JP2012073723A - 電流設定回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧領域においても高精度に電流設定が可能な電流設定回路を提供する。
【解決手段】 基準電圧Ｖｉｓｅｔに基づいて出力アンプ１から負荷回路１００に出力した出力電流Ｉｏｕｔを差動アンプ２を用いて出力アンプ１に帰還させることにより出力電流Ｉｏｕｔを制御する電流設定回路において、
負荷回路１００の電圧Ｖｄｕｔに応じて差動アンプ２のコモンモード誤差Ｅｃを補正する補正部１０を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基準電圧に基づいて出力アンプから負荷回路に出力した出力電流を差動アンプを用いて出力アンプに帰還させることにより出力電流を制御する電流設定回路に関する。

図４は従来の電流設定回路の一例を示す図であり、負荷回路１００（たとえば半導体試験装置）に直流電流を供給するものである。

本図の電流設定回路は、出力アンプ１と、出力アンプ１と負荷回路１００の間に直列接続された抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１の両端の電位差を入力とする差動アンプ２を備えている。出力アンプ１は外部から電流設定用の基準電圧Ｖｉｓｅｔが入力され、この基準電圧Ｖｉｓｅｔに応じて出力電流Ｉｏｕｔを出力する。抵抗Ｒ１の両端に発生する電位差は出力電流Ｉｏｕｔに応じたものとなるため、差動アンプ２の出力Ｖ１は出力電流Ｉｏｕｔに応じたものとなる。この出力Ｖ１を帰還電圧として出力アンプ１の反転入力端子に負帰還をかける。出力アンプ１において、出力電流Ｉｏｕｔに応じた帰還電圧Ｖ１と基準電圧Ｖｉｓｅｔとの差電圧を増幅することにより、出力電流Ｉｏｕｔが制御される。なお、Ｖｄｕｔは負荷回路の電圧である。

電流設定に関する理論式は以下の通りとなる。
Ｖｉｓｅｔ≒Ｖ１ ・・・（１）
Ｖ１＝Ｒ１×Ｉｏｕｔ ・・・（２）
式（１）、式（２）より、
Ｖｉｓｅｔ≒Ｒ１×Ｉｏｕｔ ・・・（３）

ただし、基準電圧Ｖｉｓｅｔの出力誤差および抵抗Ｒ１の抵抗誤差によりゲインエラーが発生する。また、出力アンプ１において入力オフセット誤差が発生する。これらの誤差要因を差し引く意味で、上記ゲインエラーおよびオフセット誤差の補正値を考慮すると、式（３）は以下のようになる。
Ｖｉｓｅｔ＝α×（Ｒ１×Ｉｏｕｔ）＋β ・・・（４）
α：ゲインエラーの補正値、β：オフセット誤差の補正値

下記特許文献１には、負荷回路に出力された出力電流に応じた帰還電圧と基準電圧との差電圧を増幅することにより出力電流を定電流に制御する差動増幅回路を備える定電流源が記載されている。

特開平１１−２８１６８８号公報

しかしながら、差動アンプ２を設けることによって上記ゲインエラーおよびオフセット誤差は補正できるものの、電圧測定の入力が抵抗Ｒ１の両端の電位の差動入力であるために、差動アンプ２の出力にはコモンモード誤差Ｅｃが生じてしまう。そして、出力電流Ｉｏｕｔには、差動アンプ２の出力のコモンモード誤差Ｅｃに起因する電流設定誤差Ｉｅｒｒが生じてしまう。

電流設定誤差Ｉｅｒｒは負荷回路電圧Ｖｄｕｔに比例して生じるため、高電圧領域においては電流設定精度が大幅に低減してしまう。たとえば、近年需要が急激に増加している車載デバイスなどを負荷回路１００とした場合においては、負荷回路電圧Ｖｄｕｔは数十［Ｖ］〜数百［Ｖ］といった高電圧領域となる。

図５は負荷回路電圧Ｖｄｕｔと電流設定誤差Ｉｅｒｒの関係を示す図である。電流設定誤差Ｉｅｒｒは負荷回路電圧Ｖｄｕｔに比例して所定の傾きζで大きくなる。たとえば、負荷回路電圧Ｖｄｕｔ＝３Ｖの場合には電流設定誤差Ｉｅｒｒ＝ｔａｎζ×３となり、負荷回路電圧Ｖｄｕｔ＝３０Ｖの場合には電流設定誤差Ｉｅｒｒ＝ｔａｎζ×３０となる。このように、電流設定精度は、負荷回路電圧Ｖｄｕｔが大きくなるにつれて大幅に低減してしまう。

これら電流設定誤差Ｉｅｒｒは、差動アンプ２内部のトランジスタの特性のバラツキに起因するものであるため、ゼロにすることは困難である。トランジスタの特性を手動調整することでこれらの誤差を低減することは可能ではあるが、多大な工数がかかりコストアップとなってしまう。

そこで、本発明は、高電圧領域においても高精度に電流設定が可能な電流設定回路を提供することを目的とする。

このような課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
基準電圧に基づいて出力アンプから負荷回路に出力した出力電流を差動アンプを用いて前記出力アンプに帰還させることにより前記出力電流を制御する電流設定回路において、
前記負荷回路の電圧に応じて前記差動アンプのコモンモード誤差を補正する補正部を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、
請求項１に記載の電流設定回路において、
前記補正部は、
前記負荷回路にかかる負荷回路電圧を測定する電圧測定手段と、
前記負荷回路電圧と前記差動アンプのコモンモード誤差との関係を示す特性値を保持する特性値保持手段と、
前記電圧測定手段で測定された負荷回路電圧と前記特性値に基づいて、前記差動アンプのコモンモード誤差の補正値を求める補正値算出手段と、
この補正値に基づいて前記基準電圧を補正する基準電圧補正手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、
請求項２に記載の電流設定回路において、
前記電圧測定手段による測定動作の有効化／無効化を切り替える切替部を備えることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、
請求項２または３に記載の電流設定回路において、
前記特性値保持手段は、前記特性値として前記負荷回路電圧と前記コモンモード誤差との間の比例係数を保持することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
請求項２または３に記載の電流設定回路において、
前記特性値保持手段は、前記特性値として前記負荷回路電圧と前記コモンモード誤差との関係を示す数式を保持することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
請求項２または３に記載の電流設定回路において、
前記特性値保持手段は、前記特性値として前記負荷回路電圧と前記コモンモード誤差との関係を示すテーブルを保持することを特徴とする。

本発明によれば、負荷回路電圧に応じて差動アンプのコモンモード誤差を補正する補正部を備えることにより、高電圧領域においても高精度に電流設定が可能な電流設定回路を提供できる。

実施例１の電流設定回路を示す構成図である。 本発明における負荷回路電圧と電流設定誤差の関係を示す図である。 実施例２の電流設定回路を示す構成図である。 従来の電流設定回路の一例を示す図である。 従来の負荷回路電圧と電流設定誤差の関係を示す図である。

図１は本発明の実施例１の電流設定回路を示す構成図であり、図４に示す従来例に対し補正部１０を追加したものである。従来例と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。

補正部１０は、負荷回路電圧Ｖｄｕｔが入力されるオペアンプ３１と、このオペアンプ３１の出力をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器３２と、負荷回路電圧Ｖｄｕｔと差動アンプ２のコモンモード誤差Ｅｃとの比例係数ζを保持する特性値保持回路４と、Ａ／Ｄ変換器３２の出力に比例係数ζを乗算してコモンモード誤差Ｅｃに対する補正値γを求める乗算器５と、補正値γに基づいて基準電圧Ｖｉｓｅｔの補正を行う減算器６とを備えている。なお、オペアンプ３１とＡ／Ｄ変換器３２で負荷回路電圧を測定する電圧測定回路３を構成する。特性値保持回路４、乗算器５、減算器６はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）による演算処理で構成する。

オペアンプ３１は、負荷回路電圧ＶｄｕｔをボルテージフォロワによりＡ／Ｄ変換器３２に伝達する。Ａ／Ｄ変換器３２は負荷回路電圧Ｖｄｕｔの電圧値に応じたデジタル信号を生成し出力する（Ｖｍｅａｓ）。特性値保持回路４には、負荷回路電圧Ｖｄｕｔに対する差動アンプ２のコモンモード誤差Ｅｃの比例係数ζを保持させておく。比例係数ζは、負荷回路電圧Ｖｄｕｔの予定される電圧範囲において、あらかじめ測定して値を求めておく。

乗算器５は、Ａ／Ｄ変換器３２の出力Ｖｍｅａｓに比例係数ζを乗算することによりコモンモード誤差Ｅｃを求め、求めたコモンモード誤差Ｅｃを補正値γとして減算器６に出力する。
γ＝Ｖｍｅａｓ×ｔａｎζ ・・・（５）

減算器６は、出力アンプ１の入力段に設けられ、基準電圧Ｖｉｓｅｔから補正値γを減算することにより基準電圧Ｖｉｓｅｔの補正を行い、補正後の基準電圧Ｖｉｓｅｔ’を出力アンプ１に伝達する。
Ｖｉｓｅｔ’＝Ｖｉｓｅｔ−γ ・・・（６）
なお、Ｖｉｓｅｔ＝α×（Ｒ１×Ｉｏｕｔ）＋β ・・・（４）
α：ゲインエラーの補正値、β：オフセット誤差の補正値
式（６）の補正を行うことにより、出力電流Ｉｏｕｔから負荷回路電圧Ｖｄｕｔ依存のコモンモード誤差Ｅｃによる影響が補正される。

図２は本発明における負荷回路電圧Ｖｄｕｔと電流設定誤差Ｉｅｒｒの関係を示す図である。従来例は電流設定誤差Ｉｅｒｒが負荷回路電圧Ｖｄｕｔに対して所定の傾きζで大きくなるのに対し、本実施例では同じく傾きζで大きくなる補正値γにより基準電圧Ｖｉｓｅｔを補正することにより、電流設定誤差Ｉｅｒｒが負荷回路電圧Ｖｄｕｔによらず常に大幅に低減される。
たとえば、負荷回路電圧Ｖｄｕｔが３Ｖの場合にはＩｅｒｒ＝ｔａｎζ×３−γ≒０となる。負荷回路電圧Ｖｄｕｔがより高電圧の３０Ｖの場合であってもＩｅｒｒ＝ｔａｎζ×３０−γ≒０となる。

本実施例は以上のように構成され、
基準電圧Ｖｉｓｅｔに基づいて出力アンプ１から負荷回路１００に出力した出力電流Ｉｏｕｔを差動アンプ２を用いて出力アンプ１に帰還させることにより出力電流Ｉｏｕｔを制御する電流設定回路において、負荷回路１００の負荷回路電圧Ｖｄｕｔに応じて差動アンプ２のコモンモード誤差Ｅｃを補正する補正部１０を備えたことにより、高電圧領域においても高精度に電流設定ができる。

また、本実施例によれば、リアルタイムに負荷回路電圧Ｖｄｕｔの測定および基準電圧Ｖｉｓｅｔの補正を行うため、負荷回路電圧Ｖｄｕｔの急な変動にも対応できる。
また、負荷回路電圧Ｖｄｕｔは高い電圧測定精度が必要ではないため、オペアンプ３１とＡ／Ｄ変換器３２で電圧測定回路３を構成しているので、安価な汎用品を採用でき、コストを低減できる。

なお、本実施例では、特性値保持回路４に保持された特性値は負荷回路電圧Ｖｄｕｔとコモンモード誤差Ｅｃとの関係を示す比例係数ζであったが、特性値保持回路４に保持する特性値はこれに限らず、負荷回路電圧Ｖｄｕｔとコモンモード誤差Ｅｃとの関係を示す数式であってもよい。具体的には、特性値として負荷回路電圧Ｖｄｕｔを入力変数としコモンモード誤差Ｅｃを算出する数式を保持させておき、補正時には、乗算器５にて乗算演算を行う代わりに、数式の入力変数にＶｍｅａｓを代入してコモンモード誤差Ｅｃを算出する数式演算を行う。

また、特性値保持回路４に保持する特性値は、負荷回路電圧Ｖｄｕｔとコモンモード誤差Ｅｃとの関係を示すテーブルであってもよい。具体的には、特性値として負荷回路電圧Ｖｄｕｔとそれに対応する補正値γを保持させておき、補正時には、乗算器５にて乗算演算を行う代わりに、特性値保持回路４からＶｍｅａｓに対応する補正値γを読み出し減算器６に出力する処理を行う。

また、本実施例では、特性値保持回路４，乗算器５，減算器６をＦＰＧＡによるロジック演算処理で実現したが、実施形態はこれに限らず、アナログ回路で構成してもよいし、ソフトウェアによる演算処理で構成してもよい。

なお、負荷回路１００が半導体試験装置である場合には、通常、アナログコントローラとしてＦＰＧＡが採用されているため、既存の部品を利用することができ、新規部品追加によるコストアップのおそれがない。さらに、負荷回路１００が半導体試験装置である場合には、一般的に比例係数ζを別機能にて使用しているため、事前に取得されている場合も多く、本発明の既存システムへの適用が容易である。

本実施例の電流設定回路は、半導体試験装置をはじめ、車載デバイスなど、負荷回路電圧が高電圧領域となる一般用途の直流電源にも適用可能である。

本実施例における比例係数ζは本発明における負荷回路電圧Ｖｄｕｔと差動アンプ２のコモンモード誤差Ｅｃとの関係に相当し、電圧測定回路３は電圧測定手段に相当し、特性値保持回路４は特性値保持手段に相当し、乗算器６は補正値算出手段に相当し、減算器７は基準電圧補正手段に相当する。

図３は本発明の実施例２の電流設定回路を示す構成図である。本実施例は、前記実施例１における補正部１０を、切替部７を備える補正部１０’に置き換えたものである。実施例１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。

実施例１のように電圧測定回路３にＡ／Ｄ変換器を用いた場合には、出力電流Ｉｏｕｔの波形にシリアル転送のクロック起因のノイズが発生し、低ノイズが要求される測定条件においては使用できない。そこで、電圧測定回路３によるリアルタイムの電圧測定の有効化／無効化を設定可能とすることにより、低ノイズ性能が要求される条件においても使用可能な電流設定回路を実現する。

図３において、７は電圧測定回路３による測定動作の有効化／無効化を切り替える切替部である。切替部７は、測定動作の「有効」または「無効」を外部から設定できるように構成しておき、測定動作が「有効」に設定されている場合にはＡ／Ｄ変換器３２の読み込みトリガをEnableに設定する。測定動作が「無効」に設定されている場合には、切替部７はＡ／Ｄ変換器３２の読み込みトリガをDisableに設定し、イネーブル時に測定された負荷回路電圧Ｖｄｕｔの最終値をＡ／Ｄ変換器３２の出力値として保持させる。電流設定誤差Ｉｅｒｒの補正は、この負荷回路電圧Ｖｄｕｔの最終値に基づいて行われる。

本実施例は以上のように構成され、
電圧測定回路３による測定動作の有効化／無効化を切り替える切替部７を備えているため、電圧測定回路３を無効化するように切り替えることで電圧測定回路３由来のノイズを出力電流Ｉｏｕｔから排除でき、低ノイズ性能の要求に対応した電流設定回路を実現できる。

１ 出力アンプ
２ 差動アンプ
３ 電圧測定回路（電圧測定手段）
４ 特性値保持回路（特性値保持手段）
５ 乗算器（補正値算出手段）
６ 減算器（基準電圧補正手段）
１０ 補正部
１００ 負荷回路
Ｅｃ コモンモード誤差
Ｖｉｓｅｔ 基準電圧
Ｖｄｕｔ 負荷回路電圧

Claims (6)

1. 基準電圧に基づいて出力アンプから負荷回路に出力した出力電流を差動アンプを用いて前記出力アンプに帰還させることにより前記出力電流を制御する電流設定回路において、
   前記負荷回路の電圧に応じて前記差動アンプのコモンモード誤差を補正する補正部を備えたことを特徴とする電流設定回路。
2. 前記補正部は、
   前記負荷回路にかかる負荷回路電圧を測定する電圧測定手段と、
   前記負荷回路電圧と前記差動アンプのコモンモード誤差との関係を示す特性値を保持する特性値保持手段と、
   前記電圧測定手段で測定された負荷回路電圧と前記特性値に基づいて、前記差動アンプのコモンモード誤差の補正値を求める補正値算出手段と、
   この補正値に基づいて前記基準電圧を補正する基準電圧補正手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電流設定回路。
3. 前記電圧測定手段による測定動作の有効化／無効化を切り替える切替部を備えることを特徴とする請求項２に記載の電流設定回路。
4. 前記特性値保持手段は、前記特性値として前記負荷回路電圧と前記コモンモード誤差との間の比例係数を保持することを特徴とする請求項２または３に記載の電流設定回路。
5. 前記特性値保持手段は、前記特性値として前記負荷回路電圧と前記コモンモード誤差との関係を示す数式を保持することを特徴とする請求項２または３に記載の電流設定回路。
6. 前記特性値保持手段は、前記特性値として前記負荷回路電圧と前記コモンモード誤差との関係を示すテーブルを保持することを特徴とする請求項２または３に記載の電流設定回路。

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