インピーダンスアナライザとは
インピーダンスアナライザとは、その名の通りインピーダンス(抵抗)の分析器です。インピーダンスとは交流回路における電圧と電流の比であり、電流の流れにくさを表す指標です。インピーダンスは複素平面のベクトル量で表示され、虚数軸のリアクタンスと実数軸の抵抗(レジスタンス)成分で表されます。
電流が直流の場合、抵抗成分のみとなり、オームの法則で表されるV＝IRで表されます。リアクタンスには、主に2種類の抵抗があります。1つはコイルなどの巻線を代表するL(インダクタ)成分を対象とした誘導性リアクタンスです。2つ目はコンデンサを代表とするC(キャパシタ)成分を対象とした容量性リアクタンスです。この交流成分を含んだ電気抵抗であるインピーダンスを分析する機械が、インピーダンスアナライザです。
インピーダンスアナライザの使用用途
インピーダンスアナライザの使用用途については、交流成分を含んだ電気抵抗であるインピーダンスに関して、その成分の詳細を解析する際に使用することになります。
例えば、その解析結果は、大抵のインピーダンスアナライザの場合、横軸が周波数に対して、縦軸を電圧や電流と言ったユーザーが欲しいパラメータ(変数)で表したグラフをインピーダンスアナライザの画面に表示させています。同様の装置には、LCRメータと言うものもあります。
しかし、LCRメータはピンポイントの結果を数値で表示するのみですが、インピーダンスアナライザは、幅広い周波数帯域を対象とした範囲における各種パラメータをグラフで表示できます。
インピーダンスアナライザの原理
インピーダンスアナライザは様々な周波数の交流信号を印加し、電流、電圧、位相差を測定することでインピーダンスのレジスタンス成分とリアクタンス成分を計測することが可能であり、共振法、I-V法、自動平衡ブリッジ法など様々な測定手法があります。
ここでは代表的な例として自動平衡ブリッジ回路による測定方法を説明します。自動平衡ブリッジ回路では信号源と二個の電圧計、電流―電圧変換機が使用されています。試料に流れる電圧と基準抵抗を流れる電圧の比を計算することで試料のインピーダンスを測定することが可能です。
自動平衡ブリッジ法では110MHz以下の周波数を広く測定可能です。より高周波のインピーダンスを測定する場合は、RF I-V法などが用いられます。
図1. 自動平衡ブリッジ法の回路図
得られたデータは横軸周波数、縦軸をインピーダンスでプロットしたボード線図や横軸をレジスタンス、縦軸をリアクタンスでプロットしたコール・コール・プロットなどでグラフ化することで解析を行います。これらを等価回路解析することで、回路の設計や電極等の抵抗成分の分離を行うことが可能になります。
インピーダンスアナライザのその他情報
1. インピーダンスアナライザとネットワークアナライザの違い
インピーダンスアナライザとネットワークアナライザは、どちらもDUT(被試験片)に信号を入力し、出力側に現れた信号強度と位相を入力と比較することにより、DUTのインピーダンス成分を計測する装置です。
インピーダンスアナライザは10kΩ以上の高インピーダンスを精度よく計測する目的で使用されます。ただし、計測できる周波数範囲は100MHz程度までです。
ネットワークアナライザは10GHz程度まで計測することができ、10kΩ以下のインピーダンスを計測する場合に適しています。通信機用のデバイスは高周波域までの特性計測が必要なため、ネットワークアナライザが使用されます。
2. インピーダンスアナライザの使い方
インピーダンスの計測には4端子が使われます。入力電流を印加するための端子、入力側の電圧を計測する端子、出力側の電流を計測する端子、および出力側の電圧を計測する端子です。
計測する対象(DUT)は入力側と出力側の間に挟んで使用しますが、より精度よく計測するためには、フィクスチャと呼ばれる計測用の治具を使用します。フィクスチャはDUTを安定して保持するのと、外来ノイズを減らし、信号の伝搬を減衰させないために使用される重要な計測治具です。
3. インピーダンスアナライザーの価格
計測できる周波数レンジやインピーダンスによって価格の幅があります。おおよそのインピーダンスを計測するための簡易的な計測器は、10万円程度で入手できます。
実験や開発で使用されるような高精度な機種であれば、200万円～500万円が相場です。これに、計測のためのDUT保持治具やケーブルとして100万円程度必要です。
参考文献
https://www.hioki.co.jp/jp/products/list/?category=32
https://www.keysight.com/ja/pc-1000000382%3Aepsg%3Apgr/impedance-analyzers?cc=JP&lc=jpn