(57)【要約】【課題】電流計の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の利得帯域幅に等しくなるよう選択される。【選択図】図２Ａ
2014087065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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。
【発明の詳細な説明】
【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、半導体製品の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と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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５,０３９,９３４
【特許文献２】米国特許第５,１４４,１５４
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】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<http://www.keithley.jp/products/dcac/currentvoltage>
【発明の概要】
【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、比較的低い周波数でロール・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が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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【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。
【符号の説明】
【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  並列抵抗器
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
【図１Ａ】
2014087065.tif 000003
【図１Ｂ】
2014087065.tif 000004
【図２Ａ】
2014087065.tif 000005
【図２Ｂ】
2014087065.tif 000006
【図３】
2014087065.tif 000007
【図４】
2014087065.tif 000008
【図５】
2014087065.tif 000009
【図６】
2014087065.tif 000010
【外国語明細書】
2014087065.tif 000011
2014087065.tif 000012
2014087065.tif 000013
2014087065.tif 000014
2014087065.tif 000015
2014087065.tif 000016
2014087065.tif 000017
2014087065.tif 000018
2014087065.tif 000019
2014087065.tif 000020
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2014087065.tif 000022
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