを組み合わせた測定システム全体の帯域幅を確認します。

　
　
■入力容量の選び方

プローブの入力容量は、高速信号の測定で重要な仕様です。

入力容量が大きいと、高周波における入力インピーダンスが低下し、測定対象へ大きな負荷を与えます。

その結果、以下のような影響が発生する可能性があります。

・　信号の立上りが遅くなる
・　信号振幅が低下する
・　回路のタイミングが変化する
・　リンギングの状態が変わる
・　測定前と異なる回路動作になる

高速デジタル回路、高インピーダンス回路、GaNデバイスのゲート回路などでは、入力容量の小さいプローブが適しています。

　
　
■電圧範囲の確認

プローブを選定する際は、以下の電圧仕様を区別して確認します。

・　測定可能な入力範囲
・　ダイナミックレンジ
・　オフセット範囲
・　最大入力電圧
・　最大非破壊入力電圧
・　コモンモード入力範囲
・　各入力端子の対地電圧
・　周波数に対する電圧ディレーティング

最大非破壊入力電圧以内であっても、ダイナミックレンジを超える信号を正確に測定できるとは限りません。

定常状態だけでなく、起動時、遮断時、異常時に発生する可能性がある過渡電圧も考慮します。

　
　
■安全定格の確認

高電圧回路や商用電源へ接続された回路を測定する場合は、プローブの測定カテゴリ（CAT）を確認します。

プローブ本体、テストリード、クリップ、アダプタなどを組み合わせた測定システムの定格は、その中で最も低い電圧定格とCAT定格によって決まります。

プローブの最大入力電圧が十分であっても、測定対象に必要なCAT定格を持っていない場合は使用できません。

また、一般的な接地型オシロスコープのグランド端子を高電位側へ接続して、オシロスコープ本体をフローティングさせる方法は危険です。フローティング測定には、用途に適した差動プローブ、絶縁プローブ、または絶縁入力オシロスコープを使用します。

　
　
■オシロスコープとの互換性

プローブを購入する前に、使用するオシロスコープとの互換性を確認します。

主な確認項目は以下の通りです。

・　入力コネクタ
・　入力インピーダンス
・　入力容量
・　補正範囲
・　必要な終端抵抗
・　プローブ電源
・　専用プローブインターフェース
・　自動認識機能
・　減衰比の自動設定
・　対応するオシロスコープのシリーズ

BNCコネクタを備えていても、オシロスコープの入力インピーダンスや必要な電源が合わない場合は使用できないことがあります。

　
　
■プローブ選定時の確認項目

測定目的に適したプローブを選定する際は、以下の項目を確認します。

・　測定対象は電圧、電流、論理信号、電磁界のどれか
・　単端測定または差動測定
・　測定する最大電圧または最大電流
・　対地電圧とコモンモード電圧
・　周波数帯域と立上り時間
・　入力抵抗と入力容量
・　必要な感度とノイズ性能
・　絶縁の必要性
・　測定カテゴリ（CAT）
・　測定ポイントの形状と間隔
・　オシロスコープとの互換性
・　必要なプローブチップとアクセサリ

一つのプローブですべての測定へ対応することはできません。測定対象、必要な性能、安全条件に応じて適切なプローブを使い分けます。

　
　
■まとめ

オシロスコープ用プローブには、パッシブプローブ、アクティブプローブ、差動プローブ、高電圧プローブ、光アイソレーション差動プローブ、電流プローブ、ロジックプローブ、近傍界プローブなどがあります。

一般的な電圧測定にはパッシブプローブ、高速信号にはアクティブプローブ、2点間の電位差には差動プローブ、高電圧回路には高電圧プローブを使用します。

電流測定では、直流の有無、最大電流、周波数帯域、導体形状に応じて、AC/DC電流プローブ、AC電流プローブ、ロゴスキーコイルを使い分けます。

正確で安全な測定を行うには、帯域幅、入力容量、電圧・電流範囲、コモンモード範囲、安全定格、オシロスコープとの互換性を確認し、測定目的に適したプローブを選定することが重要です。

　
　
■T&Mコーポレーション株式会社の取り扱いプローブ

T&Mコーポレーション株式会社では、高電圧プローブ、高電圧差動プローブ、光アイソレーション差動プローブ、AC/DC電流プローブ、高周波電流プローブ、ロゴスキーコイル電流プローブなど、さまざまな測定用途に対応したプローブを取り扱っております。

測定する電圧・電流、周波数帯域、コモンモード電圧、絶縁性能、安全規格、使用するオシロスコープなどに応じて、適切なプローブをご提案いたします。プローブの選定、製品仕様、対応機種、お見積りなどについては、T&Mコーポレーション株式会社までお気軽にお問い合わせください。