JP2005172796A - 電流−電圧変換回路 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成で、演算増幅器の負荷を軽減し、リーク電流を防止しつつ、コン
デンサ１１の十分な放電を行うことができる電圧−電流変換器を提供する。
【解決手段】上記課題は、演算増幅器と、前記演算増幅器の入力端子および出力端子との
間に接続されたコンデンサとを有する電流−電圧変換回路において、前記入力端子に互い
に逆向きに接続された第１の一対のダイオードと、前記第１の一対のダイオードの各他端
に、前記第１の一対のダイオードと逆向きに接続された第２の一対のダイオードと、前記
第１の一対のダイオードの各他端に、互いに逆向きに接続された一対の電流源と、前記第
１の一対のダイオードの各他端に接続された一対のスイッチと、前記第２の一対のダイオ
ードの各他端と前記出力端子との間に接続された抵抗器とを有することを特徴とする電流
−電圧変換回路により解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は、積分回路を利用した電流−電圧変換回路に関し、特に積分コンデンサに蓄積された電荷を放電する手段を有する電流−電圧変換回路に関する。

積分回路を利用した電流−電圧変換回路は、電流量測定器や電荷量測定器などで使用されている。これは、図２の積分回路１に示すように、演算増幅器１０の反転入力端子と出力端子との間に積分コンデンサ１１を接続し、被測定電流源３からの電流によって積分コンデンサ１１を充電して、積分電圧Ｖを測定することによって電荷量を、積分電圧Ｖの変化を求めることによって電流量を測定する回路である。

コンデンサ１１を用いた積分回路で複数の測定を行う場合には、積分電圧Ｖが飽和しないように、測定毎にコンデンサ１１を放電させる必要がある。最も簡単な放電の方法はコンデンサ１１の両端にスイッチを接続し、放電時にスイッチをオンにして、コンデンサ１１の両端を短絡させる方法が考えられる。このような回路は装置構成が簡単である反面、スイッチとしてＦＥＴなどの電子的スイッチを用いると制御電極と被制御電極との間の容量により制御信号が被制御電極に現われ、コンデンサ１１に電荷注入が起こって十分な放電ができない。また、機械的スイッチを用いると電荷注入が起きないが、十分な動作速度が得られないという問題がある。

そこで、特許文献１では図２のように、スイッチ２０３の反転入力端子側にダイオード２００、２０１を設け、ダイオード２００、２０１の他端を定電圧に固定する方法が提案された。この回路では、スイッチ２０３の反転入力端子側は常に抵抗器２０２を介して接地されているため、接続点Ｊ１の電圧が０Ｖに固定される。ダイオード２００、２０１は、順方向にスレッショルド電圧（約０．６Ｖ）以上の電位が印加されると導通状態となるが、演算増幅器１０の反転入力端子は非反転入力端子と同電位の０Ｖとなり、接続点Ｊ１と同電位であるため、スイッチ２０３がオフの状態では安定的に非導通状態となって、被測定電流源３の流入を防止することができる。

ところが、スイッチ２０３がオンのときにも接続点Ｊ１、Ｊ２間にはスレッショルド電圧（約０．６Ｖ）が発生するため、コンデンサ１１両端間の電圧がスレッショルド電圧以下となるとダイオード２００、２０１が非導通状態となってしまう。このため、コンデンサ１１の両端電圧をスレッショルド電圧以下に放電することができない。

そこで、図３に示すような回路が提案された（特許文献２参照）。この回路では、接続点Ｊ１とＪ２の中点に正負の電源（＋Ｖと−Ｖ）を設け、電源から接続点Ｊ１、Ｊ２までのそれぞれ４個ダイオード２１０〜２１７のダイオードを設けてＪ１とＪ２の電圧を平衡させている。
コンデンサ１１を放電するためにスイッチ２２２、２２３をオンすると、電源＋Ｖからの電流は、ダイオード２１２と２１４に分流し、それぞれダイオード２１０、２１１、２１３の経路と、ダイオード２１６、２１７、２１５の経路の２つの経路により、電源−Ｖに流れ込む。このとき、接続点Ｊ１とＪ２は電源＋Ｖから同数のダイオードを経由していることから同電位となるため、コンデンサ１１は十分に放電されることになる。

一方、測定時（コンデンサ１１非放電時）には、スイッチ２２２、２２３がオフとなってダイオードに電流が流れなくなる。このとき、被測定電流源３側の接続点Ｅ、Ｆは、抵抗器２１８、２１９を介して接地されることから、図２の回路と同様に被測定電流源３からの電流の流入を防止することができる。

特開平５−１２６８６４号公報 特開２００２−２２１５４０号公報

このように、図３の回路は、被測定電流源３からの電流の流入を防止しつつ、コンデンサ１１を十分に放電できる特長をもつ反面、ダイオードを８つも使用するために回路構成が非常に複雑となる。しかも、接続点Ｊ１およびＪ２の電位を同電位に保つために、電気的特性がそろったダイオードを使用する必要がある。

この点、ダイオード２１２〜２１５を削除して回路を簡素化する方法が考えられる。しかし、ダイオード２１２〜２１５を削除すると、演算増幅器１０の出力電圧Ｖがダイオード２１６、２１７および抵抗器２１８、２１９を介して電流が流れることになる。このため、ダイオード２１０、２１１に大きな逆バイアスがかかり、演算増幅器１０の反転端子側に大きな漏れ電流が流れる。電荷または電流の測定中に、この漏れ電流による電荷がコンデンサ１１にチャージされると、測定精度が劣化するという問題が生じる。

本発明は、演算増幅器と、前記演算増幅器の入力端子および出力端子との間に接続されたコンデンサとを有する電流−電圧変換回路において、前記入力端子に互いに逆向きに接続された第１の一対のダイオードと、前記第１の一対のダイオードの各他端に、前記第１の一対のダイオードと逆向きに接続された第２の一対のダイオードと、前記第１の一対のダイオードの各他端に、互いに逆向きに接続された一対の電流源と、前記第１の一対のダイオードの各他端に接続された一対のスイッチと、前記第２の一対のダイオードの各他端と前記出力端子との間に接続された抵抗器とを有することを特徴とする電流−電圧変換回路により、上記課題を解決する。

本発明の電流−電圧変換回路により、簡単な回路構成でコンデンサ１１の十分な放電を行うことができる。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適実施形態となる検査装置および方法について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る電流−電圧変換回路の回路図を示す。電流−電圧変換回路は、積分回路１とリセット回路２から構成される。積分回路１は、演算増幅器１０と、演算増幅器１０の反転入力端子と出力端子との間に接続された１０ｐＦの積分コンデンサ１１とからなる。演算増幅器１０の入力端子には被測定電流源３が接続される。また、リセット回路２は、演算増幅器１０の入力端子に互いに逆向きに接続された一対のダイオード２３０、２３１と、ダイオード２３０、２３１の各他端にそれぞれ逆向きに接続されたダイオード２３２、２３３と、ダイオード２３０、２３２間、およびダイオード２３１、２３３間にそれぞれ接続点Ｅに流入およに接続点Ｆから流出する方向の電流を流す電流量２００μＡの定電流源２３４、２３５と、ダイオード２３０、２３２間、およびダイオード２３１、２３３間にそれぞれ接続されたＦＥＴスイッチ２４１、２４２と、ダイオード２３２、２３３と演算増幅器１０の出力端子間に接続された２ｋΩの抵抗器２４０により構成される。

なお、図１では、ＦＥＴスイッチ２４１、２４２は、回路の動作説明のためスイッチ成分２３６、２３７と、オン抵抗成分２３８、２３９に分けて図示してある。スイッチ２４１、２４２は、ＦＥＴに限られずアナログスイッチやリレーなどで実現してもよい。また、定電流源２３４、２３５は、定電圧源と抵抗器を直列接続して実現してもよい。

次に、回路の動作について説明する。積分回路１では、演算増幅器１０の反転入力端子がハイインピーダンス状態にあるため、被測定電流源３からの電流は積分コンデンサ１１に蓄積される。非反転端子が接地されていることから、反転端子も０Ｖとなり、被測定電流源３から供給された電荷量Ｑは、Ｑ＝Ｃ×Ｖ（Ｃはコンデンサ１１の容量、Ｖは演算増幅器１０の出力電圧）で求めることができる。また、電流量Ｉは電荷量Ｑの単位時間あたりの変化で求めることができるから、Ｉ＝Ｃ×ｄＶ／ｄｔで求めることができる。従って、出力電圧Ｖを測定することによって、被測定電流源３から供給された電荷量Ｑおよび電流量Ｉを測定することができる。

ところで、コンデンサ１１の容量、演算増幅器１０の出力電圧ともに有限であることから、連続して測定を行う場合には、適宜、コンデンサ１１の電荷を放電する必要がある。リセット回路２は、ＦＥＴスイッチ２４１、２４２が共にオフのときコンデンサ１１を放電し、共にオンのときに非放電状態となる。

まず、ＦＥＴスイッチ２４１、２４２が共にオンになると、電流源２３４、２３５からの電流は、それぞれＦＥＴ２４１、２４２を経由してアース２４４に流れる。ＦＥＴスイッチやアナログスイッチは約５０Ω程度のオン抵抗２３８、２３９があり、電流源２３４、２３５の電流が２００μＡであるため、オン抵抗２３８、２３９による電圧降下は約１０ｍＶ（＝５０Ω×２００μＡ）となる。オン抵抗２３８、２３９による電圧降下がダイオードのスレッショルド電圧（約０．６Ｖ）以下であるため、ダイオード２３０、２３１はオフの状態を維持する。一般に、電流源２３４、２３５の電流は約１２ｍＡ（＝０．６Ｖ／５０Ω）以下であれば、接続点Ｅ、Ｆの電圧は０．６Ｖ以下となり、ダイオード２３０および２３１はオフの状態が維持される。このため、被測定電流３の電流がリセット回路２に流入することを防止するとともに、電流源２３４、２３５から演算増幅器１０の入力端子へのリーク電流を抑えることができる。また、非放電時に電流源２３４、２３５からアースに電流を流し続けることにより、ノイズが発生しても接続点ＥおよびＦの電位を確実にダイオード２３０、２３１のスレッショルド電圧以下に維持することができ、ノイズ特性に強く、精度の高い測定を行うことができる。

他方、演算増幅器１０の出力端子側に接続されているダイオード２３２、２３３には、演算増幅器１０から抵抗器２４０を経由して、ダイオード２３２または２３３に電流が流れる。この電流が大きくなると演算増幅器１０の負荷が大きくなり、オン抵抗２３８、２３９による電圧降下がダイオード２３０、２３１のスレッショルド電圧を超えて電流源２３４、２３５からの電流がコンデンサ１１にリークしてしまうため、抵抗器２４０の抵抗値を内部抵抗２３８、２３９よりも十分大きな値とする必要がある。

次に、ＦＥＴスイッチ２４１、２４２が共にオフ、すなわちコンデンサ１１の放電時の動作について説明を行う。放電時にはＦＥＴスイッチ２３６、２３７がオフとなるため、電流源２３４からの電流はＦＥＴスイッチ２４１、２４２に流れ込むことができない。このため、電流源２３４からの電流はダイオード２３０と２３２に分流し、それぞれダイオード２３１と２３３を経由して電流源２３５に流れこむ。接続点Ｊ１とＪ２は、ともに接続点Ｅ、Ｆからダイオードのスレッショルド電圧だけ異なる電圧となるため、同電位となる。このため、コンデンサ１１の両端の電圧が同電位となり、コンデンサ１１に蓄積された電荷が２３０〜２３３のいずれかのダイオードを経由して放電される。このときコンデンサ１１からの電流は電流源２３４、２３５の電流よりも十分に小さく、各ダイオード２３０〜２３３の両端子間の電圧は電流量が変わってもほぼ一定の値を維持するため、コンデンサ１１からの電荷によって、接続点Ｊ１とＪ２の電圧の平衡状態が崩れることはない。このように、接続点Ｊ１とＪ２を安定的に同電位に維持することによって、コンデンサ１１を十分に放電することができる。

なお、本発明における被測定電流源３とは、自ら電流を供給する能動的な電流源のみならず、外部から電圧を印加することにより電流が流れる抵抗器やコンデンサなどの受動的な素子を含む。このような受動的な素子の測定においては、積分回路１およびリセット回路２の接地電位と被測定電流源３の接地電位との間に電源を挿入して測定を行う。例えば、抵抗器の抵抗値Ｒを測定する場合には、被測定電流源３の場所に抵抗器をセットし、積分回路１およびリセット回路２の接地部分に電源を挿入して、積分回路１およびリセット回路２の接地電位と被測定電流源３の接地電位との間の電位差Ｖｉｎを設ける。このとき演算増幅器１０の反転端子の電圧はＶｉｎとなることから、測定対象の抵抗器には電位差Ｖｉｎと抵抗値Ｒによって決まる定電流源Ｉ（Ｉ＝Ｖｉｎ／Ｒ）が流れる。すなわち、測定対象の抵抗器が上述した実施例と同様な電流源として働くことになる。この電流値Ｉを求めることによって、抵抗値Ｒを測定することができる。同様に、ＴＦＴアレイや半導体の測定の測定においては、積分回路１およびリセット回路２の接地電位と被測定電流源３の接地電位との間に電位差を設けることによって、実使用状態と同じバイアス電圧を印加して測定を行うことができる。
また、本実施例に使用した電圧値などの数値パラメータは単なる例示であって、測定対象や測定方式により任意に選択可能なものであり、特許請求の範囲を何ら限定するものではない。

本発明の実施例である電流−電圧変換器の回路図である。 背景技術欄記載の電流−電圧変換器の回路図である。 背景技術欄記載の電流−電圧変換器の回路図である。

符号の説明

１ 積分回路
２ リセット回路
３ 被測定電流源
１０ 演算増幅器
１１ 積分コンデンサ
２３０、２３１、２３２、２３３ ダイオード
２３４、２３５ 電流源
２４０ 抵抗器
２４１，２４２ ＦＥＴスイッチ

Claims (4)

1. 演算増幅器と、
   前記演算増幅器の入力端子および出力端子との間に接続されたコンデンサと、
   を有する電流−電圧変換回路において、
   前記入力端子に互いに逆向きに接続された第１の一対のダイオードと、
   前記第１の一対のダイオードの各他端に、前記第１の一対のダイオードと逆向きに接続
   された第２の一対のダイオードと、
   前記第１の一対のダイオードの各他端に、互いに逆向きに接続された一対の電流源と、
   前記第１の一対のダイオードの各他端に接続された一対のスイッチと、
   前記第２の一対のダイオードの各他端と前記出力端子との間に接続された抵抗器と、
   を有することを特徴とする電流−電圧変換回路。
2. 演算増幅器と、
   前記演算増幅器の入力端子および出力端子との間に接続されたコンデンサと、
   を有する電流−電圧変換回路において、
   一端が前記入力端子に互いに逆向きに接続された第１および第２のダイオードと、
   一端が前記出力端子に接続された抵抗器と、
   一端が前記第１のダイオードの他端に前記第１のダイオードと逆向きに接続され、他端
   が前記抵抗器の他端に接続された第３のダイオードと、
   一端が前記第２のダイオードの他端に前記第２のダイオードと逆向きに接続され、他端
   が前記抵抗器の他端に接続された第４のダイオードと、
   前記第１のダイオードの他端と第３のダイオードの一端に接続された第１のスイッチと
   、
   前記第１のダイオードの他端と第３のダイオードの一端に接続された第１の電流源と、
   前記第２のダイオードの他端と第４のダイオードの一端に接続された第２のスイッチと
   、
   前記第２のダイオードの他端と第４のダイオードの一端に接続された第４の電流源と、
   を有することを特徴とする電流−電圧変換回路。
3. 前記スイッチが、アナログスイッチであることを特徴とする請求項１または請求項２記
   載の電流−電圧変換回路。
4. 前記スイッチが、トランジスタであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の
   電流−電圧変換回路。
   
   
   
   
   

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