JP7304247B2 - Voltage measuring devices and devices with sensors - Google Patents
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Description
特許法第30条第2項適用 令和1年9月4日に開催された3rd International Test Conference in Asia, Tokyoにて発表 [刊行物等] 令和1年7月23日に開催された3rd International Test Conference in India, Bangalore, Indiaにて発表 [刊行物等] 令和1年8月21日に開催された5th Taiwan and Japan Conference on Circuits and Systems (TJCAS 2019 at Nikko)にて発表 [刊行物等] 平成31年1月26日に開催された第71回システムLSI合同ゼミにて発表 [刊行物等] 平成30年12月20日に開催された一般社団法人電気学会 電子回路研究会 アナログ電子回路の設計技術および電子回路一般にて発表Application of
本発明は、微小な電圧を測定する電圧測定装置に関する。 The present invention relates to a voltage measuring device for measuring minute voltage.
半導体デバイスの性能試験のために、微小な直流(DC)電圧を、高精度に測定したい場合がある。たとえば従来、オペアンプの諸特性(たとえばDCオフセット電圧など)を測定するために、Null法を用いたデジタル電圧計が用いられていた。 In order to test the performance of semiconductor devices, there are cases where it is desired to measure minute direct current (DC) voltages with high accuracy. For example, conventionally, a digital voltmeter using the Null method has been used to measure various characteristics of operational amplifiers (for example, DC offset voltage).
ところが、Null法を用いた電圧計では、増幅段において混入するシステムノイズ、1/fノイズ、熱起電力(EMF:Electromotive force)の影響が無視できなくなり、μVオーダーの電圧を正確に測定することが難しくなる。 However, with a voltmeter using the Null method, the effects of system noise, 1/f noise, and electromotive force (EMF) mixed in the amplification stage cannot be ignored, making it impossible to accurately measure voltages on the order of μV. becomes difficult.
また、半導体試験では、1チップあたり1秒程度、あるいはそれより短い時間で検査することが求められ、また複数の半導体チップを同時に測定することが求められる。 In addition, in semiconductor testing, it is required to test each chip in about one second or less, and to simultaneously measure a plurality of semiconductor chips.
本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、μVオーダーの電圧を高精度に測定可能な電圧測定装置の提供にある。 The present invention has been made in such a situation, and one exemplary object of some aspects thereof is to provide a voltage measuring device capable of measuring a voltage on the order of μV with high accuracy.
本発明のある態様は、電圧測定装置に関する。電圧測定装置は、直流の入力電圧を受ける入力端子と、入力電圧を、入力電圧に応じた振幅と所定の周波数を有する交流電圧に変換する直流/交流変換器と、交流電圧を増幅するアンプと、増幅後の交流電圧に含まれる所定の周波数の成分にもとづいて入力電圧の電圧レベルを検出する検出部と、を備える。 One aspect of the present invention relates to a voltage measurement device. A voltage measuring device includes an input terminal for receiving a DC input voltage, a DC/AC converter for converting the input voltage into an AC voltage having an amplitude and a predetermined frequency corresponding to the input voltage, and an amplifier for amplifying the AC voltage. and a detector for detecting the voltage level of the input voltage based on a predetermined frequency component contained in the amplified AC voltage.
なお、以上の構成要素を任意に組み合わせたもの、あるいは本発明の表現を、方法、装置などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Arbitrary combinations of the above constituent elements, or conversions of expressions of the present invention between methods, devices, etc. are also effective as aspects of the present invention.
本発明のある態様によれば、μVオーダーの電圧を高精度に測定できる。 According to one aspect of the present invention, a voltage on the order of μV can be measured with high accuracy.
(実施の形態の概要)
本明細書に開示される一実施の形態は、電圧測定装置に関する。電圧測定装置は、直流の入力電圧を受ける入力端子と、入力電圧を、入力電圧に応じた振幅と所定の周波数を有する交流電圧に変換する直流/交流変換器と、交流電圧を増幅するアンプと、増幅後の交流電圧に含まれる所定の周波数の成分にもとづいて入力電圧の電圧レベルを検出する検出部と、を備える。
(Overview of Embodiment)
One embodiment disclosed herein relates to a voltage measurement device. A voltage measuring device includes an input terminal for receiving a DC input voltage, a DC/AC converter for converting the input voltage into an AC voltage having an amplitude and a predetermined frequency corresponding to the input voltage, and an amplifier for amplifying the AC voltage. and a detector for detecting the voltage level of the input voltage based on a predetermined frequency component contained in the amplified AC voltage.
従来の直流の入力電圧を増幅する構成では、増幅段において、信号成分に対して無視できないレベルのシステムノイズや1/fノイズが重畳されるため、増幅後の信号から、もとの入力電圧VINの電圧レベルを正確に測定することは難しい。一実施の形態では、入力電圧を既知の周波数の交流電圧に変換した後に増幅し、増幅後の交流電圧の既知の周波数成分の振幅を検出することにより、システムノイズや1/fノイズの影響を除去することができ、入力電圧を正確に測定することが可能となる。 In a conventional configuration for amplifying a DC input voltage, system noise and 1/f noise at a level that cannot be ignored are superimposed on the signal component in the amplification stage. Accurately measuring the voltage level at IN is difficult. In one embodiment, the influence of system noise and 1/f noise is eliminated by converting an input voltage into an AC voltage of a known frequency, amplifying it, and detecting the amplitude of the known frequency component of the amplified AC voltage. can be removed and the input voltage can be measured accurately.
直流/交流変換器は、入力端子と接地の間に直列に設けられる第1スイッチおよび第2スイッチと、第1スイッチと第2スイッチを、所定の周波数を有するクロックに応じて相補的にスイッチングする第1ドライバと、を含んでもよい。 The DC/AC converter complementarily switches the first switch and the second switch provided in series between the input terminal and the ground, and the first switch and the second switch according to a clock having a predetermined frequency. and a first driver.
直流/交流変換器は、アンプおよび検出部と熱的に分離されていてもよい。これにより、熱EMFの影響を低減でき、測定レンジを広げることができる。 The DC/AC converter may be thermally isolated from the amplifier and detector. As a result, the influence of thermal EMF can be reduced, and the measurement range can be widened.
「AとBを熱的に分離する」とは、AとBを異なる基板に実装すること、AとBを同一基板上の異なる領域に離間して実装すること、AとBを異なるヒートシンクに接続すること、AとBの一方を断熱材で覆うことなどを含みうる。 "Thermal isolation of A and B" means mounting A and B on different substrates, mounting A and B separately in different regions on the same substrate, and mounting A and B on different heat sinks. connecting, covering one of A and B with insulation, and the like.
電圧測定装置は、直流/交流変換器と同じ構成を有し、直流/交流変換器と同期動作するダミー回路をさらに備えてもよい。アンプは、一方の入力に交流電圧を受け、他方の入力にダミー回路の出力を受ける差動アンプを含んでもよい。ダミー回路によって、直流/交流変換器と同じスイッチングノイズを生成し、差動アンプによって交流電圧から減算することにより、スイッチングノイズの影響をキャンセルできる。 The voltage measuring device may further include a dummy circuit that has the same configuration as the DC/AC converter and operates synchronously with the DC/AC converter. The amplifier may include a differential amplifier having one input receiving an AC voltage and the other input receiving the output of the dummy circuit. The effect of switching noise can be canceled by generating the same switching noise as the DC/AC converter with the dummy circuit and subtracting it from the AC voltage with the differential amplifier.
ダミー回路は、接地と接地の間に設けられる第3スイッチおよび第4スイッチと、第3スイッチと前記第4スイッチをクロックに応じて相補的にスイッチングする第2ドライバと、を含んでもよい。 The dummy circuit may include a third switch and a fourth switch provided between the ground and the ground, and a second driver for complementarily switching the third switch and the fourth switch according to the clock.
直流/交流変換器およびダミー回路は、アンプおよび検出部と熱的に分離されていてもよい。これにより熱EMFの影響を低減できる。 The DC/AC converter and dummy circuit may be thermally isolated from the amplifier and detector. This can reduce the influence of thermal EMF.
直流/交流変換器およびダミー回路を構成する複数のスイッチは、共通のヒートシンクに接続されてもよい。 A plurality of switches that constitute the DC/AC converter and the dummy circuit may be connected to a common heat sink.
検出部は、交流電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、A/Dコンバータの出力波形をフーリエ変換するフーリエ変換器と、を含み、フーリエ変換器により得られるスペクトルの所定の周波数の成分にもとづいて、入力電圧の電圧レベルを検出してもよい。 The detector includes an A/D converter that converts an AC voltage into a digital signal and a Fourier transformer that Fourier-transforms the output waveform of the A/D converter. , the voltage level of the input voltage may be detected.
検出部は、交流電圧の所定の周波数の成分を抽出するフィルタを含み、フィルタを通過した信号の振幅にもとづいて、入力電圧の電圧レベルを検出してもよい。 The detection unit may include a filter that extracts a predetermined frequency component of the AC voltage, and detect the voltage level of the input voltage based on the amplitude of the signal that has passed through the filter.
電圧測定装置は、少なくともひとつの入力電圧を受ける少なくともひとつの入力端子と、少なくともひとつの入力端子に対応する少なくともひとつの直流/交流変換器と、直流/交流変換器が生成する交流電圧と、少なくともひとつの直流/交流変換器が生成する少なくともひとつの交流電圧を加算する加算器と、を備えてもよい。少なくともひとつの直流/交流変換器はそれぞれ、対応する入力電圧を、当該入力電圧に応じた振幅とそれぞれに固有の周波数を有する交流電圧に変換する。これにより多数の入力電圧を同時に測定できる。特に、フーリエ変換を利用することにより、1回のフーリエ変換で複数の入力電圧の電圧レベルを同時に測定できる。 The voltage measuring device includes at least one input terminal for receiving at least one input voltage, at least one DC/AC converter corresponding to the at least one input terminal, an AC voltage generated by the DC/AC converter, and at least an adder for adding at least one AC voltage produced by one DC/AC converter. Each of the at least one DC/AC converter converts a corresponding input voltage into an AC voltage having an amplitude dependent on the input voltage and a frequency unique to each. This allows multiple input voltages to be measured simultaneously. In particular, by using the Fourier transform, it is possible to simultaneously measure the voltage levels of a plurality of input voltages with one Fourier transform.
(実施の形態)
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
(Embodiment)
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. Moreover, the embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention.
本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合や、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 In this specification, "a state in which member A is connected to member B" refers to a case in which member A and member B are physically directly connected, or a case in which member A and member B are electrically connected to each other. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the connected state or impair the functions and effects achieved by their combination.
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。 Similarly, "the state in which member C is provided between member A and member B" refers to the case where member A and member C or member B and member C are directly connected, as well as the case where they are electrically connected. It also includes the case of being indirectly connected through other members that do not substantially affect the physical connection state or impair the functions and effects achieved by their combination.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る電圧測定装置100Aの回路図である。電圧測定装置100は、入力端子PINに入力される直流の入力電圧VINの電圧レベルを検出する。入力電圧VINの電圧レベルは、典型的にはμVオーダーもしくはサブμVのオーダーである。測定対象の入力電圧VINは特に限定されない。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of a
電圧測定装置100Aは、直流/交流変換器110、アンプ120、検出部130を備える。直流/交流変換器110は、入力電圧VINを、入力電圧VINに応じた振幅と所定の周波数f0を有する交流電圧VACに変換する。交流電圧VACは、入力電圧VINと基準電圧(たとえば接地電圧0V)の2つの電圧レベルでスイッチングするデューティ比50%の矩形波とすることが好ましい。たとえばスイッチング周波数f0は、1kHzである。
100 A of voltage measuring apparatuses are provided with the DC/
アンプ120は、交流電圧VACを所定のゲインで増幅する。検出部130は、増幅後の交流電圧VAC_AMPにもとづいて入力電圧VINの電圧レベルを検出する。
以上が電圧測定装置100Aの基本構成である。続いてその動作を説明する。図2は、図1の電圧測定装置100Aの動作波形図である。
The above is the basic configuration of the
入力端子PINには、数μVの直流入力電圧VINが入力される。直流/交流変換器110によって、振幅がVINと等しく、デューティ比50%、周期T0=1/f0の矩形波の交流電圧VACが生成される。交流電圧VACは、後段のアンプ120によって増幅される。増幅後の交流電圧VAC_AMPの振幅はVIN×gとなる。増幅後の交流電圧VAC_AMPは周期的な矩形波であり、以下の式(1)で表される。
式(1)の矩形波をフーリエ級数展開すると、式(2)で表される。
検出部130は、増幅後の交流電圧VAC_AMPに含まれる所定の周波数f0の成分の振幅を測定する。所定の周波数f0の成分は、式(3)で表される。
測定された基本波成分の振幅を、ゲインgにもとづく定数(2gVIN/π)で除した値が、元の入力電圧VINの電圧レベルとなる。 A value obtained by dividing the measured amplitude of the fundamental wave component by a constant (2gV IN /π) based on the gain g is the voltage level of the original input voltage V IN .
以上が電圧測定装置100Aの動作である。本実施の形態では、入力電圧VINを既知の周波数f0の交流電圧VACに変換した後に増幅し、増幅後の交流電圧VACの既知の周波数f0の成分の振幅を検出することにより、システムノイズや1/fノイズを除去することができ、入力電圧VINを正確に測定することが可能となる。
The above is the operation of the
本発明は、図1のブロック図や回路図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。 The present invention extends to various apparatus and methods grasped as the block diagram and circuit diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to any particular configuration. Hereinafter, more specific configuration examples and embodiments will be described not for narrowing the scope of the present invention, but for helping to understand the essence and operation of the invention and clarifying them.
図3は、電圧測定装置100Aの構成例を示す回路図である。直流/交流変換器110は、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2および第1ドライバ112を含む。第1スイッチSW1および第2スイッチSW2は、入力端子PINと接地の間に直列に設けられる。第1ドライバ112は、第1スイッチSW1と第2スイッチSW2を、所定の周波数f0を有するクロックCLKに応じて相補的にスイッチングする。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of the voltage measuring device 100A. DC/
第1スイッチSW1および第2スイッチSW2はそれぞれ、CMOSスイッチ(トランスファゲート)で構成してもよい。あるいは第1スイッチSW1をPMOSトランジスタで、第2スイッチSW2をNMOSトランジスタで構成してもよい。あるいは、それらの両方をNMOSトランジスタで構成してもよい。 Each of the first switch SW1 and the second switch SW2 may be composed of a CMOS switch (transfer gate). Alternatively, the first switch SW1 may be composed of a PMOS transistor, and the second switch SW2 may be composed of an NMOS transistor. Alternatively, both of them may be composed of NMOS transistors.
アンプ120はオペアンプ122、抵抗R11,R12を含む非反転アンプであり、抵抗値R11,R12に応じて定まるゲインg=(R11+R12)/R12を有する。
The
検出部130は、DCブロックキャパシタC2、ACアンプ132、A/Dコンバータ134、フーリエ変換器136を含む。DCブロックキャパシタC2によって、交流電圧VACのDC成分が除去される。このDC成分は、式(2)の定数項gVIN/πや、システムノイズ、1/fノイズを含む。
The
ACアンプ132は交流電圧VAC_AMPの交流成分を増幅する。A/Dコンバータ134は所定のサンプリングレートで、交流電圧VAC_DUMMYをデジタル信号に変換する。フーリエ変換器136は、A/Dコンバータ134の出力波形を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)し、周波数領域のスペクトルを生成する。A/Dコンバータ134より前段には、アンチエイリアシングノイズを除去するために、A/Dコンバータ134のサンプリング周波数fsに応じたカットオフ周波数fc(fc<fs/2)を有するローパスフィルタが挿入される。
図4は、電圧測定装置100Aにより得られるスペクトルを示す図である。基本波f0の強度にもとづいて、フーリエ変換器136により得られるスペクトルに含まれる所定の周波数f0の信号強度は、入力電圧VINの電圧レベルと相関を有する。
FIG. 4 is a diagram showing a spectrum obtained by the
図5(a)は、入力電圧VINと基本波f0の信号強度の関係(測定結果)を示す図である。f0=1kHz、サンプル数10000回、サンプリングレート100ksps、周波数分解能を10Hzとしている。図5(b)は、入力電圧VINと相対誤差の関係を示す図である。この例では2μVまでの線形性が確保できていることがわかる。 FIG. 5(a) is a diagram showing the relationship (measurement result) between the input voltage V IN and the signal strength of the fundamental wave f0 . It is assumed that f 0 =1 kHz, the number of samples is 10000, the sampling rate is 100 ksps, and the frequency resolution is 10 Hz. FIG. 5(b) is a diagram showing the relationship between the input voltage VIN and the relative error. In this example, it can be seen that linearity is ensured up to 2 μV.
図6(a)、(b)は、入力電圧VINと基本波f0の信号強度(測定結果)の関係を示す図である。図6(a)は、f0=500Hz、図6(b)は、f0=2kHzとしたときの結果である。交流電圧VACの周波数f0を下げるほど、より低い電圧レンジまで正確に測定できることがわかる。 6A and 6B are diagrams showing the relationship between the input voltage VIN and the signal strength (measurement result) of the fundamental wave f0 . FIG. 6(a) is the result when f 0 =500 Hz, and FIG. 6(b) is the result when f 0 =2 kHz. It can be seen that the lower the frequency f 0 of the AC voltage VAC , the more accurately the voltage range can be measured.
本発明者らは、スイッチング周波数f0が低いほど、測定可能なレンジが広がる理由について検討し、スイッチングノイズが影響していることを認識するに至った。図7は、交流電圧VAC_AMPに含まれるスイッチングノイズを示す波形図(実測)である。この例では、f0=1kHzである。クロックCLKのエッジごとに、交流電圧VAC_AMPにスイッチングノイズが発生する。スイッチングノイズの主たる周波数成分は、スイッチング周波数f0の2倍の2f0であるが、スイッチングノイズは、基本周波数f0の周波数成分も含んでおり、これが線形性を悪化させる。 The inventors of the present invention have studied why the measurable range widens as the switching frequency f 0 decreases, and have come to recognize that switching noise has an effect. FIG. 7 is a waveform diagram (actual measurement) showing switching noise included in the AC voltage VAC_AMP . In this example, f 0 =1 kHz. Switching noise is generated in the AC voltage VAC_AMP at each edge of the clock CLK. The main frequency component of the switching noise is 2f0 which is twice the switching frequency f0 , but the switching noise also contains the frequency component of the fundamental frequency f0 , which degrades the linearity.
スイッチングノイズは、クロックCLKが寄生容量を介して混入するため、回路上のレイアウトの工夫により低減することができるが、以下で説明するように、回路構成によって対策することが可能である。実施の形態2では、スイッチングノイズの影響を抑制可能な電圧測定装置100Bについて説明する。
Switching noise can be reduced by devising a layout on the circuit because the clock CLK is mixed in through the parasitic capacitance.
(実施の形態2)
図8は、実施の形態2に係る電圧測定装置100Bの回路図である。電圧測定装置100Bは、ダミー回路140をさらに備える。ダミー回路140は、直流/交流変換器110と同じ構成を有する直流/交流変換器110のレプリカであり、直流/交流変換器110と同期して動作する。ただし直流/交流変換器110には、入力電圧VINではなく、0Vが入力されている。
(Embodiment 2)
FIG. 8 is a circuit diagram of a
アンプ120は、差動入力-シングルエンド出力の差動アンプ124を含む。差動アンプ124の一方の入力端子(非反転入力+)には、直流/交流変換器110の出力VACが入力され、他方の入力端子(反転入力-)には、ダミー回路140の出力電圧VAC_DUMMYが入力される。
The
以上が電圧測定装置100Bの構成である。続いてその動作を説明する。図9は、図8の電圧測定装置100Bの動作波形図である。直流/交流変換器110の出力VACには、入力電圧VINを振幅とする矩形波の成分と、スイッチングノイズが含まれる。ダミー回路140の出力電圧には、スイッチングノイズのみが含まれる。差動アンプ124によって、2つの信号VACとVAC_DUMMYの差分VAC-VAC_DUMMYを増幅することにより、スイッチングノイズの影響を除去することができる。
The above is the configuration of the
図10は、図8の電圧測定装置100Bの構成例を示す図である。直流/交流変換器110は、第1スイッチSW1、第2スイッチSW2および第1ドライバ112を含む。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the
ダミー回路140は、入力と接地の間に設けられる第3スイッチSW3および第4スイッチSW4と、第3スイッチSW3と第4スイッチSW4を、クロックに応じて相補的にスイッチングする第2ドライバ142と、を含む。ダミー回路140の入力は接地される。
The
図11は、直流/交流変換器110およびダミー回路140の変形例を示す図である。入力電圧VINを生成する信号源が無視できない出力インピーダンスRsを有する場合、直流/交流変換器110およびダミー回路140それぞれに抵抗Rd1~Rd4を追加してもよい。抵抗Rd1~Rd4はインピーダンス整合のために設けられ、それらの抵抗値Rdは、出力インピーダンスRsと等しい。詳しくは、Rs≠Rdであると、スイッチングノイズが抵抗Rs,Rdで電圧に変換されたときにアンバランスとなり、差動回路でのスイッチングノイズ低減を阻害する要因となりうるところ、Rs=Rdとすることで、スイッチングノイズを低減できる。また、信号源の抵抗Rsでの熱起電力と、抵抗Rdのそれをバランスさせることができる。
FIG. 11 is a diagram showing a modification of DC/
本発明者らは、図8の電圧測定装置100Bを、共通の基板上に実装し、増幅後の交流電圧VAC_AMPの波形を測定した。図12は、図8の電圧測定装置100Bにより得られる交流電圧VAC_AMPの波形図(実測)である。この波形は、入力電圧VINをゼロとして測定したものであるが、1kHzのクロックCLKと同期して、交流電圧VAC_AMPに入力電圧VIN換算で1μV相当の矩形波(ノイズ)が観測されている。本発明者らは、このノイズが、熱EMFに起因するものであることを認識した。
The inventors mounted the
熱EMFの対策として、電圧測定装置100Bのうち、直流/交流変換器110およびダミー回路140を、後段のアンプ120と熱的に分離することとした。図13は、熱EMF対策を施した電圧測定装置100Cを模式的に示す図である。電圧測定装置100Cは、電圧測定装置をディスクリート素子を用いて構成したものである。
As a countermeasure against thermal EMF, the DC/
具体的には、直流/交流変換器110およびダミー回路140を、アンプ120が実装される回路基板200とは分離して実装している。直流/交流変換器110およびダミー回路140を構成するスイッチSW1~SW4およびドライバ112,142は、1個のスイッチIC202に内蔵されている。このスイッチIC202の一面(図中、上側)には、ヒートシンク204が接続されている。またスイッチIC202の別の一面は、導電性シート206と接続され、さらに導電性シート206には、ヒートシンク208が接続されている。直流/交流変換器110およびダミー回路140が抵抗を含む場合、抵抗チップも、導電性シート206側に実装される。
Specifically, DC/
さらに、直流/交流変換器110およびダミー回路140を構成するスイッチIC202(抵抗チップ)およびヒートシンクは、断熱部材210(たとえば発泡スチロール)で覆われている。さらに電圧測定装置100C全体を、断熱容器に収容し、外部の熱の影響を受けないように配慮した。図14は、熱EMFの対策後の電圧測定装置100Cにおける交流電圧VAC_AMPの波形図(実測)である。熱EMF対策によって、図12に見られる矩形波のノイズが大幅に低減されている。
Furthermore, the switch IC 202 (resistor chip) and heat sink that constitute the DC/
図15(a)は、熱EMF対策後の電圧測定装置100Cにおける、入力電圧VINと基本波f0の信号強度の関係(測定結果)を示す図である。図5では、2μVより大きい範囲で線形性が確保できていたのに対して、図15では、線形性が確保できる範囲を0.2μVまで拡大することができている。図15(b)は、入力電圧VINと相対誤差の関係を示す図である。0.2μVにおける相対誤差は20%である。
FIG. 15A is a diagram showing the relationship (measurement result) between the input voltage V IN and the signal intensity of the fundamental wave f 0 in the
なお、ここで説明した熱EMF対策は、実施の形態1や実施の形態3あるいは後述のいくつかの変形例に対しても有効である。 It should be noted that the thermal EMF countermeasures described here are also effective for the first and third embodiments and some modifications described later.
(実施の形態3)
実施の形態3では、複数の入力電圧VINを同時に測定可能な電圧測定装置100Dについて説明する。この電圧測定装置100Dは、実施の形態1に係る電圧測定装置100Aをベースとして多チャンネル化したものである。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a
図16は、実施の形態3に係る電圧測定装置100Dの回路図である。電圧測定装置100Dは、Nチャンネル(N≧2)の入力電圧VIN1~VINNを同時に測定可能である。
FIG. 16 is a circuit diagram of
電圧測定装置100Dは、Nチャンネルの直流/交流変換器110_1~110_N、Nチャンネルのアンプ120_1~120_Nおよび検出部130Dを備える。
The
複数の直流/交流変換器110_1~110_Nには、互いに異なる固有の周波数f1~fNのクロックCLK1~CLKNが入力されている。第iチャンネル(i=1~N)に着目すると、直流/交流変換器110_iは、対応する入力電圧VINiを周波数がfi、振幅がVINiである交流電圧VACiに変換する。後段のFFTによってチャンネルごとの信号成分を分離できなければならないため、周波数f1~fNは、互いに非整数倍の関係である。アンプ120_iは、対応する交流電圧VACiを増幅する。 The plurality of DC/AC converters 110_1 to 110_N are supplied with clocks CLK 1 to CLK N having different unique frequencies f 1 to fN . Focusing on the i-th channel (i=1 to N), the DC/AC converter 110_i converts the corresponding input voltage V INi into an AC voltage V ACi having a frequency f i and an amplitude V INi . Since the subsequent FFT must be able to separate the signal components for each channel, the frequencies f 1 to f N are non-integer multiples of each other. Amplifier 120_i amplifies the corresponding AC voltage VACi .
検出部130Dは、増幅後の交流電圧VAC_AMP1~VAC_AMPNを加算する加算器138を含む。加算器138は、オペアンプを用いた加算増幅器を用いることができる。この加算器138は増幅器を兼ねることができる。
The
A/Dコンバータ134は、加算増幅された信号をデジタル信号に変換する。フーリエ変換器136は、A/Dコンバータ134の出力波形を高速フーリエ変換(FFT:Fast Fourier Transform)し、周波数領域のスペクトルを生成する。
The A/
図17は、図16の電圧測定装置100Dにより得られるスペクトルを示す図である。スペクトルに含まれる基本波f1~fNの成分はそれぞれ、複数の入力電圧VIN1~VINNの電圧レベルと相関を有する。
FIG. 17 is a diagram showing a spectrum obtained by
このように実施の形態3によれば、多チャンネルの入力電圧VIN1~VINNを同時に、かつ短時間で測定することができる。 As described above, according to the third embodiment, it is possible to simultaneously measure the input voltages V IN1 to V INN of multiple channels in a short time.
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。 The present invention has been described above based on the embodiments. It should be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications can be made to the combination of each component and each treatment process, and that such modifications are within the scope of the present invention. be. Such modifications will be described below.
(変形例1)
実施の形態3において、図16の電圧測定装置100Dをベースに多チャンネル化してもよい。すなわち、チャンネルごとに、スイッチングノイズの対策のための、図8の電圧測定装置100Bを多チャンネル化してもよい。
(Modification 1)
In Embodiment 3, the
(変形例2)
図16では、検出部130において増幅後の多チャンネルの信号VAC_AMP1~VAC_AMPNを加算したが、増幅前に合成した後に、共通のアンプ120によって増幅してもよい。この場合、回路構成を小さくできる。
(Modification 2)
In FIG. 16, the multi-channel signals V AC_AMP1 to V AC_AMPN after amplification are added in the
(変形例3)
これまでの説明では、検出部130をFFTをベースとして構成したが、その限りでない。図18は、変形例3に係る電圧測定装置100Eの回路図である。検出部130Eの回路図である。検出部130Eは、フィルタ150および検波器152を含む。フィルタ150は、ローパスフィルタあるいはバンドパスフィルタであり、増幅後の信号のスイッチング周波数f0の成分を透過する。検波器152は、フィルタ150を透過した信号の振幅を検出する。この振幅は、入力電圧VINの電圧レベルと相関を有する。
(Modification 3)
In the description so far, the
あるいは、フーリエ変換器136に代えて、リアルタイムアナライザを用いてもよい。
Alternatively, instead of
(変形例4)
実施の形態では、直流/交流変換器110を単相インバータで構成したが、Hブリッジ回路で構成してもよい。Hブリッジ回路によって、相補的な交流電圧VAC_P,VAC_Nを発生し、アンプ120によって相補的な交流電圧VAC_P,VAC_Nの差分を増幅してもよい。
(Modification 4)
Although the DC/
(用途)
実施の形態に係る電圧測定装置100の用途は特に限定されないが、たとえば半導体デバイスの試験、たとえばオペアンプの諸特性の計測に用いることができる。この場合、電圧測定装置100は、コストや量産性よりも、精度を最優先で設計されることとなり、したがって電圧測定装置100はディスクリート部品で構成してもよい。
(Application)
The application of
図19(a)、(b)は、電圧測定回路100の用途を説明する図である。電圧測定装置100は、IoT(Internet of Things)デバイス300などのセンサ付きデバイスに組み込み、センサの微小電圧出力を取り込む回路として用いることができる。
19A and 19B are diagrams for explaining the application of the
図19(a)に示すように、IoTデバイス300は、センサ302と、無線装置304と、マイクロコントローラ306を含む。この場合、電圧測定装置100の一部あるいは全部をICチップに集積化し、センサ302とマイクロコントローラ306の間のフロントエンド回路400として用いることができる。
As shown in FIG. 19( a ),
図19(b)に示すように、マイクロコントローラ306には、A/Dコンバータ308が内蔵される場合がある。そこでマイクロコントローラ306に内蔵されるA/Dコンバータ308を、A/Dコンバータ134として利用し、マイクロコントローラ306に内蔵されるCPU(Central Processing Unit)310を、フーリエ変換器136として機能させてもよい。つまり、電圧測定回路100のうち、A/Dコンバータ134およびフーリエ変換器136の機能は、マイクロコントローラ306に実装し、フロントエンド回路400には、直流/交流変換器110、アンプ120、ACアンプ132を集積化してもよい。
As shown in FIG. 19B, the
実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用の一側面を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。 Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiment, the embodiment only shows one aspect of the principle and application of the present invention, and the embodiment does not include the claims. Many variations and rearrangements are permissible without departing from the spirit of the invention as defined in its scope.
100 電圧測定装置
PIN 入力端子
110 直流/交流変換器
SW1 第1スイッチ
SW2 第2スイッチ
112 第1ドライバ
120 アンプ
122 オペアンプ
124 差動アンプ
R11 第1抵抗
R12 第2抵抗
130 検出部
C2 DCブロックキャパシタ
132 ACアンプ
134 A/Dコンバータ
136 フーリエ変換器
138 加算器
140 ダミー回路
SW3 第3スイッチ
SW4 第4スイッチ
142 第2ドライバ
Rs 抵抗
150 フィルタ
152 検波器
100 voltage measuring device P IN input terminal 110 DC/AC converter SW1 first switch SW2
Claims (10)
前記入力電圧を、前記入力電圧に応じた振幅と所定の周波数を有する交流成分を含む矩形波電圧に変換する直流/交流変換器と、
前記矩形波電圧を増幅するアンプと、
増幅後の前記矩形波電圧に含まれる前記所定の周波数の成分にもとづいて前記入力電圧の電圧レベルを検出する検出部と、
を備え、
前記直流/交流変換器は、
前記入力端子と接地の間に直列に設けられる第1スイッチおよび第2スイッチと、
前記第1スイッチと前記第2スイッチを、前記所定の周波数を有するクロックに応じて相補的にスイッチングする第1ドライバと、
を含み、
前記第1スイッチと前記第2スイッチの接続ノードの電圧が、前記矩形波電圧であることを特徴とする電圧測定装置。 an input terminal for receiving a DC input voltage;
a DC/AC converter that converts the input voltage into a rectangular wave voltage containing an AC component having an amplitude and a predetermined frequency corresponding to the input voltage;
an amplifier that amplifies the rectangular wave voltage ;
a detection unit that detects the voltage level of the input voltage based on the predetermined frequency component included in the square wave voltage after amplification;
with
The DC/AC converter is
a first switch and a second switch provided in series between the input terminal and ground;
a first driver that complementarily switches the first switch and the second switch according to the clock having the predetermined frequency;
including
A voltage measuring device , wherein a voltage at a connection node between the first switch and the second switch is the rectangular wave voltage .
前記アンプは、一方の入力に前記矩形波電圧を受け、他方の入力に前記ダミー回路の出力を受ける差動アンプを含むことを特徴とする請求項1または2に記載の電圧測定装置。 A dummy circuit having the same configuration as the DC/AC converter and operating synchronously with the DC/AC converter,
3. The voltage measuring apparatus according to claim 1 , wherein said amplifier includes a differential amplifier having one input receiving said rectangular wave voltage and another input receiving an output of said dummy circuit.
接地と接地の間に設けられる第3スイッチおよび第4スイッチと、
前記第3スイッチと前記第4スイッチをクロックに応じて相補的にスイッチングする第2ドライバと、
を含むことを特徴とする請求項3に記載の電圧測定装置。 The dummy circuit is
a third switch and a fourth switch provided between the ground and the ground;
a second driver that complementarily switches the third switch and the fourth switch according to a clock;
4. The voltage measurement device of claim 3 , comprising:
前記矩形波電圧をデジタル信号に変換するA/Dコンバータと、
前記A/Dコンバータの出力波形をフーリエ変換するフーリエ変換器と、
を含み、前記フーリエ変換器により得られるスペクトルの前記所定の周波数の成分にもとづいて、前記入力電圧の電圧レベルを検出することを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の電圧測定装置。 The detection unit is
an A/D converter that converts the rectangular wave voltage into a digital signal;
a Fourier transformer for Fourier transforming the output waveform of the A/D converter;
and detecting the voltage level of the input voltage based on the predetermined frequency component of the spectrum obtained by the Fourier transformer. .
前記検出部は、前記複数セットの前記アンプの出力電圧を加算する加算器を含んでいることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の電圧測定装置。 A plurality of sets of the input terminal, the DC/AC converter and the amplifier are provided,
9. The voltage measuring device according to claim 1, wherein said detecting section includes an adder that adds the output voltages of said amplifiers in said plurality of sets .
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