JP2005098896A - 電圧印加装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 最適な位相補償を自動的に行える電圧印加装置を実現することを目的にする。
【解決手段】 本発明は、設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置に改良を加えたものである。本装置は、負荷に与える電流を測定するシャント抵抗と、このシャント抵抗の交流成分を検出し、交流成分の電流を帰還させる帰還回路とを備えたことを特徴とする装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体検査装置に用いられる電圧印加装置において、最適な位相補償を自動的に行える電圧印加装置に関するものである。

半導体検査装置では、被検査対象、ＩＣ、ＬＳＩ等である負荷を電圧印加装置で駆動して、そこに流れる電流を測定することによって、その良否の判定を行っている。このような電圧印加装置では、被検査対象（負荷）の入力容量やパスコン、あるいは、装置から被検査対象に至るまでの信号ラインの容量等によって帰還系が不安定になることがあるので、位相補償を行っている。このような装置は例えば特許文献１等に記載されている。

特開２００２−２８６８０８号公報

以下、積分方式による位相補償を用いた電圧印加装置を図３に示し説明する。図３において、Ｄ／Ａコンバータ１は電圧を印加する。抵抗ＲｉはＤ／Ａコンバータ１の出力端に、一端を接続する。バッファアンプ２は、抵抗Ｒｉの他端に入力端を接続する。可変抵抗Ｒは、バッファアンプ２の出力端に一端を接続する。差動アンプ３は、可変抵抗部Ｒの他端を反転入力端子に接続し、非反転入力端子を接地する。ここで、可変抵抗部Ｒは、例えば、特許文献１に示されるように、マルチプライングＤ／Ａコンバータと抵抗とにより構成される。コンデンサＣ１は、差動アンプ３の非反転入力端子に一端を接続し、差動アンプ３の出力端に他端を接続する。アンプ４は、差動アンプ３の出力端に入力端を接続する。シャント抵抗Ｒｓは、アンプ４の出力端に一端を接続し、他端に負荷５を接続する。バッファアンプ６は、シャント抵抗Ｒｓの他端に入力端を接続する。抵抗Ｒｆは、バッファアンプ６の出力端に一端を接続し、抵抗Ｒｉの他端に他端を接続する。

このような装置の動作を以下に説明する。負荷５に印加する電圧の設定値が、Ｄ／Ａコンバータ１に設定され、この設定電圧は抵抗Ｒｉを介してバッファアンプ２に入力される。また、負荷５の電圧はバッファアンプ６、抵抗Ｒｆを介して、バッファアンプ２に入力される。すなわち、バッファアンプ２の出力は、Ｄ／Ａコンバータ１が出力する設定電圧と負荷５の両端の電圧との差である誤差電圧となる。

この誤差電圧は可変抵抗Ｒによって誤差電流に変換され、差動アンプ３及びコンデンサＣ１で構成される積分回路に入力される。すなわち、コンデンサＣ１は誤差電流によって充電される。この積分回路の出力は、バッファアンプ４、シャント抵抗Ｒｓを介して、負荷５に印加される。シャント抵抗Ｒｓの両端電圧を測定することにより、電流測定が行われる。この帰還系は、可変抵抗部Ｒを調整することにより位相補償を行っている。

次に、局部帰還方式による位相補償を用いた電圧印加装置を図４に示し説明する。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。

図４において、差動アンプ７、可変コンデンサＣ２は、図３に示す装置のバッファアンプ２、可変抵抗部Ｒ、差動アンプ３、コンデンサＣ１、アンプ４の代わりに設けられる。差動アンプ７は、抵抗Ｒｉの他端に反転入力端子を接続し、非反転入力端子を接地し、シャント抵抗抵抗Ｒｓの他端に出力端を接続する。可変コンデンサＣ２は、差動アンプ７の非反転入力端子に一端を接続し、差動アンプ７の出力端に他端を接続する。

このような装置の動作を以下に説明する。負荷５に印加する電圧の設定値が、Ｄ／Ａコンバータ１に設定される。この設定電圧と、バッファ６を介した負荷５の電圧とが、抵抗Ｒｉ、抵抗Ｒｆで分圧され、差動アンプ７及び可変コンデンサＣ２で構成される積分回路に入力される。この積分回路の出力が負荷５に印加される。この帰還系は、可変コンデンサＣ２を調整することにより位相補償を行っている。

負荷５の容量が既知の場合は、位相補償の帯域を決定できるが、負荷５の容量が不明な場合は帯域を決定することができない。そのため、想定される最大の容量に合わせて低い帯域の応答にせざるを得ず、非常に遅い応答になってしまう。

また、予定した容量に合わせて位相補償の帯域を決定した場合でも、予想しない容量が接続された場合などは発振等の恐れがある。

また、常に負荷の容量を意識しなければならず、煩雑なものとなってしまう。

そこで、本発明の目的は、最適な位相補償を自動的に行える電圧印加装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
前記負荷に与える電流を測定するシャント抵抗と、
このシャント抵抗の交流成分を検出し、交流成分の電流を帰還させる帰還回路と
を備えたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、
設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
前記誤差電圧を反転入力端子に入力し、非反転入力端子を接地し、前記出力電圧を出力する第１の差動アンプと、
前記負荷に与える電流を検出するシャント抵抗と、
このシャント抵抗の電流の交流成分を検出し、交流成分の電流を前記第１の差動アンプの反転入力端子に与える帰還回路と
を設けたことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、
設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
前記誤差電圧を入力する第１のバッファアンプと、
この第１のバッファアンプの出力を入力する抵抗部と、
この抵抗部の出力を入力する積分回路と、
この積分回路の出力を入力し、前記出力電圧を出力するアンプと、
前記負荷に与える電流を検出するシャント抵抗と、
このシャント抵抗の電流の交流成分を検出し、交流成分の電流を前記第１のバッファアンプに与える帰還回路と
を設けたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、
設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
この誤差電圧を入力し、前記出力電圧を出力する積分回路と、
前記負荷に与える電流を検出するシャント抵抗と、
このシャント抵抗の電流の交流成分を検出し、交流成分の電流を前記積分回路に与える帰還回路と
を設けたことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
シャント抵抗は、出力電圧が与えられる経路上に設けられたことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項２〜５のいずれかに記載の発明において、
帰還回路は、
シャント抵抗の両端に入力端を接続する第２の差動アンプと、
この第２の差動アンプの出力を入力するハイパスフィルタと、
このハイパスフィルタの出力を入力する第２のバッファアンプと、
この第２のバッファアンプの出力を入力し、電流に変換し出力する抵抗と
を有することを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
シャント抵抗は、出力電圧を入力し、電流を供給し、負荷に出力電圧を与えるアンプの正、負の電源ライン上に設けられたことを特徴とするものである。

請求項８記載の発明は、請求項７記載の発明において、
帰還回路は、
シャント抵抗ごとに、シャント抵抗の両端電圧を測定する第３の差動アンプと、
この第３の差動アンプの出力同士を引き算する引き算器と、
この引き算器の出力を入力するハイパスフィルタと、
このハイパスフィルタの出力を入力する第２のバッファアンプと、
この第２のバッファアンプの出力を入力し、電流に変換し出力する抵抗と
を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、帰還回路がシャント抵抗の交流成分を検出し、交流成分の電流を帰還させるので、自動的に安定なループ応答を実現できる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図３と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。

図１において、差動アンプ８、帰還回路９は、図３に示す装置のバッファアンプ２、可変抵抗部Ｒ、差動アンプ３、コンデンサＣ１、アンプ４の代わりに設けられる。差動アンプ８は、抵抗Ｒｉの他端に反転入力端子を接続し、非反転入力端子を接地し、シャント抵抗Ｒｓの一端に出力端を接続する。帰還回路９は、シャント抵抗Ｒｓの両端に接続し、電流変化の交流成分を検出し、交流成分の電流を差動アンプ８の反転入力端子に与える。帰還回路９は、差動アンプ９１、バッファアンプ９２、抵抗Ｒｈ，Ｒｃ、コンデンサＣｈからなる。差動アンプ９１は、シャント抵抗Ｒｓの両端に入力端を接続する。コンデンサＣｈは、差動アンプ９１の出力端に一端を接続する。抵抗ＲｈはコンデンサＣｈの他端に一端を接続し、他端を接地する。コンデンサＣｈ、抵抗Ｒｈはハイパスフィルタを構成する。バッファアンプ９２は、抵抗Ｒｈの一端を入力端に接続する。抵抗Ｒｃは、バッファアンプ９の出力端を一端に接続し、差動アンプ８の反転入力端子に他端を接続する。

このような装置の動作を以下に説明する。まず、帰還回路９を除いた動作を説明する。負荷５に印加する電圧の設定値が、Ｄ／Ａコンバータ１に設定される。この設定電圧と、バッファアンプ６を介した負荷５の電圧とが、抵抗Ｒｉ、抵抗Ｒｆで分圧され、差動アンプ８に入力される。この差動アンプ８の出力がシャント抵抗Ｒｓを介して負荷５に印加される。シャント抵抗Ｒｓの両端電圧を測定することにより、電流測定が行われる。

次に、帰還回路９の動作を説明する。差動アンプ９１は、抵抗Ｒｓの両端の電圧差を出力する。この出力を、コンデンサＣｈ、抵抗Ｒｈからなるハイパスフィルタで交流成分のみを通過させる。そして、バッファアンプ９２を介して、抵抗Ｒｃで補正電流ｉｃにして、差動アンプ８に帰還する。

負荷５に容量Ｃｌが接続された場合、容量の大きさに応じてシャント抵抗Ｒｓの両端に微小電流が発生する。その電圧を帰還回路９が検出し、帰還をかける。この帰還回路９の帰還時定数は出力負荷容量とシャント抵抗Ｒｓの大きさに比例するため、シャント抵抗Ｒｓと負荷５の容量により発生する極の補償を自動的に行える。すなわち、シャント抵抗Ｒｓと負荷５の容量Ｃｌで発生する極と帰還回路９で作る極を一致させるか、帰還回路９の極の方を高い周波数にしておけば、常に安定した状態を作ることができる。シャント抵抗Ｒｓや容量Ｃｌの変化に対し、自動的に安定なループ応答を実現することができる。この結果、応答を速くすることができる。これにより、半導体検査装置に用いた場合、テスト時間を短縮することができる。

さらに詳細に説明する。負荷５に容量Ｃｌが接続された場合、シャント抵抗Ｒｓと容量Ｃｌで極が発生する。その極によるカットオフ周波数ｆｃｌ以降ではフィードバック電流ｉｆの経路で電流を流さないようにすれば常に安定した系が得られる。

出力の微小振幅電圧ｖｏがある場合、抵抗Ｒｆに流れる電流ｉｆはｉｆ＝ｖｏ／Ｒｆとなる。

また、シャント抵抗Ｒｓに流れる電流ｉｌは、負荷５の容量Ｃｌに流れる電流と等しくなるので、ｉｌ＝ｖｏ・２πｆ・Ｃｌになる。但し、容量性負荷のみが接続されたものとしている。

抵抗Ｒｓの両端の電圧を増幅する差動アンプ９１のゲインをＧｃとすると、補正電流ｉｃはｉｃ＝（ｖｏ・２πｆ・Ｃｌ・Ｒｓ・Ｇｃ）／Ｒｃになる。ここで、抵抗ＲｈとコンデンサＣｈからなるハイパスフィルタのカットオフ周波数は十分低いものとする。

ｉｆとｉｃが同じになる周波数をｆｃｃとすると、ｉｌ＝ｉｃより、ｆｃｃ＝Ｒｃ／（２π・Ｃｌ・Ｒｓ・Ｇｃ・Ｒｆ）になる。

一方、前述の抵抗Ｒｓと容量Ｃｌによってできるカットオフ周波数はｆｃｌはｆｃｌ＝１／（２π・Ｃｌ・Ｒｓ）になる。

ループ系が安定であるためには、ｆｃｌ≦ｆｃｃである必要がある。上式を整理すると、Ｒｃ／Ｒｆ≦Ｇｃとなる。この条件を守れば、ｆｃｌ≦ｆｃｃの応答になる。ｆｃｌ，ｆｃｃともに容量Ｃｌによって一定間隔を保ったまま周波数軸を移動するので、どのようなシャント抵抗Ｒｓや容量Ｃｌに対しても安定な動作になる。

上記では、負荷５の容量だけで、直流的に電流が流れない場合の検討を行った。しかし、実際には、負荷５に電流が流れることが多い。その場合、出力負荷変動による電流の変化について説明する。

そして、帰還回路９は、交流成分のみの帰還だけを行うので、負荷電流が流れる場合に、その電流による出力電圧が変動しても、定電流動作になることを防止する。従って、定電圧動作時に、電圧変動を防止できる。

抵抗ＲｈとコンデンサＣｈからなるハイパスフィルタのカットオフ周波数をｆｃｈとする。このｆｃｈより低い周波数では帰還回路９は動作を行わない。そのため、想定される最大負荷容量Ｃｌとシャント抵抗Ｒｓで決めるｆｃｌよりも低い周波数にｆｃｈを設定すれば、安定動作が期待できる。

ところが、ｆｃｈを必要以上に低くすると、負荷変動による電流変化時に、電流ｉｃが流れてしまい、ｖｏが変化してしまう。また、この変化する時間はｆｃｈによって決まるので、ｆｃｈが低ければ低いほど変化する時間も長くなってしまう。このため、ｆｃｈは安定の条件を満たす範囲でできるだけ高くすることが望まれる。このｆｃｈは負荷５の容量Ｃｌや抵抗Ｒｓの値とは無関係のため、ｆｃｌが高く、ループ全体の応答が速い場合も、ｆｃｌの帯域で電流変化時の過渡応答時間が制限されてしまう。結果的に負荷変動時の電圧セトリングに時間がかかってしまうことになる。そのため、通常、ｆｃｈは想定される負荷容量Ｃｌと抵抗Ｒｓで決定される最低カットオフ周波数ｆｃｌより若干小さい値に設定することが最適である。

さらに、電流過渡応答時には帰還回路９の動作は不必要であるので、一定電流以上になったら、電流ｉｃの電流値をクランプする回路を搭載してもよい。その場合は、電流変動に対するセトリングの大半はこの帰還回路９の影響を受けなくなり、高速動作が可能である。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、帰還回路９を図３，４に示す装置に適用してもよい。すなわち、出力電圧を検出してフィードバックをかけている経路と並列に帰還回路９を設ければよい。つまり、図３に示す装置の場合、帰還回路９の抵抗Ｒｃの他端をバッファアンプ２の非反転入力端子に接続する。そして、図４に示す装置の場合、帰還回路９の抵抗Ｒｃの他端を差動アンプ７の反転入力端子に接続する。また、図３に示す装置の可変抵抗部Ｒを可変としなくともよい。

また、電流検出としてシャント抵抗Ｒｓを用いた例を示したが、電流検出抵抗の電圧を帰還ループに接続できればよい。例えば、図２に示すようにシャント抵抗を構成してもよい。図２において、アンプ１０は、図１に示す装置のシャント抵抗Ｒｓの代わりに設けられ、負荷５に電流を供給する。バッファアンプ１１，１２は、それぞれ正の電源電圧Ｖ＋、負の電源電圧Ｖ−を入力する。シャント抵抗Ｒｓ＋，Ｒｓ−は、それぞれバッファアンプ１１，１２の出力端に一端を接続し、アンプ１０の正、負の電源端子に他端を接続する。差動アンプ９３，９４は、差動アンプ９１の代わりに、シャント抵抗Ｒｓ＋，Ｒｓ−ごとに設けられ、シャント抵抗Ｒｓ＋，Ｒｓ−の両端電圧を測定する。引き算回路９５は、差動アンプ９３，９４の出力同士を引き算し、コンデンサＣｈの一端に接続する。このように、シャント抵抗Ｒｓ＋，Ｒｓ−により電流を測定する構成を用いて帰還ループを行う構成してもよい。

本発明の一実施例を示した構成図である。 本発明の他の実施例を示した構成図である。 従来の電圧印加装置の構成を示した図である。 従来の電圧印加装置の他の構成を示した図である。

符号の説明

２，９２ バッファアンプ
３，７，８，９３，９４ 差動アンプ
４，１０，９１ アンプ
５ 負荷
９ 帰還回路
９５ 引き算器
Ｃ１，Ｃｈ コンデンサ
Ｃ２ 可変コンデンサ
Ｒ 可変抵抗部
Ｒｃ，Ｒｈ 抵抗
Ｒｓ，Ｒｓ＋，Ｒｓ− シャント抵抗

Claims (8)

1. 設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
   前記負荷に与える電流を測定するシャント抵抗と、
   このシャント抵抗の交流成分を検出し、交流成分の電流を帰還させる帰還回路と
   を備えたことを特徴とする電圧印加装置。
2. 設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
   前記誤差電圧を反転入力端子に入力し、非反転入力端子を接地し、前記出力電圧を出力する第１の差動アンプと、
   前記負荷に与える電流を検出するシャント抵抗と、
   このシャント抵抗の電流の交流成分を検出し、交流成分の電流を前記第１の差動アンプの反転入力端子に与える帰還回路と
   を設けたことを特徴とする電圧印加装置。
3. 設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
   前記誤差電圧を入力する第１のバッファアンプと、
   この第１のバッファアンプの出力を入力する抵抗部と、
   この抵抗部の出力を入力する積分回路と、
   この積分回路の出力を入力し、前記出力電圧を出力するアンプと、
   前記負荷に与える電流を検出するシャント抵抗と、
   このシャント抵抗の電流の交流成分を検出し、交流成分の電流を前記第１のバッファアンプに与える帰還回路と
   を設けたことを特徴とする電圧印加装置。
4. 設定電圧とフィードバックした出力電圧との誤差電圧により、負荷に電圧を与える電圧印加装置において、
   この誤差電圧を入力し、前記出力電圧を出力する積分回路と、
   前記負荷に与える電流を検出するシャント抵抗と、
   このシャント抵抗の電流の交流成分を検出し、交流成分の電流を前記積分回路に与える帰還回路と
   を設けたことを特徴とする電圧印加装置。
5. シャント抵抗は、出力電圧が与えられる経路上に設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電圧印加装置。
6. 帰還回路は、
   シャント抵抗の両端に入力端を接続する第２の差動アンプと、
   この第２の差動アンプの出力を入力するハイパスフィルタと、
   このハイパスフィルタの出力を入力する第２のバッファアンプと、
   この第２のバッファアンプの出力を入力し、電流に変換し出力する抵抗と
   を有することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の電圧印加装置。
7. シャント抵抗は、出力電圧を入力し、電流を供給し、負荷に出力電圧を与えるアンプの正、負の電源ライン上に設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電圧印加装置。
8. 帰還回路は、
   シャント抵抗ごとに、シャント抵抗の両端電圧を測定する第３の差動アンプと、
   この第３の差動アンプの出力同士を引き算する引き算器と、
   この引き算器の出力を入力するハイパスフィルタと、
   このハイパスフィルタの出力を入力する第２のバッファアンプと、
   この第２のバッファアンプの出力を入力し、電流に変換し出力する抵抗と
   を有することを特徴とする請求項７記載の電圧印加装置。
   

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