差動プローブとは？

オシロスコープで電圧を測定するときは、対象信号や回路構成に応じて適切なプローブを選ぶ必要があります。特にGNDを基準にできない回路や、電位差のある2点間を測定する場合は、一般的なシングルエンドプローブでは接続方法に注意が必要です。差動プローブを使用すると、測定点をオシロスコープのGNDに接続せず、2点間の電位差を測定できます。パワーエレクトロニクスや差動通信信号の評価など、さまざまな測定で利用されています。

本記事では、差動プローブの仕組みやシングルエンドプローブとの違い、主な用途、選定時に確認したい仕様を解説します。

差動プローブとは

差動プローブは、2つの入力端子（プラス側／マイナス側）間の電位差を測定するためのプローブです。製品によっては差動アンプなどの能動回路を内蔵しており、両入力に共通して現れるコモンモード成分の影響を抑えながら、2点間の差動成分をオシロスコープへ伝えます。

シングルエンドプローブとは異なり、オシロスコープのGNDを測定点の基準として接続する必要がないため、非接地の2点間電圧を測定する際に利用できます。ただし、差動プローブにも最大差動入力電圧やコモンモード電圧などの定格があるため、測定対象に適した製品を選ぶことが重要です。

差動プローブの内部構造と動作原理

差動プローブは、製品によって構造が異なりますが、一般的には「入力減衰回路」「差動アンプ」「出力回路」などで構成されています。入力段では、測定対象の電圧に応じて信号を減衰させ、差動回路によって2つの入力の電位差を取り出します。

差動アンプでは、2つの入力電圧の差を増幅するとともに、両入力に共通するコモンモード成分の影響を抑えます。このコモンモード成分をどの程度除去できるかを示す指標がCMRR（同相除去比）です。出力された信号はオシロスコープへ伝送され、2点間の電位差を波形として観測できます。

差動プローブには、能動回路を使用するアクティブタイプが多く、動作に電源を必要とする製品があります。電池で動作するタイプ、オシロスコープのプローブインターフェースから給電するタイプ、外部電源を使用するタイプなどがあるため、使用するオシロスコープとの互換性や電源方式を確認しましょう。

シングルエンドプローブとの違い

一般的なシングルエンドプローブでは、GNDクリップを回路の基準電位に接続し、プローブ先端とGND間の電圧を測定します。接地型オシロスコープで使用する場合、GNDクリップはオシロスコープ側の基準電位につながるため、GND電位の異なる箇所やフローティングした回路を測定するときは、接続方法に注意が必要です。

一方、差動プローブは2つの入力端子間の電位差を測定するため、測定対象をオシロスコープのGNDへ直接接続せずに測定できます。また、CMRRによって両入力に共通するノイズの影響を抑えられる点も特徴です。ただし、差動プローブにも測定可能な電圧や周波数帯域などの制限があります。

このように、シングルエンドプローブはGNDを基準とした電圧測定、差動プローブはGNDに対する電位ではなく2点間の電位差を測定する用途に適しています。測定対象の回路構成や電圧に応じて使い分けることが重要です。

差動プローブが使われる主な用途

パワーエレクトロニクス分野

パワーエレクトロニクス分野では、インバータの相間電圧やハイサイド側のスイッチング波形、ゲート信号、DCリンク電圧など、GNDを基準として測定しにくい信号の観測に差動プローブが利用されます。EVの駆動系や蓄電池用PCS、産業用モータドライブなど、高電圧を扱う機器の評価にも使用されています。高電圧を測定する場合は、測定対象の電圧に対応した高電圧差動プローブを選択する必要があります。

絶縁型電源回路の評価

絶縁型DC/DCコンバータやフライバック電源では、1次側と2次側のGNDが分離されています。絶縁された回路間の電圧を測定する場合、シングルエンドプローブのGND接続によって回路間を意図せず接続してしまう可能性があるため、測定方法に注意が必要です。差動プローブを使用すれば、2点間の電位差を測定できます。

差動信号の観測

LVDS、CAN、RS-485などの差動通信信号では、2本の信号線の電位差を観測するために差動プローブが利用されます。高速な通信信号を測定する場合は、必要な帯域や入力容量などを確認し、測定対象に適したプローブを選ぶことが重要です。

フローティング回路の測定

バッテリーや蓄電池系、絶縁トランスの2次側など、大地やオシロスコープのGNDを基準として扱いにくい回路の電圧測定にも差動プローブが用いられます。測定する回路の電圧や絶縁条件を確認したうえで、適切なプローブを選択しましょう。

差動プローブを選ぶときのポイント

差動プローブには、高電圧の測定に適した「高電圧差動プローブ」や、高速な信号の観測に適した「広帯域差動プローブ」などがあります。測定対象によって重視すべき仕様が異なるため、用途に応じて最大入力電圧や周波数帯域などを確認することが重要です。

最大差動入力電圧とコモンモード電圧

差動プローブを選ぶ際は、プラス／マイナスの入力端子間に加えられる最大差動入力電圧だけでなく、各入力端子が基準電位に対して持てるコモンモード電圧も確認します。これらの定格は製品によって異なるため、測定対象の電圧に対して十分な余裕があるか確認することが重要です。高電圧回路を測定する場合は、最大入力電圧だけでなく測定カテゴリや絶縁仕様なども確認しましょう。

周波数帯域

周波数帯域は、測定対象の信号に含まれる周波数成分や立ち上がり時間などを考慮して選択します。高速なスイッチング信号や通信信号を測定する場合は、オシロスコープ本体だけでなく、プローブ側の帯域も確認する必要があります。プローブの帯域が不足すると、実際の波形に対して立ち上がり時間や高周波成分などが正しく再現されない場合があります。

CMRR（同相除去比）

CMRRは、差動プローブがコモンモード成分をどの程度抑制できるかを示す指標です。一般的にdB（デシベル）で表され、数値が大きいほどコモンモード成分の影響を抑えて差動信号を測定しやすくなります。ただし、CMRRは周波数によって変化するため、測定対象の周波数帯における仕様を確認することが重要です。高電位に重畳した微小な信号を測定する場合にも、CMRRは重要な選定項目となります。

減衰比と入力インピーダンス

減衰比は、入力された電圧をどの程度減衰させてオシロスコープへ伝えるかを示します。高電圧を測定する場合は、測定対象の電圧に対応した減衰比のプローブを選択します。一方、小さな信号を測定する場合は、必要以上に大きな減衰比を選ぶと測定分解能やS/N比に影響することがあります。

入力インピーダンスが高いほど、一般に被測定回路への負荷を抑えやすくなります。また、高速信号を測定する場合は入力容量も波形に影響するため、入力インピーダンスだけでなく入力容量も確認しましょう。

電源方式とオシロスコープとの互換性

差動プローブには、電池、外部電源、オシロスコープ本体のプローブインターフェースなどから電源を供給するタイプがあります。オシロスコープ本体から給電するタイプでは、対応するプローブインターフェースを確認する必要があります。BNC出力と外部電源を使用するタイプでも、出力仕様や必要な電源などが製品ごとに異なるため、オシロスコープとの互換性を確認して選択しましょう。

差動プローブを使用するときの注意点

差動プローブを使用する際は、測定前に最大差動入力電圧やコモンモード電圧などの定格を確認しましょう。高電圧回路では、プローブの定格だけでなく、測定カテゴリや絶縁仕様、接続方法なども確認する必要があります。

また、プローブ先端のリード線や絶縁部に損傷がないかを確認し、メーカーが指定する方法で測定対象へ接続します。プローブによってはゼロ調整などの操作が必要な場合があるため、使用する製品の取扱説明書に従ってください。

なお、差動プローブを使用した場合でも、定格を超える電圧を測定できるわけではありません。測定対象の電圧や回路構成に適したプローブを使用し、仕様の範囲内で測定することが重要です。

まとめ

差動プローブは、2点間の電位差を測定するためのプローブです。シングルエンドプローブとは異なり、測定対象をオシロスコープのGNDへ直接接続せずに電圧を測定できるため、フローティング回路やパワーエレクトロニクス機器などの測定に利用されています。

選定時は、最大差動入力電圧・コモンモード電圧・周波数帯域・CMRR・減衰比・入力インピーダンスなどを確認することが重要です。測定対象の電圧や信号速度、回路構成に適した差動プローブを選び、仕様の範囲内で使用しましょう。