(57)【要約】      （修正有）【課題】双方向電圧源の電流制限機能を有する正負双方向定電流定電圧回路を提供する。【解決手段】CPU等の処理監視機能によらず過負荷に対する。双方向電圧源の電流制限機能を、正負双方向の電流リミット設定基準電圧、スレッショルドレベル設定基準電圧とを設定し、測定対象の状態レベルと前記基準電圧を比較するコンパレータ回路およびこれと論理同期して動作するアナログスイッチ回路を帰還ループに持つ演算増幅器で構成する。また、同じ構成を用いて定電圧源と定電流源の両方の機能を持つ双方向電源回路を構成する。【選択図】  図１
2005293423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双方向電圧源を必要とする半導体特性測定において、当該測定対象に対し
正負双方向の電流リミット設定基準電圧、スレッショルドレベル設定基準電圧
を設定可能とし、測定対象の状態レベルと前記基準電圧を比較するコンパレ
ータ回路およびこれと論理同期して動作するアナログスイッチ回路を帰還
ループに持つ演算増幅器で構成される正負双方向定電流定電圧回路。
【請求項２】
請求項1の正負双方向定電流定電圧回路においてスレショルドレベル
設定電圧を0Vにすることで回路を削減することを特徴とする
正負双方向定電流定電圧回路。
【請求項３】
請求項1の正負双方向定電流定電圧回路においてコンパレータ回路を
同一入力に対して出力の論理が反転するコンパレータ2ヶで構成し、
2ヶのコンパレータ出力を負荷に供給する電源の極性に応じて出力を
切り替えるスイッチを備えることを特徴とする正負双方向定電流定電圧回路。
【請求項４】
請求項1の正負双方向定電流定電圧回路において、帰還ループ内のアナログ
スイッチの制御をコンパレータ回路の出力とは独立に行うことが可能にする
ことにより、電流リミット設定基準電圧の値によって設定が可能な定電流回路
を構成することができる正負双方向定電流定電圧回路。
【請求項５】
請求項1の正負双方向定電流定電圧回路において、請求項3のスイッチ制御
を行うとともに、電流リミット設定基準電圧の電圧極性も合わせて設定する
ことを特徴とする正負双方向定電流定電圧回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双方向電源駆動半導体測定に係わる双方向定電流、
定電圧コントロールシステムである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の回路では、図2の如く双方向電源を実現するためには、電源を
2つ持つ必要があり、電流制限機能を実現するためには、A-Dコンバータ、
CPU等が必要である。この構成では、正と負の電源をSWで切り替えて
双方向電源として使用するため、電源の規模が大きくなる。
また、電流制限機能は電流検出抵抗 RSの電圧をA-Dコンバータで読み取り、
常時CPU等で監視し、PS1,2の出力電圧を可変することで過負荷時の
電流制限をおこなっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術では出力される電流をCPU等で常時監視し、この結果により電源
の出力を可変し、電流制限を行なこの結果により電源の出力を可変し、
電流制限を行なっていた。このためCPU等の処理負荷が大きく、A-D
コンバータでの読み取り、過電流の判定、電源出力の制御等を行うため
処理速度により過電流が生じる時間が決まってしまうという問題がある。
また図2の構成をとった場合、電源を２つ持つため、サイズが大きくなり、
コストが高くなるという要因もある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
解決しようとする問題点は、半導体素子測定においてCPU等の処理監視機能
によらず過負荷に対する双方向電圧源の簡易な電流制限機能を提供、
また同じ構成を用いて定電圧源と定電流源の両方の機能を持つ双方向
電源回路を提供し少スペース、低コスト化が出来る。
【発明の効果】
【０００５】
本回路構成はOPアンプ1つによるフィードバックループとコンパレータのみで
構成し、CPU処理で電流制限を行っている電源回路よりすばやく電流制限を
行う事が出来る。また設定電圧により正負の電源への適応が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
【実施例１】
【０００７】
図１に本発明の構成を示す。
負荷抵抗ＲＬ（測定対象半導体）に供給する設定電圧ＶＤを設定する。
負荷電流IRLが電流リミット設定値になった場合に上記電源が定電流電源
として働く。この場合、電流検出電圧V1は次式のように決まる。
V1＝IRL×RS(=VRS)    
但しRSは電流検出抵抗、IRLは負荷電流(電流リミット設定値)である。
負荷電流が電流リミット設定値より大きい場合に上記電源が
定電流電源として働く。
（電流リミット設定値は上記式より  IRL＝VL／RSにより決定される。）
また、この時のIRLは図1のように負荷に流れる方向を正とする。
図１のスレショルド設定電圧VSは、定電流源として動作している状態と
定電圧源として動作する状態へ切り替わる電圧幅を設定するもので、
通常はVS=0として使用する。
CMPは以下のように動作するコンパレータである。
出力設定電圧が正の時(VD＞０)、  V4≦VSでCONT信号に論理Hを出力、
V4＞VSでCONT信号に論理Lを出力。
出力設定電圧が負の時(VD＜０)、  V4≧VSでCONT信号に論理Hを出力、
V4＜VSでCONT信号に論理Lを出力
SWはCONT信号を受けて論理HのときスイッチをON(ショート)し、論理Lの時
スイッチをOFF(オープン)する。
【０００８】
以下に定電圧動作時、定電流動作時の動作を示す。
定電圧動作時（負荷電流値＜電流リミット設定値の場合）
VDより出力設定電圧が出力され、AMPとフィードバックループにより出力電圧
VRLの出力が、VRL＝VDとなるよう制御され出力される。
出力電圧  VRL＝VD（定電圧）
出力電流  IRL＝VD/RL（負荷により可変）
（このときSWはOFFされ、出力を制御しているのはAMP段のフィードバック系
だけである。）
【０００９】
状態遷移詳細
V0=VRL+VS    より    V0=VRL+RS*IRL
V1=RS*IRL    電流検出電圧        
V2=VL-V1 
条件よりV1<VL（電流リミット設定電圧より、電流検出電圧以下）により
出力が正電圧時はV2>0となる
出力が負電圧時はV2<0となる。
【００１０】
初期状態でSWがOFFの時
V3=VD-（VD-0）=0[V]
V4=V2-V3=V2となり、出力が正電圧時はV2>0、
出力が負電圧時はV2<0となる。
上記仮定,CMPの動作により、VS=0[V]とすると    出力が正電圧時はV4>VSとな
り、 SWはOFFとなるまた出力が負電圧時はV4<VSとなり、SWはOFFとなる。
【００１１】
初期状態でSW=ONの時
V3=VD-（VD-V2）=-V2[V]
V4=V2-V3=2*V2    出力が正電圧時はV2>0、    出力が負電圧時はV2<0
上記仮定,CMPの動作により、VS=0Vとすると    出力が正電圧時はV4>VS
となり、 SWはOFFとなる出力が負電圧時はV4<VSとなり、SWはOFFとなる。
【００１２】
定電流動作時（負荷電流値＞電流リミット設定値の場合)
VDより出力設定電圧が出力され、AMPとフィードバックループにより出力電圧
VRLの出力が、VRL＝VDとなるよう制御され、出力されようとするが、
負荷電流値が電流リミット値を越えてしまうため、 電流値リミット設定値の
定電流源として動作する。
出力電圧    VRL＝RL＊IRL（負荷により可変）
出力電流    IRL＝VL／RS
(電流リミット設定電圧により出力電流が一定値となる)
（このときSWはONされ、出力を制御しているのはAMP段のフィードバックと、
V2によるフィードバックの2つのループが存在する。）
V0=VRL+VS    より    V0=VRL+RS*IRL
V1=RS*IRL    電流検出電圧        
V2=VL-V1    
条件よりV1>VL  （電流リミット設定電圧より、電流検出電圧以上）により
出力が正電圧時はV2<0となる
出力が負電圧時はV2>0となる
【００１３】
初期状態でSWがOFFの時
V3=VD-（VD-0）=0[V]
V4=V2-V3=V2 となり、出力が正電圧時はV2<0、    出力が負電圧時はV2>0
上記仮定、CMP動作により、VS=0[V]とすると    出力が正電圧時はV4<VS
となり、SWはONとなる出力が負電圧時はV4>VSとなり、SWはONとなる。
SWがONになることにより、VRLはAMPのフィードバックループにより
VRL=VD+V2（VRLの出力電圧が、SWのフィードバックループにより制御され、
VRLがVDより小さくなる）となる。
V0=VD+V2+VS
V1=RS*IRL
V2=VL-V1    SWのフィードバックループによりVL=V1  =>VL=RS*IRLとなるよう
VIが制御される。
V3=VD-（VD-V2）=-V2[V]
V4=V2-V3=2*V2    出力が正電圧時はV2<0、    出力が負電圧時はV2>0
上記仮定、CMP動作により、VS=0[V]とすると    出力が正電圧時はV4≦VS
となり、SWはONとなる出力が負電圧時はV4≧VSとなり、SWはONとなる
SWは常にON状態になり、定電流（IRL=VL/RS）動作となる
【００１４】
初期状態でSW=ONの時
VRL=VD+V2    （VRLの出力電圧が、SWのフィードバックループにより制御され、
VRLがVDより小さくなる）となる。
V0= VD+V2+VS
V1=RS*IRL
V2=VL-V1    SWのフィードバックループによりVL=V1  =>VL=RS*IRLとなるよう
VIが制御される
V3=VD-（VD-V2）=-V2
V4=V2-V3=2*V2    出力が正電圧時はV2<0、    出力が負電圧時はV2>0
上記仮定、CMP条件により、VS=0[V]とすると    出力=正電圧時はV4≦VS
となり、SWはONとなる出力=負電圧時はV4≧VSとなり、SWはONとなる。
SWは常にON状態になり、定電流（IRL=VL/RS）動作となる。
【００１５】
以下に具体例としての数値で考案の動作を説明する。
VD=+5[V]、VL=+1[V]、VS=0[V]、RS=10[Ω]とする。
（設定値により、負荷 RL=50[Ω]を境に過電流となる）
(状態1)
【００１６】
図３：出力電圧が正であり非過負荷でSWがOFF状態
負荷RLがRL>50[Ω]の場合、SWがOFF状態では、
VI=VD=+5[V]、VRL=+5[V]  これより負荷電流IRL<0.1[A](=VRL/RL)となって、
かつV3=0[V]V1<+1[V](=IRL×RS=0.1×10)、VL=+1[V]より  V2>0[V](=VL-V1)
V3=0[V]  から、  V4>0[V](=V2-V3)となって  V4>VS(VS＝0[V])のためCMPは
CONT信号として論理Lを出力し、これを受けたSWはOFF状態を維持する。
このため定電圧動作を行う。
(状態2)
【００１７】
図４：出力電圧が正であり非過負荷でSWがON状態
負荷RLがRL>50[Ω]の場合、SWがON状態では、VLで設定される定電流IRLを
流そうとする定電流源として動作する。
つまりIRL=0.1[A](=VL/RS)になるようVRL>VD(RL×IRL=>50*0.1>5)
と動作する。
この場合、VI>VD(OPアンプのバーチャルショートによりVRL=VIとなる)
となってV3<0[V]  (V3=VD-VI<0[V]) 
V1=+1[V](=IRL×RS=0.1×10)、VL=+1[V]より  V2=0[V](=VL-V1)
V3<0[V]  から、  V4>0[V](=V2-V3)となって  V4>VSのためCMPはCONT信号
として論理Lを出力し、これを受けたSWはON状態からOFF状態に切り替わる。
このため定電圧動作を行う。
(状態3)
【００１８】
図５：出力電圧が正であり過負荷でSWがOFF状態       負荷RLが
RL<50[Ω]の場合、SWが開放状態では、
負荷RLがRL<50[Ω]の場合、SWが開放状態では、
VI=VD=+5[V]、VRL=+5[V]  これより負荷電流IRL>0.1[A]となって、
かつV3=0[V] V1>+1[V]、VL=+1[V]より  V2<0[V]、V3=0[V]  から、
V4<0[V]となってV4<VSのためCMPはCONT信号として論理Hを出力し、
これを受けたSWはOFF状態からON状態に切り替わる。
これにより定電流動作となる。
(状態4)
【００１９】
図６：出力電圧が正であり過負荷でSWがON状態
負荷RLがRL<50[Ω]の場合、SWがON状態では、VLで設定される定電流IRL
を流そうとする定電流源として動作する。つまりIRL=0.1[A]になるようVRL<VDと
動作する。
この場合、VI<VDとなってV3>0[V]  V1=+1[V]、VL=+1[V]より  V2=0[V]
V3>0[V]  から、  V4<0[V]となって  V4<VSのためCMPはCONT信号として
論理Hを出力し、これを受けたSWはON状態を維持する。
これにより定電流動作となる。
【００２０】
これらの状態1〜4より、負荷RLの状態によって変わる負過電流をSWを開閉
することであらかじめ設定しているVLによって制限することが可能である。
また出力電圧が負の場合（VDが負に設定される）でも同様にVLの符号を
負に設定することで同様に動作をする。これから本構成によれば正負の出力
が可能な双方向電源で、適正な電流制限機能をもつことが実現できる。
【００２１】
つぎに本考案での構成の中にある、図７コンパレータの構成実施例を示す。
SW1を以下のように設定することで前述の構成中のコンパレータと同等の機能
を持たせることが可能。SW1は出力電圧が正の場合、
スイッチSW1をCMP1側に接続SW1は出力電圧が負の場合、
スイッチSW1をCMP2側に接続
なおCMP1及びCMP2は、
「+」側入力の電圧レベル>「-」側入力の電圧レベル  の場合、出力論理=L
「+」側入力の電圧レベル<「-」側入力の電圧レベル  の場合、出力論理=H
となる。
V4>VS        COMP1=H
COMP2=L
V4<VS        COMP1=L
COMP2=H
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明によれば、以下の効果が期待できる。
・    高価なA-Dコンバータを用いることなくまた、CPU等の常時監視処理を介さな
いでハードウェアにて電流制限が可能。
・    電流制限のための帰還ループをもつ双方向の電源をひとつの電源で
供給が可能。
・    前述の説明では、電流制限回路としての動作を説明しているが、
下図のような構成に切り替えることで、CONT1によりSWのON/OFFでVD設定
による定電圧源、VL設定による定電流源としての２つの動作をさせることが
可能。
SWがONの時は定電流源、SWがOFFの時は定電圧源として動作する。
本発明によれば、以下の効果が期待できる。
・    高価なA-Dコンバータを用いることなくまた、CPU等の常時監視処理を介さな
いでハードウェアにて電流制限が可能。
・    電流制限のための帰還ループをもつ双方向の電源をひとつの電源で
供給が可能。
・    前述の説明では、電流制限回路としての動作を説明しているが、
下図のような構成に切り替えることで、CONT1によりSWのON/OFFでVD設定
による定電圧源、VL設定による定電流源としての２つの動作をさせることが
可能。
SWがONの時は定電流源、SWがOFFの時は定電圧源として動作する。
本発明によれば、以下の効果が期待できる。
・    高価なA-Dコンバータを用いることなくまた、CPU等の常時監視処理を介さな
いでハードウェアにて電流制限が可能。
・    電流制限のための帰還ループをもつ双方向の電源をひとつの電源で
供給が可能。
・    前述の説明では、電流制限回路としての動作を説明しているが、
下図のような構成に切り替えることで、CONT1によりSWのON/OFFでVD設定
による定電圧源、VL設定による定電流源としての２つの動作をさせることが
可能。
SWがONの時は定電流源、SWがOFFの時は定電圧源として動作する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】双方向電源構成図
【図２】従来図
【図３】双方向電源状態１図
【図４】双方向電源状態２図
【図５】双方向電源状態３図
【図６】双方向電源状態４図
【図７】コンパレータ構成図
【図８】電圧源・電流源構成図
【符号の説明】
【００２４】
図１，３，４，５，６
設定電圧  ＶＤ      出力設定電圧
ＶＬ      電流リミット設定電圧
回路外部  ＶＲＬ    出力電圧（負荷電圧）
ＩＲＬ    負荷電流
ＲＬ      負荷抵抗
回路内部  ＶＩ        ＡＭＰ入力電圧
ＶＲＳ    電流検出電圧
ＶＯ      ＡＭＰ出力電圧
Ｖ１      電流検出電圧
Ｖ２      電流リミット電圧と電流検出電圧との差電圧
Ｖ３      出力設定電圧とＡＭＰ入力電圧との差電圧
Ｖ４      定電圧、定電流切り替判別電圧
ＶＳ      スレッショルド設定電圧
ＣＯＮＴ  ＳＷ制御信号
ＲＳ      電流検出抵抗
ＡＭＰ    演算増幅器
ＣＭＰ    コンパレータ
ＳＷ      ループスイッチ
Ａ１        演算器１
Ａ２        演算器２
Ａ３        演算器３
Ａ４        演算器４
Ｂ１        加算器
図２
ＰＳ１      正電圧源
ＰＳ２      負電圧源
ＳＷ        出力切替スイッチ
ＲＳ        電流検出抵抗
Ａ１        減算器
ＡＤＣ      ＡＤコンバータ
ＣＰＵ      制御器
ＲＬ        負荷抵抗
【図１】
2005293423.tif 000003
【図２】
2005293423.tif 000004
【図３】
2005293423.tif 000005
【図４】
2005293423.tif 000006
【図５】
2005293423.tif 000007
【図６】
2005293423.tif 000008
【図７】
2005293423.tif 000009
【図８】
2005293423.tif 000010