(57)【要約】【課題】波形観測用増幅器において、簡素な構成で、高速の波形を高精度に観測すること。【解決手段】被観測信号Ｓ１と比較電圧との差分を増幅して出力する差動増幅器１１、差動増幅器１１にバイアス電流を供給するバイアス回路１３、バイアス回路１３と差動増幅器１１との間の電流経路を開閉するスイッチング素子１４、および被観測信号Ｓ１の立ち上がり開始から立ち下がり開始までの期間のうち、立ち上がり初期の過渡期を除いた期間だけ差動増幅器１１にバイアス回路１３からバイアス電流が供給されるように、スイッチング素子１４の開閉を制御するタイミング調整回路１５を備える。観測したい微小信号以外の期間では差動増幅器１１にバイアス電流を流さないことにより、熱応答などの誤差成分を小さくし、波形観測を高精度化する。被測定信号Ｓ１を差動増幅器１１に直接入力させることにより、入力容量を小さくして高速化する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の入力端子に入力された被観測信号と第２の入力端子に入力された電圧との差分を増幅して出力する差動増幅器と、
前記差動増幅器にバイアス電流を供給するバイアス回路と、
前記バイアス回路と前記差動増幅器との間の電流経路を開閉するスイッチング素子と、
前記被観測信号の立ち上がり開始から立ち下がり開始までの期間のうち、立ち上がり初期を除いた期間だけ前記差動増幅器に前記バイアス回路からバイアス電流が供給されるように、前記スイッチング素子の開閉を制御するタイミング調整回路と、
を備えることを特徴とする波形観測用増幅器。
【請求項２】
前記第２の入力端子に、前記差動増幅器の出力に基づく電圧が入力されることを特徴とする請求項１に記載の波形観測用増幅器。
【請求項３】
前記スイッチング素子が閉状態のときの前記差動増幅器の出力に基づく電圧と接地電位との差分を反転増幅して、前記スイッチング素子が開状態のときに出力する第２の差動増幅器と、
前記第２の差動増幅器の出力を前記差動増幅器の出力に加算する加算器と、
をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の波形観測用増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｄ／Ａ（デジタル／アナログ）コンバータや増幅器のステップ応答性能を高精度に観測する波形観測用増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周期的に変化する被観測信号の波形観測用増幅器として、図４または図５に示すように、被観測信号の増幅器１への信号入力経路にスイッチ２，３を設けたものが公知である（たとえば、特許文献１参照）。これらの波形観測用増幅器では、被観測信号の立ち上がり開始から立ち下がり開始までの期間のうちの立ち上がりの過渡期を除いた期間だけスイッチ２が閉じて、被観測信号が増幅器１に入力する。それ以外の期間では、スイッチ２が開き、スイッチ３が閉じて、増幅器１の２つの入力端子（図４および図５では１つにまとめられている）が短絡した状態となり、不要な電圧が増幅器１に入力されるのを防いでいる。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６１−２２２６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の波形観測用増幅器では、その入力容量として増幅器の容量だけでなく、スイッチの容量も加算されるため、入力容量が大きくなり、高速化の妨げとなるという問題点がある。また、。従来の波形観測用増幅器では、増幅段数が多いため、構成が複雑となり、広帯域化を図ることが難しいという問題点もある。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、簡素な構成で、高速の波形を高精度に観測することができる波形観測用増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる波形観測用増幅器は、第１の入力端子に入力された被観測信号と第２の入力端子に入力された電圧との差分を増幅して出力する差動増幅器と、前記差動増幅器にバイアス電流を供給するバイアス回路と、前記バイアス回路と前記差動増幅器との間の電流経路を開閉するスイッチング素子と、前記被観測信号の立ち上がり開始から立ち下がり開始までの期間のうち、立ち上がり初期を除いた期間だけ前記差動増幅器に前記バイアス回路からバイアス電流が供給されるように、前記スイッチング素子の開閉を制御するタイミング調整回路と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この請求項１の発明によれば、被観測信号の立ち上がり開始から立ち下がり開始までの期間のうち、立ち上がり初期を除いた期間だけ差動増幅器にバイアス電流が流れ、それ以外の期間では差動増幅器にバイアス電流が流れない。したがって、観測したい微小信号以外の期間では、差動増幅器の入力信号が供給される部分のバイアス電流がゼロになるので、入力信号の影響による熱応答などの誤差成分が小さくなり、波形観測の高精度化を図ることができる。
【０００８】
また、被測定信号が差動増幅器に直接入力されていることにより、入力容量が差動増幅器の容量だけで済むので、入力容量が従来よりも小さくなり、高速化を図ることができる。さらに、差動増幅器がスイッチング機能を有する、換言すればスイッチングする部分でゲインをもたせることができるので、増幅段数の少ない簡素な構成となり、広帯域化を図ることができる。また、差動形式の回路部分がスイッチングするので、スイッチング時のノイズが打ち消されて小さくなり、スイッチングの高速化を図ることができる。
【０００９】
また、請求項２の発明にかかる波形観測用増幅器は、請求項１に記載の発明において、前記第２の入力端子に、前記差動増幅器の出力に基づく電圧が入力されることを特徴とする。
【００１０】
この請求項２の発明によれば、差動増幅器に、被観測信号と比較される電圧が自動的に調整されて入力されるので、この電圧を発生させる回路や、その電圧レベルを調整する回路等が不要となり、構成の簡素化を図ることができる。
【００１１】
また、請求項３の発明にかかる波形観測用増幅器は、請求項２に記載の発明において、前記スイッチング素子が閉状態のときの前記差動増幅器の出力に基づく電圧と接地電位との差分を反転増幅して、前記スイッチング素子が開状態のときに出力する第２の差動増幅器と、前記第２の差動増幅器の出力を前記差動増幅器の出力に加算する加算器と、をさらに有することを特徴とする。
【００１２】
この請求項３の発明によれば、２つの差動増幅器の出力が加算されてそれら差動増幅器の後段の増幅器に供給されるので、後段の増幅器に入力される信号の変化が必要最小限となり、高速応答化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる波形観測用増幅器によれば、入力信号の影響による熱応答などの誤差成分が小さいので、波形観測の高精度化を図ることができるという効果を奏する。また、入力容量が小さく、スイッチング時のノイズも小さいので、高速化を図ることができるという効果を奏する。また、構成が簡素になり、広帯域化を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる波形観測用増幅器の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態において同様の構成要素には同一の符を付し、重複する説明を省略する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、実施の形態１の波形観測用増幅器は、差動増幅器１１、増幅器１２、バイアス回路１３、スイッチング素子１４、タイミング調整回路１５および電源１６を有する。被観測信号Ｓ１は、差動増幅器１１の非反転入力端子に入力される。差動増幅器１１は、反転入力端子に入力された電源１６の出力電圧と、非反転入力端子に入力された被観測信号との差分を増幅した信号Ｓ２を増幅器１２に出力する。増幅器１２は、差動増幅器１１の出力信号Ｓ２を増幅した信号Ｓ３を出力する。図１の右上に、出力信号Ｓ３の概略波形を示す。
【００１６】
バイアス回路１３は、差動増幅器１１にバイアス電流を供給する。スイッチング素子１４は、バイアス回路１３と差動増幅器１１との間に設けられている。スイッチング素子１４は、タイミング調整回路１５から出力される制御信号Ｓ４に基づいて、バイアス回路１３と差動増幅器１１との間の電流経路の導通／遮断を切り替える。タイミング調整回路１５は、被観測信号Ｓ１に同期したトリガー信号Ｓ５の入力に基づいて、所定の期間だけスイッチング素子１４がオン状態となり、それによってバイアス回路１３と差動増幅器１１との間の電流経路が導通状態となるように、スイッチング素子１４に制御信号Ｓ４を出力する。
【００１７】
ここで、所定の期間とは、たとえば被観測信号Ｓ１の立ち上がり開始から立ち下がり開始までの期間のうち、立ち上がり開始の過渡期を除いた期間である。すなわち、図１の左上に示す被観測信号Ｓ１の概略波形のうち点線で囲む波形部分の期間である。また、この点線で囲む波形部分に対して矢印が指示するタイミングでスイッチング素子１４がオフ状態からオン状態に切り替わる。なお、タイミング調整回路１５は、その矢印で指示したタイミング、すなわち被観測信号Ｓ１の立ち上がり開始からスイッチング素子１４をオン状態に切り替えるタイミングまでの期間を任意に調整することができる。電源１６は、直流電圧を発生し、その出力電圧レベルの調整が可能な電源である。
【００１８】
上述した構成の波形観測用増幅器では、前記所定の期間だけスイッチング素子１４がオン状態となり、差動増幅器１１にバイアス電流が流れる。この状態のときには、差動増幅器１１から、被観測信号Ｓ１と比較電圧との差分に基づいた出力信号Ｓ２が出力される。その出力信号Ｓ２は増幅器１２で増幅されて出力されるので、増幅器１２の出力信号Ｓ３を観測することにより、ステップ応答性能を観測することができる。
【００１９】
実施の形態１によれば、前記所定の期間を除く期間では差動増幅器１１にバイアス電流が流れないので、熱応答などの誤差成分が小さくなり、波形観測の高精度化を図ることができる。また、被観測信号Ｓ１が差動増幅器１１に直接入力されていることによって、入力容量が差動増幅器１１の容量だけで済むので、入力容量が従来よりも小さくなり、高速化を図ることができる。さらに、差動増幅器１１がバイアス電流のオン／オフによるスイッチング機能を有するため、スイッチングする部分でゲインをもたせることができるので、増幅段数の少ない簡素な構成となり、広帯域化を図ることができる。また、スイッチング時のノイズが打ち消されて小さくなるので、スイッチングの高速化を図ることができる。
【００２０】
本発明者がおこなった実験によれば、波形の速度が約２５ｎｓの波形を観測することができた。それに対して、図４または図５に示す従来構成では、被観測信号の増幅器への信号入力経路に設けたスイッチを電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）で構成した場合に観測可能な波形の速度は約４０ｎｓであった。
【００２１】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。図２に示すように、実施の形態２は、実施の形態１の電源１６から差動増幅器１１に比較電圧を供給する代わりに、差動増幅器１１の反転入力端子に、スイッチング素子２１および帰還回路２２を介して、増幅器１２の出力信号Ｓ３の直流成分をフィードバックさせる構成となっている。スイッチング素子２１は、被観測信号Ｓ１に同期してオン／オフする。帰還回路２２は、増幅器１２の出力信号Ｓ３から直流成分を抽出する。
【００２２】
実施の形態２によれば、差動増幅器１１に、被観測信号Ｓ１と比較される電圧が自動的に調整されて入力されるので、実施の形態１のように被観測信号Ｓ１と比較される電圧をそのレベルを調整して発生させる電源１６等の回路が不要となる。したがって、波形観測用増幅器の構成を簡素化することができるので、コストの低減を図ることができる。
【００２３】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。図３に示すように、実施の形態３は、実施の形態２に第２の差動増幅器３１と、増幅器１２の出力信号Ｓ３の平均値を第２の差動増幅器３１の反転入力端子に入力させる第２の帰還回路３２と、差動増幅器１１（第２の差動増幅器３１と区別するため、第１の差動増幅器１１とする）の出力信号Ｓ２と第２の差動増幅器３１の出力信号Ｓ６を加算する加算器３３を追加した構成となっている。
【００２４】
第２の差動増幅器３１の非反転入力端子は接地されている。また、第１の差動増幅器１１へのバイアス電流の供給をオン／オフするスイッチング素子１４は、第１の差動増幅器１１へのバイアス電流の供給がオン状態のときに第２の差動増幅器３１へのバイアス電流の供給がオフ状態となり、第１の差動増幅器１１へのバイアス電流の供給がオフ状態のときに第２の差動増幅器３１へのバイアス電流の供給がオン状態となるように切り替わる。つまり、バイアス電流は、第１の差動増幅器１１と第２の差動増幅器３１とに交互に供給される。
【００２５】
実施の形態３によれば、第１の差動増幅器１１の出力信号Ｓ２と第２の差動増幅器３１の出力信号Ｓ６とが加算されて増幅器１２に供給されるので、差動増幅器１１の出力信号Ｓ２から増幅器１２の出力信号Ｓ３の平均値が減算されて増幅器１２に供給されることになる。したがって、増幅器１２に入力される信号の変化が必要最小限となり、高速応答化を図ることができる。
【００２６】
以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
以上のように、本発明にかかる波形観測用増幅器は、Ｄ／Ａコンバータや増幅器のステップ応答性能を観測する装置に有用であり、特に、半導体集積回路を製造するための電子ビーム露光装置に内蔵されているＤ／Ａコンバータや増幅器のステップ応答性能を高精度に観測する検査治具に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態２の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態３の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。
【図４】従来の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。
【図５】従来の波形観測用増幅器を模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２９】
Ｓ１  被観測信号
１１  差動増幅器
１３  バイアス回路
１４  スイッチング素子
１５  タイミング調整回路
３１  第２の差動増幅器
３３  加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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