図１ 携帯電話の待ち受け時の消費電流波形（例）
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携帯電話端末（以下 携帯電話）は充電１回当たりの使用時間を延ばす為に、ハードウェア、ファームウェアの両面で省電力化の為の多くの努力が払われている様です。それに伴って電源制御も複雑になり、電源電流は数十μＡから数百ｍＡに及ぶ広い範囲をパルス状に高速に変動するので、携帯電話の消費電流を正確に測定するのは容易ではありません。
現在一般的に行なわれているディジタルストレージ方式による精度は１～１０％程度です。しかし、機種毎の消費電流を比較したり、消費電力削減の研究開発を行なう場合には物足りなく、工業用の測定器としては０．１％程度の精度は欲しい処です。
本稿では携帯電話の消費電流測定の精度低下の主な原因が固定レンジ測定にある事と、フリーレンジシャントによる高速オートレンジで精度向上が図れる事を示します。*3)、*4)
●数十μＡから数百ｍＡ、ダイナミックレンジ５桁でパルス状に変動！！
図１ 携帯電話の待ち受け時の消費電流波形（例）
機種、通信方式、電波強度等によって異なるので一概には言えませんが、図１に携帯電話の待ち受け時の消費電流波形の一例を示します。
非動作時は消費電流は６９０μＡですが、５．１２秒毎の基地局との通信期間約６５ｍＳｅｃは消費電流が１２０ｍＡ（瞬間的には５６０ｍＡ）迄増大しています。
図１ではこの通信期間の電流値を単純化して１２０ｍＡとしていますが、携帯電話の電源回路に１Ωのシャント抵抗を挿入し、その両端の電圧波形を観測した実際の電流は、写真１の様に９６ｍＡと１４０ｍＡの間を階段状に変動します。
その他、通話時の消費電流は３００ｍＡ以上、カメラのフラッシュ動作時の消費電流は４００ｍＡ以上になる場合もあります。
写真１ 基地局との通信期間の消費電流（シャント抵抗＝１Ω）
●高級機種でも微小入力では低級機種になる！！
消費電流は一定時間に流れた電流の平均値で表します。
図１の様な波形の消費電流測定は一般的な電流計では不可能であり、シャント抵抗で電流を電圧信号に変換し、データをデータメモリにセーブしながら数秒間高速サンプリングしてからアベレージング（平均値演算）する図２の様なディジタルストレージ方式のシステム構成が必要です。
図２ 消費電流測定システム構成例
これは一般的にはシャント抵抗とアベレージング機能付きのディジタルストレージオシロ（ＤＳＯ）で可能ですが精度は数％程度です。最近では高速サンプリング、データメモリ、アベレージング機能を持たせたディジタルマルチメータ（以下ＤＭＭ。ＤＭＭはシャント抵抗を内蔵している）も発表されています。
なお、①のシャント抵抗が１Ωを越えると、携帯電話が「電池残量なし」を検出して正常な測定が出来なくなる場合があります。*2)
以下では図２のシステムで携帯電話の消費電流を測定する場合の誤差を検討します。
ＤＭＭ等では測定の精度仕様を確度と呼び一般的に
確度：±（X% of reading + Y% of full scale of range) at 温度 Ｔ℃±ΔＴ℃
の様に規定します。
比例項Ｘの主な誤差要因はシャント抵抗値の温度ドリフトと、Ａ／Ｄ変換部各素子のゲイン温度ドリフト、ゲイン非直線性等です。
定数項Ｙの主な誤差要因はＡ／Ｄ変換部各素子のオフセット温度ドリフト、電源変動誤差、Ａ／Ｄ変換時の量子化誤差等です。
以下ではこれらの誤差要因をシステム誤差と呼びます。
通常システム誤差は、回路技術である程度迄小さくする事はできてもゼロにはできないものですが、市販の高級機種では
±（0.03% of reading + 0.002% of full scale of range) at 23℃±5℃
等と驚異的とも言える高級機種もあります。
以下では議論を判り易くする為にこの数値を具体例として用います。
入力電流（＝測定表示値）Ｉｄの値を、測定レンジのフルスケール電流値に対する相対電流値として
P % of full scale of range（以下 P %FSR）
で表わすと、相対誤差（精度）ｅｒ は①式で表わされます。*1)
これをグラフ化したものが図３の(a)固定レンジです。
図３ 測定電流－相対誤差
これらから固定レンジでは仕様上の精度が充分発揮されるのは入力電流が測定レンジのフルスケール（以下 ＦＳ）に近い部分であり、ＦＳに対して入力電流が小さい場合には、精度は大きく低下する事が判ります。
例として１Ａレンジで図１の消費電流を測定すると平均電流値２．３ｍＡは ０．２３％ＦＳＲなので相対誤差は０．９０％になり、６９０μＡは０．０６９％ＦＳＲなので相対誤差は２．９％です。
精度を悪化させる主な原因は、シャント抵抗値Ｒを測定電流の最大値で決定し、これを固定した状態で小電流を測定するので、図２の②Ａ／Ｄ変換部への信号入力電圧Ｖｉ（＝Ｉｄ・Ｒ）、即ち①式におけるＰが小さくなり、対応する誤差の定数項Ｙによる誤差が増大する事にあります。
定性的には、信号入力電圧Ｖｉが小さくなると相対的にシステム誤差との比率が小さくなって、広い意味でのＳ／Ｎ比が下がる、という事もできます。
●入力電流が小さくても精度は低下しない！！
図２において②Ａ／Ｄ変換部はそのままで確度も同じ
±（0.03% of reading + 0.002% of full scale of range) at 23℃±5℃
としたまま①のシャント抵抗について、測定電流が１／１０になる毎にシャント抵抗値を１０倍にする、所謂オートレンジ切り替えを行なうシステムを新たに構成します。
これはパッシブフリーレンジシャント（ＰＦＲＳ）、アクティブフリーレンジシャント（ＡＦＲＳ）、パッシブ・アクティブフリーレンジシャント（ＰＡＦＲＳ）と呼ぶ回路方式で実現できます。*4)
一例として図４にＡＦＲＳの原理図を示します。
図４ アクティブＦＲＳの原理図
このオートレンジ機能により、最小レンジ以外のレンジでは②Ａ／Ｄ変換部への電圧信号入力は必ずそのフルスケールに対して１０～１００％になります。
即ちＡ／Ｄ変換部は各レンジ毎に１０～１００％ＦＳＲの入力電流についてのみ測定を行なうことになり、①式において入力電流の大きさが変化しても、その時点でのレンジのフルスケール電流値に対する相対電流値Ｐ％ＦＳＲは常に１０～１００％ＦＳＲであり、その測定誤差は図３の(b)オートレンジのグラフの様になります。
これにより、小電流域でも精度は悪化せず高精度性能がそのまま活かせ、図１の消費電流を誤差０．０５％以下で測定できる事になります。*注1.
以上から、図２のシステムで②のＡ／Ｄ変換部の精度を充分活かすには、①のシャント抵抗を高速オートレンジ方式にするのが良い事が判り、これはフリーレンジシャントで実現可能です。
当社ではＡＦＲＳによる携帯電話用電流計 スーパークーロンメータ「ＰＸ０３ＳＣ１」 を製作しＡＦＲＳの効果を確認しました。*5)
なお、本稿ではＦＲＳの応用を携帯電話の消費電流測定に限定しましたが、フォトダイオードをセンサとする輝度計や照度計等、電流を信号とする各種の測定器に応用可能です。
*注1. オートレンジの場合各レンジ毎に１００％ＦＳＲになるので図３の横軸の０．００１、０．０１、０．１、１．０、１０．０％ＦＳＲは何れも１００％ＦＳＲになります。
*1) 相対誤差算出
Id：表示値（測定結果） 単位[A]
It：真値（測定は不可能） 単位[A]
Ifs：レンジにおけるフルスケール電流値 単位[A]
Δe：絶対誤差 単位[A]（Δe<<1 とする）
eｒ：真値に対する相対誤差 単位[%]
として以下の計算を行なう。
（訂正A :Δeの単位[%]→[A]）
*2)電流／電圧変換回路の使用
シャント抵抗が１Ωを越えると携帯電話が「電池残量なし」を検出して正常な測定が出来なくなる場合があります。この様な場合には、図５の様なオペアンプによる電流／電圧変換回路を使用して、携帯電話から見たシャント抵抗値を０Ωにする必要があります。
ＦＲＳでは原理的に入力インピーダンスが０Ωなので「電池残量なし」の問題は発生しません。
図５ 電流／電圧変換回路
*3) トランジスタ技術2003年3月号(275頁) 高速レンジ切り替え可能なクーロンメータの製作
*4) https://www.proxi.co.jp/products/frs_tec.htm フリーレンジシャント概要説明
*5) https://www.proxi.co.jp/products/px03sc1.htm スーパークーロンメータ「ＰＸ０３ＳＣ１」