会社のニュース 精密測定のためのオシロスコープにおける帯域幅制限の克服

電子エンジニアのツールキットにおいて、オシロスコープは最も重要な機器の一つです。経験豊富な医師のように機能し、回路内の電気信号を「見通す」ことができ、時間の経過に伴う電圧の変化を視覚的に表現します。複雑な回路のデバッグや信号品質の分析など、オシロスコープは不可欠な役割を果たします。

しかし、精密機器と同様に、オシロスコープにも限界があります。その性能はさまざまな要因によって制約されており、帯域幅は最も重要でありながら、しばしば誤解されているパラメータの一つです。この目に見えない閾値は、オシロスコープが正確に測定できる周波数範囲を決定します。信号周波数がこの制限を超えると、表示される振幅が減衰し、測定が歪み、エンジニアリングの判断を誤る可能性があります。

オシロスコープの帯域幅とは、機器が正確な測定を維持できる上限周波数を指します。技術的には、正弦波入力信号の振幅が元の値の70.7%（-3dB点）で表示される周波数点を表します。この基準は電力計算に由来します。電力は電圧の2乗に関連するため、70.7%の電圧降下は50%の電力削減（-3dB）に相当します。

たとえば、100MHz帯域幅のオシロスコープは、100MHzの正弦波を真の振幅の70.7%で表示します。この周波数を超える信号は、徐々に大きな減衰を経験します。

帯域幅の制約は、オシロスコープ回路の固有の物理的特性から生じます。

• アンプ/減衰器: これらのコンポーネントは、表示のために信号レベルを調整しますが、トランジスタの容量とインダクタンスは、より高い周波数でゲインの低下を引き起こします。
• 容量性/誘導性効果: 内部コンデンサは、周波数が上昇するにつれてインピーダンスが減少し、インダクタは逆の動作を示し、信号伝送をまとめて歪ませます。
• PCBトレース: 回路基板の経路でさえ、信号の完全性に影響を与える周波数依存のインダクタンス/容量を示します。

帯域幅は測定の有効性に直接影響します。500MHzクロック信号を100MHzオシロスコープでデバッグすることを考えてみましょう。大幅に減衰した表示は、信号強度が不十分であることを示唆し、誤った回路修正を促す可能性があります。さらに悪いことに、高周波高調波が低周波数としてエイリアシングされ、誤解を招く可能性があります。

500MHzの矩形波には、1GHz、1.5GHzなどの高調波が含まれています。帯域幅が不十分だと、これらのコンポーネントが誤った低周波数の読み取りに折りたたまれる可能性があります。

エンジニアは、いくつかの方法で帯域幅の制限を軽減できます。

• 帯域幅の選択: 「5倍ルール」を適用します。信号の最高周波数成分の帯域幅が≥5×のオシロスコープを選択します。100MHzの信号には、500MHzの機器を選択します。
• プローブの考慮事項: オシロスコープの帯域幅に一致またはそれを超えるプローブを使用します。ノイズを最小限に抑えるために、短いグランドリードで接続を最適化します。
• オーバーサンプリング: ハイエンドのオシロスコープは、再構成の精度を向上させるために、ハードウェアオーバーサンプリング（ナイキストレートを超えるサンプリング）を使用する場合があります。
• イコライゼーション: 高度なユニットは、信号の前処理を通じて、帯域幅によって引き起こされる歪みを補償します。
• 周波数応答キャリブレーション: 一部の機器は、特定の応答特性の補正を提供します。

• 帯域幅が≥5×信号周波数のオシロスコープを優先します
• 適切なインピーダンスマッチングを備えた高性能プローブを使用します
• コモンモードノイズを除去するために、差動測定を実装します
• コネクタ/ケーブルのアーティファクトを除去するために、デエンベディング技術を適用します

オシロスコープの帯域幅制限を理解することで、エンジニアは、特に高速回路分析において、情報に基づいた機器の選択と測定解釈を行うことができます。オシロスコープは依然として強力な診断ツールですが、その有効性は最終的にユーザーの技術的知識と分析スキルに依存します。