JP4894069B2 - 直流モジュール装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣテスタにおけるパラメトリック測定ユニットの測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置に関するものである。

一般に流通しているワンチップのパラメトリック測定ユニット（Parametric Measurement Unit; ＰＭＵ。高精度直流モジュールとも呼ばれる）を用いて、ＰＭＵ単体の出力電流範囲以上の電流を出力・測定させたい場合、例えば、非特許文献１、第１８頁、図５に示すように、ＰＭＵ内部アンプ出力を大電流出力可能な外部アンプに入力することによって、電流の出力・測定範囲を拡大することが可能である。

ただし、上述のような従来の方式では、外部アンプにより出力電流・測定電流の範囲は拡大可能なものの、出力電圧・測定電圧の範囲を拡大することはできない。

そこで、ワンチップＰＭＵを用いて出力電圧範囲を拡大する場合、従来、次の２つの方法が考えられている。第１の方法は、電源を出力に追従しフローティングにすることである。第２の方法は、元々出力電圧範囲の広いＰＭＵを使用することである。
"デュアル、ピン単位のパラメータ測定ユニット"、[online]、平成１５年、マキシム・ジャパン株式会社、[平成１８年１１月６日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://datasheets.maxim-ic.com/jp/ds/MAX9951-MAX9952_jp.pdf＞

しかし、第１の方法の場合、フローティング電源をＰＭＵ毎に用意する必要があり、コスト、実装の面で非常に不利である。また、多チャネルを含むＰＭＵの場合、「隣接チャネル間出力電圧差は、一定の値以下」という制限が課せられることとなる。なぜなら、電源は１つのパッケージにおいて共通であるから、同一チップ内の隣接するチャネル間の出力に高低差をつけたくても、隣接するピン（奇数・偶数ピン）には、同程度の範囲の電圧しか出力できないからである。

一方、第２の方法の場合、所望の出力電圧範囲品が存在しなければ、カスタマイズされた特注品となる可能性があり、開発時間、費用、単価などで不利となる。

本発明はこのような課題に鑑み、既存のワンチップＰＭＵの便利さを保持したまま、出力電流・測定電流の範囲だけでなく、出力電圧・測定電圧の範囲も拡大する直流モジュール装置を提供することを目的とする。

本発明による直流モジュール装置は、上述の課題を解決するために、被試験デバイスへの入力信号が流れる内部抵抗と、その内部抵抗の両端の電位差から電流の値を検出可能な内部差動アンプと、被試験デバイスから到来する出力信号の電圧を受信する電圧受信部とを有するパラメトリック測定ユニットの測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置において、本装置はさらに、入力信号の電圧を増幅する外部アンプと、増幅された入力信号が流れる電流センス抵抗と、電流センス抵抗の両端の電位差をグラウンド基準の電位差に変換する外部差動アンプと、内部抵抗を流れる入力信号が被試験デバイスに入力される場合には、内部抵抗の両端の電位差を選択して内部差動アンプに与え、電流センス抵抗を流れる増幅された入力信号が被試験デバイスに入力される場合には、グラウンド基準の電位差を選択して内部差動アンプに与える第１のスイッチと、被試験デバイスからの出力信号の電圧を増幅して電圧受信部に与える電圧センスアンプと、第１のスイッチが内部抵抗の両端の電位差を選択する場合には電圧センスアンプのゲインを１とし、第１のスイッチがグラウンド基準の電位差を選択する場合には電圧センスアンプのゲインを（１／外部アンプのゲイン）とする第２のスイッチとを有することを特徴とする。

上記の外部アンプは、入力信号の電流をも増幅可能である。

本発明による直流モジュール装置は、さらに、上述の電流センス抵抗に並列に接続され、電流センス抵抗と排他的に選択されて増幅された入力信号が流れる追加電流センス抵抗と、電流センス抵抗または追加電流センス抵抗のうち、排他的に選択されたいずれかの両端の電位差を外部差動アンプに与える第３のスイッチとを含んでよい。これにより、高電圧印加時に、ダイナミックレンジの広い電流印加、測定を行うことも可能となる。

本発明によれば、既存のＰＭＵに、各種外部回路を追加することにより、ワンチップＰＭＵの便利さを保持したまま、出力電流・測定電流の範囲だけでなく、出力電圧・測定電圧の範囲も拡大することが可能となる。

次に添付図面を参照して本発明による直流モジュール装置の実施形態を詳細に説明する。図中、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。また、同様の要素は同一の参照符号によって表示する。

（本発明の第１の実施形態）
図１は、本発明による直流モジュール装置の第１の実施形態を示す回路図である。直流モジュール装置１０は、例えば、被試験デバイス（Device Under Test; ＤＵＴ）１２の電気的試験を行うＩＣテスタのテストヘッドに搭載されるピンエレクトロニクス（中継ボード）に含まれている。直流モジュール装置１０は、定格電流レンジで被試験デバイス１２に入力信号を与えて試験を行う場合に用いられるパラメトリック測定ユニット１４と、定格電流レンジより大きい電流レンジで被試験デバイス１２に入力信号を与えて試験を行う場合にパラメトリック測定ユニット１４に加えて用いられる、各種追加回路１６、１８、２０とで構成されている。

パラメトリック測定ユニット１４は、入力信号を増幅する内部アンプ２２と、増幅された入力信号が流れる内部抵抗２４と、抵抗の両端の電位差から電流の値を検出する内部差動アンプ２６と、被試験デバイス１２から到来する出力信号の電圧を受信する電圧受信部としての、スイッチＳＷ２および測定用出力アンプ２８とを含む。

既に述べたように、定格電流レンジで被試験デバイス１２に入力信号を与えて試験を行う場合には、上記のパラメトリック測定ユニット１４が用いられる。このとき、パラメトリック測定ユニット１４からの出力信号を被試験デバイス１２に与えるためのスイッチＳＷ４をオンとし、追加回路１６、１８からの出力信号を被試験デバイス１２に与えるためのスイッチＳＷ５はオフとする。

一方、定格電流レンジより大きい電流レンジで被試験デバイス１２に入力信号を与えて試験を行う場合には、追加回路１６、１８を用いるため、スイッチＳＷ４をオフとし、スイッチＳＷ５をオンとする。追加回路１６は、外部アンプ３０を含む。本発明の特徴は、この外部アンプ３０が、図１に示すように、入力信号の電流だけでなく、電圧をも増幅可能な構成となっていることである。外部アンプ３０によって増幅された電圧を有する入力信号は、後続の追加回路１８に含まれる電流センス抵抗Ｒ１を流れる。

追加回路１８は、電流センス抵抗Ｒ１の両端の電位差をＧＮＤ基準の電位差に変換する外部差動アンプ３２を含む。外部差動アンプ３２が必要な理由は、外部アンプ３０の出力電圧が、パラメトリック測定ユニット１４の電源電圧Ｖｃｃを上回る可能性があり、電流センス抵抗Ｒ１の両端の電位をそのままパラメトリック測定ユニット１４へ入力することができず、外部と内部とでコモン電位を変換する必要があるためである。例えば内部アンプ２２の出力電圧を５Ｖとし、電源電圧Ｖｃｃ＝８Ｖとし、外部アンプ３０のゲインを２倍とする。すると、外部アンプ３０の出力電圧は１０Ｖとなる。その場合、仮に外部差動アンプ３２がなければ、パラメトリック測定ユニット１４には、電流センス抵抗Ｒ１の両端に印加される、１０Ｖを基準とする電圧が入力されることとなる。しかし、１０Ｖはパラメトリック測定ユニット１４の電源電圧８Ｖを上回っているため、かかる電圧が入力されると、パラメトリック測定ユニット１４は破壊されるおそれがある。かかる理由から、電流センス抵抗Ｒ１の両端の電位差を、ＧＮＤ基準の電位差に変換する外部差動アンプ３２を設けている。

パラメトリック測定ユニット１４はさらに、第１のスイッチＳＷ３を含む。第１のスイッチＳＷ３は、内部抵抗２４を流れる入力信号が被試験デバイス１２に入力される場合、すなわちスイッチＳＷ４がオンでスイッチＳＷ５がオフの場合には、内部抵抗２４の両端の電位差を選択して内部差動アンプ２６に与える。つまり図１においてスイッチＳＷ３はいずれも右側の端子に接触する。一方、外部の、電流センス抵抗Ｒ１を流れる増幅された電圧を有する入力信号が被試験デバイス１２に入力される場合、すなわちスイッチＳＷ４がオフでスイッチＳＷ５がオンの場合には、外部差動アンプ３２から得られるＧＮＤ基準の電位差を選択して内部差動アンプ２６に与える。つまりスイッチＳＷ３はいずれも左側の端子に接触する。そして、スイッチＳＷ１が上側の端子に接触することによって小さい電流レンジ・大きい電流レンジのいずれかの電流出力が得られる。また、スイッチＳＷ２が上側の端子に接触することによって、小さい電流レンジ・大きい電流レンジのいずれかの電流を測定できる。

図１のパラメトリック測定ユニット１４の測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置１０は、さらに、追加回路２０を有し、追加回路２０には、被試験デバイス１２からの出力信号の電圧を増幅して、下側の端子に接続された状態のスイッチＳＷ２を経て測定用出力アンプ２８に与える電圧センスアンプ３４が含まれている。また、スイッチＳＷ１が下側の端子に接続されている場合は、電圧センスアンプ３４にてセンシングされる出力電圧は、内部アンプ２２へフィードバックされる。

追加回路２０には、さらに、第２のスイッチＳＷ６が含まれている。このスイッチＳＷ６は、第１のスイッチＳＷ３が右側の端子に接触して内部抵抗２４の両端の電位差を選択する場合には、下側の端子に接触し、電圧センスアンプ３４のゲインを１とする。このとき、スイッチＳＷ４がオンであり、スイッチＳＷ５がオフであることは言うまでもない。一方、スイッチＳＷ６は、第１のスイッチＳＷ３が左側の端子に接触してＧＮＤ基準の電位差を選択する場合には、上側の端子に接触し、抵抗Ｒ２によって分圧を行うことによって、電圧センスアンプ３４のゲインを（１／外部アンプ３０のゲイン）とする。このとき、スイッチＳＷ４がオフであり、スイッチＳＷ５がオンであることは言うまでもない。

このように電圧センスアンプ３４が、第２のスイッチＳＷ６にてゲイン切替可能な構成を採用している理由は、外部差動アンプ３２を設けた理由と同様である。すなわち、電圧センスアンプ３４の出力電圧がパラメトリック測定ユニット１４の電源電圧Ｖｃｃを上回る可能性があり、出力電圧をそのままパラメトリック測定ユニット１４へ入力すると破損のおそれがあるためである。

例えば外部アンプ３０の出力電圧を１０Ｖとし、パラメトリック測定ユニット１４の電源電圧Ｖｃｃ＝８Ｖとし、外部アンプ３０のゲインを２倍とし、電流センス抵抗Ｒ１に電流が流れていないとする。このとき、仮に追加回路２０が存在しなければ、外部アンプ３０の出力電圧１０Ｖがそのままパラメトリック測定ユニット１４に入力されてしまい、電源電圧８Ｖを上回るため、パラメトリック測定ユニット１４が破壊される可能性がある。そこで、上述のように、電圧センスアンプ３４のゲインを１／２とし、出力電圧を５Ｖとして電源電圧８Ｖより下げ、パラメトリック測定ユニット１４の破壊を防止する。

以上のように、追加回路１６、１８、２０を有する本発明の第１の実施形態によれば、入力信号の電流だけでなく、電圧の出力範囲・測定範囲も増幅可能な、パラメトリック測定ユニット１４の測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置１０が得られる。

図３は、図１および後述の図２に示す、本発明の第１および第２の実施形態に対する比較例としての、パラメトリック測定ユニットに外部回路を追加した装置を例示する回路図である。装置４０が有する追加回路４２には、電流の増幅のみ可能な外部アンプ４４が含まれている。しかし、仮に、外部アンプ４４を、電圧の増幅も可能な、図１に示す外部アンプ３０と同様のものに置換したとしても、図３に示す装置４０には、図１の外部差動アンプ３２に相当するものがないため、パラメトリック測定ユニット１４には、電流センス抵抗Ｒ１の両端に印加される、増幅され電位の絶対値が高くなった電圧がそのまま入力されることとなる。かかる絶対値の高い電位は、パラメトリック測定ユニット１４の電源電圧を上回り、パラメトリック測定ユニット１４の破壊を招くため、図３のような構成では、入力信号の電圧の増幅はできない。

（本発明の第２の実施形態）
図２は、本発明による直流モジュール装置の第２の実施形態を示す回路図である。図２については、以下、図１と異なる点についてのみ説明し、その他の説明は省略する。図２に示すパラメトリック測定ユニット１４の測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置５０は、図１の構成に、追加回路５２を追加したものである。追加回路５２には、電流センス抵抗Ｒ１に並列に接続された追加電流センス抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒ３の出力を被試験デバイス１２へ対してオン／オフ切替するスイッチＳＷ７と、電流センス抵抗Ｒ１または追加電流センス抵抗Ｒ３のいずれかの両端の電位差を外部差動アンプ３２に与える第３のスイッチＳＷ８とが含まれている。

図１では、電圧範囲の拡大時、すなわち外部アンプ３０から出力される信号を被試験デバイス１２に与える場合に、単一の電流レンジを有することとなるが、図２のようにスイッチＳＷ７、ＳＷ８と追加電流センス抵抗Ｒ３とを追加することにより、電圧範囲を拡大したまま、複数の電流レンジを設けることもできる。したがって、高電圧印加時に、ダイナミックレンジの広い電流印加、測定を行うことも可能となる。

元々備えられていた電流センス抵抗Ｒ１と、新たに設けられた追加電流センス抵抗Ｒ３とは、例えば、印加される電圧が等しくなるように設計してよい。例えば、電流センス抵抗Ｒ１に１ｍＡの電流が流れ、追加電流センス抵抗Ｒ３に１０ｍＡの電流が流れるとする。このとき、電流センス抵抗Ｒ１に１Ｖの電圧が発生するとすると、追加電流センス抵抗Ｒ３にも１Ｖの電圧が発生するように、各抵抗Ｒ１、Ｒ３の値は設定される。すなわち、Ｒ３＝Ｒ１／１０とする（抵抗の値も参照符号で示している）。

そして、電流センス抵抗Ｒ１を用いる場合には、スイッチＳＷ７：オン、スイッチＳＷ８：右側端子、スイッチＳＷ５：オフとして、１ｍＡの電流のダイナミックレンジを確保する。一方、追加電流センス抵抗Ｒ３を用いる場合には、スイッチＳＷ７：オフ、スイッチＳＷ８：左側端子、スイッチＳＷ５：オンとして、１０ｍＡの電流のダイナミックレンジを確保する。このように、電流センス抵抗Ｒ１と追加電流センス抵抗Ｒ３とは、排他的に選択され、排他的に選択されたいずれかに、増幅された電圧を有する入力信号が流れる。

追加電流センス抵抗Ｒ３を用いる場合の１０ｍＡのダイナミックレンジは、電流センス抵抗Ｒ１を用いる場合の１ｍＡのダイナミックレンジを包含するため、比較的大きな電流を出力・測定する場合には適している。しかし、ダイナミックレンジ１ｍＡより１０ｍＡの方が、分解能が粗くなる。通常、入力信号は、Ｄ／Ａ（Digital-Analogue）コンバータから与えられるため、１６ビットのＤ／Ａコンバータを用いるとすると、ダイナミックレンジが１ｍＡの場合、（１ｍＡ／２^１６）の分解能が得られる。しかし、ダイナミックレンジが１０ｍＡの場合、分解能は、（１０ｍＡ／２^１６）となり、分解能が粗くなってしまう。かかる場合には、ダイナミックレンジ１ｍＡの電流センス抵抗Ｒ１を用いる方がよい。このように、本実施形態によれば、入力信号の電流範囲に応じて、ダイナミックレンジを切り替えることができ、言い換えれば分解能を切り替えることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ＩＣテスタにおけるパラメトリック測定ユニットの測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置に適用可能である。

本発明による直流モジュール装置の第１の実施形態を示す回路図である。 本発明による直流モジュール装置の第２の実施形態を示す回路図である。 図１および図２に示す実施形態に対する比較例としての直流モジュール装置を示す回路図である。

符号の説明

１０、５０ 直流モジュール装置
１２ 被試験デバイス
１４ パラメトリック測定ユニット
１６、１８、２０、５２ 追加回路
２２ 内部アンプ
２４ 内部抵抗
２６ 内部差動アンプ
３０ 外部アンプ
３２ 外部差動アンプ
Ｒ１ 電流センス抵抗
Ｒ３ 追加電流センス抵抗

Claims (3)

1. 被試験デバイスへの入力信号が流れる内部抵抗と、該内部抵抗の両端の電位差から電流の値を検出可能な内部差動アンプと、被試験デバイスから到来する出力信号の電圧を受信する電圧受信部とを有するパラメトリック測定ユニットの測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置において、該装置はさらに、
   前記入力信号の電圧を増幅する外部アンプと、
   該増幅された入力信号が流れる電流センス抵抗と、
   該電流センス抵抗の両端の電位差をグラウンド基準の電位差に変換する外部差動アンプと、
   前記内部抵抗を流れる入力信号が被試験デバイスに入力される場合には、前記内部抵抗の両端の電位差を選択して前記内部差動アンプに与え、前記電流センス抵抗を流れる前記増幅された入力信号が被試験デバイスに入力される場合には、前記グラウンド基準の電位差を選択して前記内部差動アンプに与える第１のスイッチと、
   前記被試験デバイスからの出力信号の電圧を増幅して前記電圧受信部に与える電圧センスアンプと、
   第１のスイッチが前記内部抵抗の両端の電位差を選択する場合には前記電圧センスアンプのゲインを１とし、第１のスイッチが前記グラウンド基準の電位差を選択する場合には前記電圧センスアンプのゲインを（１／前記外部アンプのゲイン）とする第２のスイッチとを有することを特徴とする、直流モジュール装置。
2. 前記外部アンプは、前記入力信号の電流をも増幅することを特徴とする、請求項１に記載のパラメトリック測定ユニットの測定・出力範囲を拡大する直流モジュール装置。
3. 前記電流センス抵抗に並列に接続され、該電流センス抵抗と排他的に選択されて前記増幅された入力信号が流れる追加電流センス抵抗と、
   前記電流センス抵抗または追加電流センス抵抗のうち、前記排他的に選択されたいずれかの両端の電位差を前記外部差動アンプに与える第３のスイッチとをさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の直流モジュール装置。

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