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技術 アクティブ・シャント電流計及び被測定デバイスを流れる電流の測定方法

出願人 ケースレー・インスツルメンツ・インコーポレイテッド
発明者 ウエイン・シー・ジオーケ
出願日 2013年10月22日 (8年3ヶ月経過) 出願番号 2013-219160
公開日 2014年5月12日 (7年9ヶ月経過) 公開番号 2014-087065
状態 特許登録済
技術分野 増幅器一般
主要キーワード 測定製品 デケード 反転利得 反転段 電気測定装置 フィードバック要素 DC利得 負担電圧
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年5月12日)のものです。
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図面 (9)

課題

電流計入力インピーダンスをその全帯域幅に渡って一定に維持する。

解決手段

アクティブシャント電流計30は、並列RCフィードバック要素32にかかる制御されたネガティブ利得を利用し、このとき、その回路の入力インピーダンスが、その利得でRを割ったものに等しい抵抗値であるようにする。アクティブ・シャント電流計30は、固定利得差動増幅回路38のネガティブ入力端子及び出力端子間に接続された並列な抵抗器34及びコンデンサ36を有する固定利得差動増幅回路38を含んでいる。抵抗器34及びコンデンサ36のRC積は、固定利得で割った増幅回路利得帯域幅に等しくなるよう選択される。

概要

背景

ソースメジャーユニットSMU)は、半導体製品試験を含む多くの分野において、高精度測定を行うために利用されている。例えば、米国特許第5,039,934号は、そうした装置の1つを記述しており、こうした装置におけるレンジ変更については、米国特許第5,144,154号に記述されている。典型的な、SMUの構成では、電圧及び電流測定機能一体化した電圧又は電流源を含んでいる。被測定デバイス(DUT)がSMUに結合され、そして、電圧又は電流源のどちらを用いて刺激が与えられる。

DUTを通過する電流を測定する方法にはいくつかある。例えば、抵抗器Rsにかかる電圧をシンプルに検知するのには、シャント電流計を用いても良い。Rsは、入力信号に大きな負担電圧を生じさせないように、小さく維持しなければならない。負担電圧を増幅し、これを測定可能とするのには、低ノイズ利得段が必要となる。

フィードバック電流計は、抵抗器Rsを通して入力回路をプルする(pull:引っ張る)のに、高利得オペアンプ演算増幅器)を利用する。このオペアンプは、その高DC利得(典型的には、100万より大きい)によって、負担電圧を低く維持する。これによって、Rsをより大きくでき、このために出力信号をより大きくできる。

概要

電流計入力インピーダンスをその全帯域幅に渡って一定に維持する。アクティブ・シャント電流計30は、並列RCフィードバック要素32にかかる制御されたネガティブ利得を利用し、このとき、その回路の入力インピーダンスが、その利得でRを割ったものに等しい抵抗値であるようにする。アクティブ・シャント電流計30は、固定利得差動増幅回路38のネガティブ入力端子及び出力端子間に接続された並列な抵抗器34及びコンデンサ36を有する固定利得差動増幅回路38を含んでいる。抵抗器34及びコンデンサ36のRC積は、固定利得で割った増幅回路利得帯域幅に等しくなるよう選択される。A

目的

この構成は、回路の入力インピーダンスがRsを利得で割ったものと等しい抵抗値になるという、並列なRCフィードバック要素34、36に係る制御されたネガティブ利得を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

被測定デバイス(DUT)を流れる電流を測定するアクティブシャント電流計であって、ある周波数帯域内周波数を有し、上記DUTを流れる電流を表す入力信号を受けるよう構成される入力部と、上記周波数帯域内で周波数に対して変化する利得特性を有する増幅回路と、フィードバック要素とを有する利得回路とを具え、上記フィードバック要素は、上記利得回路の出力端子から上記利得回路のネガティブ入力端子に結合されるインピーダンスを有し、上記フィードバック要素のインピーダンスは、上記周波数帯域に渡って上記増幅回路の利得で割った上記フィードバック要素のインピーダンスが、最小の周波数依存性を有するように、上記増幅回路の利得特性と相関して周波数と共に変化するよう構成されることを特徴とするアクティブ・シャント電流計。

請求項2

被測定デバイス(DUT)を流れる電流を測定する方法であって、ある周波数帯域内の周波数を有し、上記DUTを流れる電流を表す入力信号を受ける処理と、上記DUTを流れる電流を表す出力信号を生成する処理と、上記周波数帯域内で周波数に対して変化する利得特性を有する増幅回路と、フィードバック要素とを有する利得回路を供給する処理とを具え、上記フィードバック要素は、上記利得回路の出力端子から上記利得回路のネガティブ入力端子に結合されるインピーダンスを有し、上記フィードバック要素のインピーダンスは、上記周波数帯域に渡って上記増幅回路の利得で割った上記フィードバック要素のインピーダンスが、最小の周波数依存性を有するように、上記増幅回路の利得特性と相関して周波数と共に変化するよう構成されることを特徴とする方法。

技術分野

0001

本発明は、大まかに言えば、電気測定装置に関し、特に、電流の測定で用いるアクティブシャント電流計に関する。

背景技術

0002

ソースメジャーユニットSMU)は、半導体製品試験を含む多くの分野において、高精度測定を行うために利用されている。例えば、米国特許第5,039,934号は、そうした装置の1つを記述しており、こうした装置におけるレンジ変更については、米国特許第5,144,154号に記述されている。典型的な、SMUの構成では、電圧及び電流測定機能一体化した電圧又は電流源を含んでいる。被測定デバイス(DUT)がSMUに結合され、そして、電圧又は電流源のどちらを用いて刺激が与えられる。

0003

DUTを通過する電流を測定する方法にはいくつかある。例えば、抵抗器Rsにかかる電圧をシンプルに検知するのには、シャント電流計を用いても良い。Rsは、入力信号に大きな負担電圧を生じさせないように、小さく維持しなければならない。負担電圧を増幅し、これを測定可能とするのには、低ノイズ利得段が必要となる。

0004

フィードバック電流計は、抵抗器Rsを通して入力回路をプルする(pull:引っ張る)のに、高利得オペアンプ演算増幅器)を利用する。このオペアンプは、その高DC利得(典型的には、100万より大きい)によって、負担電圧を低く維持する。これによって、Rsをより大きくでき、このために出力信号をより大きくできる。

0005

米国特許第5,039,934
米国特許第5,144,154

先行技術

0006

ケースレーによるSMUに関するウェブサイト、[オンライン]、[2013年10月21日検索]、インターネット

発明が解決しようとする課題

0007

しかし、オペアンプの高利得は、比較的低い周波数ロールオフを始める。その上、これは、負担電圧が、より高い周波数で増加する原因にもなる。もし入力部が容量性の場合、これは、フィードバック計測器リンギングするか又は発振さえする原因となり得る。こうした問題を解決する改善された計測器の構成を提供することが望ましいであろう。

課題を解決するための手段

0008

被測定デバイス(DUT)を流れる電流を測定するアクティブ・シャント電流計を開示する。そのアクティブ・シャント電流計は、DUTを流れる電流を表す、ある周波数帯域内の周波数を有する入力信号を受けるよう構成された入力部を含んでいる。出力部は、DUTを流れる電流を表す出力電圧を生成するよう構成される。アクティブ・シャント電流計は利得回路を含み、利得回路は、その周波数帯域内で周波数に対して利得特性が変化する増幅回路と、利得回路の出力端子から利得回路のネガティブ入力端子へと結合されたインピーダンスを有するフィードバック要素とを有しており、上記フィードバック要素インピーダンスは、上記周波数帯域における増幅回路利得で割ったフィードバック要素インピーダンスが、周波数依存性が最小となるように、増幅回路利得特性と相関させて、周波数と共に変化するよう構成される。

0009

増幅回路は、並列RCフィードバック要素を有していても良い。増幅回路は、ネガティブ入力端子及び出力端子間に結合された並列RCフィードバック要素を有する差動増幅回路であっても良い。利得回路は、その利得特性及びフィードバック要素のインピーダンスに基いて、増幅回路の全帯域幅に渡って、おおよそ一定に維持される入力インピーダンスを有していても良い。増幅回路は、フィードバック要素にかかる制御されたネガティブ利得を有していても良い。増幅回路は、抵抗器の比で設定される利得を有する反転段を有していても良い。増幅回路は、2つの演算増幅回路(オペアンプ)間で分割される利得を有していても良い。フィードバック要素にかかる電圧をバッファし、抵抗器の比で減衰しても良い。増幅回路は、そのフィードバック・パスに置かれた利得を有する入力オペアンプを有していても良い。

0010

被測定デバイス(DUT)を流れる電流を測定する方法も開示され、その方法は、ある周波数帯域内の周波数を有し、上記DUTを流れる電流を表す入力信号を受ける処理を含む。出力電圧が生成され、その出力電圧は、DUTを流れる電流を表す。利得回路が供給される。その利得回路は、上記周波数帯域内で周波数に対して変化する利得特性を有する増幅回路と、利得回路の出力端子から利得回路のネガティブ入力端子に結合されるインピーダンスを有するフィードバック要素とを有し、上記フィードバック要素のインピーダンスは、上記周波数帯域に渡って上記増幅回路の利得で割った上記フィードバック要素のインピーダンスが、最小の周波数依存性を有するように、上記増幅回路の利得特性と相関して周波数と共に変化するよう構成される。

0011

増幅回路は、並列RCフィードバック要素を有していても良い。増幅回路は、ネガティブ入力端子及び出力端子間に結合された並列RCフィードバック要素を有する差動増幅回路であっても良い。利得回路は、その利得特性及びフィードバック要素のインピーダンスに基いて、増幅回路の全帯域幅に渡って、おおよそ一定に維持される入力インピーダンスを有していても良い。増幅回路は、フィードバック要素にかかる制御されたネガティブ利得を有していても良い。増幅回路は、抵抗器の比で設定される利得を有する反転段を有していても良い。増幅回路は、2つの演算増幅回路(オペアンプ)間で分割される利得を有していても良い。フィードバック要素にかかる電圧をバッファし、抵抗器の比で減衰しても良い。増幅回路は、そのフィードバック・パスに置かれた利得を有する入力オペアンプを有していても良い。

図面の簡単な説明

0012

図1Aは、抵抗器Rsにかかる電圧をシンプルに感知するよう構成されたシャント電流計の基本的なブロック図である。
図1Bは、抵抗器Rsを介して入力回路をプルする高利得オペアンプで構成されたフィードバック電流計の基本的なブロック図である。
図2Aは、並列RCフィードバック要素にかかる制御されたネガティブ利得を用いたアクティブ・シャント電流計の見取り図である。
図2Bは、図2Aのアクティブ・シャント電流計の固定利得増幅回路の利得B(s)を示すグラフである。
図3は、反転段を用いて構成された固定利得増幅回路を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図であり、このとき、反転利得は、抵抗比で設定されている。
図4は、固定利得増幅回路を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図であり、このとき、その利得は、2つのオペアンプ間で分割されている。
図5は、固定利得増幅回路を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図であり、このとき、シャントにかかる電圧がバッファされ、抵抗比によって、わずかに減衰されている。そして、
図6は、固定利得増幅回路を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図であり、このとき、入力オペアンプは、そのフィードバック・パスに置かれたわずかな利得を有している。

実施例

0013

ここでの開示は、大まかに言えば、電気測定装置に関し、特に、電流を測定するのに利用するアクティブ・シャント電流計に関する。こうした電流計は、デジタルマルチメータDMM)やソース・メジャー・ユニット(SMU)を含む測定製品のサブ・コンポーネントであることが多い。被測定デバイス(DUT)を流れる電流を測定する方法は、いくつかある。図1Aは、抵抗器Rsにかかる電圧をシンプルに感知するよう構成されたシャント電流計10の基本的なブロック図である。Rsは、入力信号に対して大きな負担電圧を生じさせないように、小さく維持されなければならない。低ノイズ利得段12は、負担電圧を増幅するので、これを測定可能にする。

0014

図1Bは、抵抗器Rsを介して入力回路をプルする高利得オペアンプで構成されたフィードバック電流計20の基本的なブロック図である。その演算増幅回路(オペアンプ)22は、その高DC利得(典型的には、百万よりも大きい)により、負担電圧を低く維持する。これによってRsをより大きくできるので、出力信号をより大きくできる。しかし、オペアンプの高利得は、比較的低い周波数でロール・オフを始める。また、これは、負担電圧がより高周波数で増加する原因にもなる。もし入力部が容量性の場合、これは、フィードバック計測器がリンギングするか又は発振さえする原因となり得る。

0015

アクティブ・シャント電流計の構造は、これら問題を解決しようとするものである。アクティブ・シャント電流計の構成は、大まかに言えば、フィードバック電流計中で使用されているオペアンプを固定利得増幅回路に入れ替えるものである。その結果は、より高い周波数でも利得が一定となるものである。増幅回路がロール・オフを始める周波数において、コンデンサのインピーダンス(1/jωCs)がRsと等しくなるように設計される。RsとCsの並列インピーダンスのロール・オフは、増幅回路利得ロール・オフと組み合わされ、増幅回路の全帯域幅に渡って、電流回路の入力インピーダンスが一定という結果となる。その結果は、伝統的なシャント電流計というよりは、負担電圧に対し、より高い出力信号を伴うシャントのような電流計であり、フィードバック電流計の安定性の課題もない。

0016

図2Aは、その回路の入力インピーダンスが利得で割り算したRに等しい抵抗値であるような並列RCフィードバック要素32にかかる制御されたネガティブ利得を用いたアクティブ・シャント電流計の見取り図30である。この例では、アクティブ・シャント電流計30は、固定利得差動増幅回路38のネガティブ入力端子及び出力端子間に接続された並列な抵抗器34及びコンデンサ36を有する固定利得差動増幅回路38を含んでいる。抵抗器34及びコンデンサ36のRC積は、増幅回路の利得帯域幅を固定利得で割ったものと等しくなるよう選択される。

0017

図2Bは、図2Aのアクティブ・シャント電流計の固定利得増幅回路38の利得B(s)と、その他のパラメータとを合わせて示したグラフである。大まかに言えば、固定利得増幅回路38の利得B(s)(参照番号48で示される)は、DCから目標の周波数49まで基本的に一定に維持される。ひとたび目標周波数49に達すると、固定利得増幅回路38の利得B(s)は、例えば、1デケード(decade:周波数が10倍になる区間)毎に20dBで、ロール・オフする。この例では、図2Aの演算増幅回路40は、B(s)よりもかなり高い利得A(s)を有する。しかし、演算増幅回路42は、フィードバック・パスにおいて反転回路として機能し、固定利得増幅回路38についての合成利得B(s)を生じさせる。この構成は、回路の入力インピーダンスがRsを利得で割ったものと等しい抵抗値になるという、並列なRCフィードバック要素34、36に係る制御されたネガティブ利得を提供する。

0018

図2Aにおいて、ωtは、演算増幅回路40の利得帯域幅である。図2Aでは、抵抗器34(Rs)の抵抗値が、その周波数範囲に渡って一定であることも示されている。図2Aでは、アクティブ・シャント電流計30の入力インピーダンスZinも示されている。大まかに言って、入力インピーダンスZinは、Rsより大幅に小さくなるよう構成され、ωt以上の周波数に対しては、事実上、抵抗であるように見えるように構成される。この例では:Zin=Rs*(R1/(R1+R2))、Cs〜R2/(ωt*Rs*R1)及びR2>>R1。なお、「〜」は、おおよそ等しいを意味する。

0019

もしフィードバック要素32が抵抗のみなら、つまり、コンデンサ36を削るなら、入力インピーダンスZinは、目標周波数49の後、周波数と共に増加するであろう。コンデンサ36のインピーダンスを、目標周波数49において、抵抗器のインピーダンスと等しくなるよう選択しても良い。これは、演算増幅回路40がロール・オフ始めるのと同じ周波数において、フィードバック要素32のインピーダンスが低下する原因となる。この構成は、図2Bに示すように、目標周波数49の後、ロール・オフしないフラットな入力インピーダンスを生み出す。

0020

固定利得増幅回路は、いくつかの構成で実現しても良いことは当然である。図3は、反転段を用いて構成された固定利得増幅回路58を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図50であり、このとき、反転利得は、抵抗比R2/R1で設定されている。入力バッファがωt近くのロール・オフを始める周波数において、反転利得が1に減少するように、静電容量C2が抵抗器R1、R2の両方に加えられる。この例においては:Zin=Rs*(R1/R2)及びC2〜1/(ωt*R1b)=Rs*Cs/R2b。

0021

図4は、固定利得増幅回路78を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図70であり、このとき、その利得は、2つのオペアンプ80、82間で分割されている。この例では:Zin=Rs*(R1a*R1b)/(R2a*R2b)及びCs〜1/(ωt*R1)=(Rs*Cs)/R2。

0022

図5は、固定利得増幅回路98を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図90であり、このとき、シャントにかかる電圧がバッファされ、抵抗比R2/(R1+R2)によって、わずかに減衰されている。大まかに言えば、その減衰された信号がバッファされ、入力信号の低い側をドライブする。この例では:Zin=Rs*(R1/(R1+R2))。

0023

図6は、固定利得増幅回路118を有するアクティブ・シャント電流計の見取り図110であり、このとき、入力オペアンプ122は、そのフィードバック・パスに置かれたわずかな利得を有している。これによって、入力オペアンプはバッファとなって、その出力は、1よりわずかに小さいR2/(R1+R2)を有している。この例では:Zin=Rs*(R1/(R1+R2))。

0024

当然ながら、ここでの開示に基づいて、多くの変形が可能である。特定の組み合わせにおける機能及び構成要素を説明してきたが、各機能及び構成要素は、他の機能及び構成要素なしに単独で利用することができるし、また、各機能及び構成要素と種々に組み合わせて利用することができるし、各機能及び構成要素と組み合わせないで利用することもできる。

0025

30アクティブ・シャント電流計の見取り図
32並列RCフィードバック要素
34並列抵抗
36並列コンデンサ
38固定利得差動増幅回路
40演算増幅回路
42 演算増幅回路
48 固定利得増幅回路38の利得
49目標周波数
50 アクティブ・シャント電流計の見取り図
52 並列RCフィードバック要素
54 並列抵抗器
56 並列コンデンサ
58 固定利得差動増幅回路
60 演算増幅回路
62 演算増幅回路
70 アクティブ・シャント電流計の見取り図
72 並列RCフィードバック要素
74 並列抵抗器
76 並列コンデンサ
78 固定利得差動増幅回路
80 演算増幅回路
82 演算増幅回路
90 アクティブ・シャント電流計の見取り図
92 並列RCフィードバック要素
94 並列抵抗器
96 並列コンデンサ
98 固定利得差動増幅回路
102 演算増幅回路
104 演算増幅回路
110 アクティブ・シャント電流計の見取り図
112 並列RCフィードバック要素
114 並列抵抗器
116 並列コンデンサ
118 固定利得差動増幅回路
122入力演算増幅回路
124 演算増幅回路

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