JP4122518B2 - 測定入力回路 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）イメージセンサをテストするＬＳＩテスタにおける被試験対象の出力信号の測定に用いられる測定入力回路に関し、特に直流成分を低減しつつ、ノイズの影響を抑制できる測定入力回路に関する。

一般に、半導体試験装置は、被試験対象（以下ＤＵＴともいう）であるＬＳＩ（Large Scale Integration）等に試験信号を出力し、そのＤＵＴから出力された信号によりＤＵＴの良否判定を行なうものである。

また、このＤＵＴから出力される信号は、ＣＤＳ（相関２重サンプル）回路やサンプルホールド回路等を介してＡ／Ｄ変換器に入力されるが、これらの回路の入力には必要に応じて測定入力回路が必要とされる。この様な測定入力回路は、汎用オシロスコープの入力回路にも使用されている。測定入力回路の例として非特許文献１のようなものがある。

"電圧プローブのディレーティング・カーブとプローブ補正について"、[ｏｎｌｉｎｅ]、１９９９年、日本テクトロニクス株式会社、[平成１６年５月１２日検索]、インターネット＜ＵＲＬ： http://www.tektronix.co.jp/Products/Measurement_Prod/App_notes/probe_volt_comp_deley.pdf＞

ところで、ＤＵＴから出力される信号は、大きなＤＣ（直流）成分が重畳されたＡＣ（交流）信号である。従って、このような信号をバッファするためには、ＡＣ成分のみならずＤＣ成分の電圧まで考慮した測定入力回路を設計する必要がある。

以下、図２を用いて従来の測定入力回路について説明する。抵抗１は、一端に入力信号ＩＮが入力される。抵抗２は、一端が、抵抗１の他端に接続され、他端が接地されている。コンデンサ３は抵抗１と並列に接続されている。コンデンサ４は、抵抗２に並列に接続されている。アンプ５の入力は、コンデンサ３とコンデンサ４の接続点に接続される。加算器６は、アンプ５の出力と直流成分をオフセットするＤＣオフセットとを加算し、出力する。

次に、この様な回路の動作を説明する。抵抗１、抵抗２は入力信号ＩＮを分圧する。この分圧された信号はアンプ５に入力される。その際、アンプ５の入力に並列に接続されたコンデンサ３、コンデンサ４は、各部の浮遊容量やアンプ５の入力容量によって発生するいわゆる波形なまりやオーバーシュートを防止する。加算器６は、アンプ５から出力された信号とＤＣオフセットを加算し、アンプ５の出力に現れる信号のうちＤＣ成分を除去し、図示しない測定回路に出力する。

ところで、図２の測定入力回路の出力に生じる波形は、ノイズ等の影響を抑え、アンプ５の入出力間で相似形であることが望ましい。

しかし、この測定入力回路では、抵抗１、２により入力信号ＩＮを分圧している。このため、アンプ５に入力される入力信号ＩＮの振幅が小さくなり、アンプ５の出力波形にノイズの影響が大きく表れて正確な測定ができなくなる問題点がある。

一方、このノイズの影響を低減するために、抵抗１、抵抗２で分圧しないで入力信号ＩＮをアンプ５に直接入力すると、アンプ５にＤＣ成分が大きい信号が入力されることになる。このため、高電圧で駆動するアンプ５が必要となり、アンプの消費電力が大きくなる等の測定入力回路設計の自由度を阻害する問題点が発生する。

他方、この様な問題を回避する為に、低電圧で駆動できるアンプ５の入力に直列にコンデンサを接続すると、ＤＣ成分は除去できるが、信号の低周波成分も除去されてしまうので、正確な測定ができなくなる問題点がある。

本発明は、これらの問題に着目したものであり、その目的は、直流成分を低減しつつ、ノイズの影響を抑制できる測定入力回路を提供することである。

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、
入力信号に直流オフセット電圧を加算するＤＣ成分加算部と、
前記入力信号が一端に入力されるコンデンサと、
このコンデンサの他端が一端に接続され、前記ＤＣ成分加算部の出力が他端に入力され、一端から出力を行なう抵抗を設け、
前記ＤＣ成分加算部は、
入力信号と直流オフセット電圧とを分圧する分圧抵抗と、
この分圧抵抗の分圧を入力し、増幅して、抵抗の他端に出力するアンプと
を有する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
分圧抵抗とアンプの間に設けられる第１のスイッチを設け、前記第１のスイッチのオフ時に、分圧抵抗の直流オフセット電圧の入力端で、入力信号の直流電圧を測定し、直流オフセット電圧を求める。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、
抵抗の他端をグランド電位にする第２のスイッチを設ける。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
アンプは、分圧抵抗の分圧比の逆数のゲインである。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１又は２記載の発明では、コンデンサと抵抗とにより、ハイパスフィルタ、ロウパスフィルタを構成し、ハイパスフィルタ側に入力信号を入力し、ＤＣ成分加算部が、入力信号と直流オフセット電圧とを加算し、ロウパスフィルタ側に入力するので、直流成分を低減し、ノイズの影響を抑制することができる。

請求項３記載の発明では、
分圧抵抗とアンプの間に第１のスイッチを設けたので、直流オフセット電圧を求めることができる。

請求項４記載の発明では、
抵抗の他端をグランド電位にする第２のスイッチを設けたので、直流成分を低減しつつ、ノイズの影響を抑制できる。

以下、図１を用いて本発明の実施形態を説明する。コンデンサ１０は、一端に入力信号ＩＮが入力される。アンプ１１は、入力がコンデンサ１０の他端に接続され、出力が図示しない測定回路、例えばサンプルホールド回路、Ａ／Ｄ変換器、ＣＤＳ回路等に接続される。

抵抗１２は、一端にコンデンサ１０の一端が接続される。抵抗１３は、一端に抵抗１２の他端が接続され、他端にＤＣオフセット信号ＤＣＩＮが入力される。ここで、抵抗１２、抵抗１３の値は、ノイズの増加を抑えると同時に、ＤＣオフセット信号のスケールを、入力信号ＩＮと合わせる為、ほぼ同じ値からなる。

スイッチ１４は、可動接点に抵抗１２の他端が接続される。スイッチ１５は、可動接点がグランドに接地され、固定接点にスイッチ１４の固定接点が接続される。

アンプ１６は、入力にスイッチ１４の固定接点が接続される。ダイオード１７は、アノードにアンプ１６の入力が接続され、カソードに図示しない正電源（例えば、＋５Ｖ）が接続される。ダイオード１８は、アノードに図示しない負電源（例えば、−５Ｖ）が接続され、カソードにアンプ１６の入力が接続される。抵抗１９は、一端にアンプ１６の出力が接続され、他端にアンプ１１の入力が接続される。

ここで、コンデンサ１０と抵抗１９は、入力からコンデンサ１０を介して出力される信号に対してはハイパスフィルタを構成し、アンプ１６の出力信号に対してはローパスフィルタを構成する。また、抵抗１２、１３、スイッチ１４、１５、アンプ１６、ダイオード１７、１８は、入力信号に直流オフセット電圧を加算するＤＣ成分加算部を構成する。そして、抵抗１２、１３は、入力信号と直流オフセット電圧とを分圧する分圧抵抗を構成する。

次に、図１の動作を説明する。先ず、スイッチ１４がオン、スイッチ１５がオフの場合の動作について説明する。図１の接点Ａの電圧を求める。入力信号ＩＮの電圧をＶＩＮ、ＤＣオフセット信号ＤＣＩＮの電圧をＶＤＣ、抵抗１２、１３の抵抗値をＲ１２、Ｒ１３、抵抗１２を流れる電流をｉとし、接点Ａの電圧をＶＡとすると、

（ＶＩＮ−ＶＤＣ）＝ｉ（Ｒ１２＋Ｒ１３） ・・・・（１）
ＶＡ＝ＶＤＣ＋ｉ・Ｒ１３

上式を変形すると、
ｉ＝（ＶＡ−ＶＤＣ）／Ｒ１３ ・・・・（２）
式１に式２を代入すると、
（ＶＩＮ−ＶＤＣ）＝（ＶＡ−ＶＤＣ）（Ｒ１２＋Ｒ１３）／Ｒ１３
これを変形してＶＡを求めると、
ＶＡ＝（Ｒ１２・ＶＤＣ＋Ｒ１３・ＶＩＮ）／（Ｒ１２＋Ｒ１３） ・・・・（３）
となる。

ここでアンプ１６のゲインを、（Ｒ１２＋Ｒ１３）／Ｒ１３に設定すると、アンプ１６の出力であるＶＢの電圧は、以下の様に求められる。
ＶＢ＝ＶＡ・（Ｒ１２＋Ｒ１３）／Ｒ１３
ＶＡに式（３）を代入してこれを計算すると、

ＶＢ＝ＶＩＮ＋（Ｒ１２／Ｒ１３）ＶＤＣ
となる。次に接点Ｃの電圧ＶＣを求める。アンプ１６の出力が接点Ｃを介して発生する電圧は、入力信号ＩＮの信号源（例えばＤＵＴ）の出力インピーダンスが十分低いと仮定すると抵抗１９とコンデンサ１０の分圧と考えることができるため、

ＶＢ・（（１／Ｃ１０・ｓ）／（（１／Ｃ１０・ｓ）＋Ｒ１９） ・・・・（４）
となる。ただし、ｓはラプラス演算子であり、Ｒ１９は抵抗１９の抵抗値、Ｃ１０はコンデンサ１０の容量値で、浮遊容量やアンプ１６の入力容量と比べて十分大きいものとする。ここで接点Ｂから観て、抵抗１９とコンデンサ１０は、ローパスフィルタを構成していることになるので、接点Ｃには低周波成分のみが現れることになる。

一方、入力からコンデンサ１０を介して接点Ｃに表れる電圧は、コンデンサＣ１と抵抗１９の分圧と考えることができるため、
ＶＩＮ・（Ｒ１９／（（１／Ｃ１０・ｓ＋Ｒ１９） ・・・・（５）
となる。ただし、アンプ１６の出力インピーダンスは十分低い。ここで入力から観てコンデンサ１０と抵抗１９は、ハイパスフィルタを構成していることになるので、接点Ｃには、高周波成分のみが現れることになる。

よって、接点Ｃの電圧は分離して求めた式（４）と（５）を足し合わせた値となるので、以下の様に求めることができる。接点Ｃの電圧をＶＣとすると、
ＶＣ＝ＶＩＮ＋ＶＤＣ・（Ｒ１２／Ｒ１３）・（（１／Ｃ１０・ｓ）／（（１／Ｃ１０・ｓ）＋Ｒ１９） ・・・・（６）
となる。

式（６）では、第１項に入力信号ＩＮが再現できている。また、第２項は、オフセット電圧としてＤＣオフセット信号ＤＣＩＮの電圧を加えた項である。この第２項によって、ＤＣオフセット信号ＤＣＩＮの電圧を変化させることにより、自由に入力信号ＩＮに対してＤＣオフセットを加えることができる。

この動作を利用してアンプ１１、アンプ１６が飽和しないようにＤＣオフセット信号ＤＣＩＮを調整する。ここでＤＣオフセット信号ＤＣＩＮはＤＣ電圧なので、式（６）の第２項においてｓ→０とすると、ＶＣの電圧は、

ＶＣ＝ＶＩＮ＋（Ｒ１２／Ｒ１３）・ＶＤＣ
となる。

また、スイッチ１４をオフすることによりＤＣＩＮ側から入力信号ＩＮに重畳されているＤＣ電圧を読み取ることもできる。ここで、ＤＣＩＮから読み取った電圧をＶＩＮｄｃとし、ＤＣオフセット信号ＤＣＩＮの電圧が自由に設定できることを利用してＤＣＩＮに対して
−（Ｒ１３／Ｒ１２）・ＶＩＮｄｃ
なる電圧を設定すると、

ＶＣ＝ＶＩＮ＋（Ｒ１２／Ｒ１３）・（−Ｒ１３／Ｒ１２）・ＶＩＮｄｃ
＝ＶＩＮ−ＶＩＮｄｃとなる。
このように、入力信号ＩＮに含まれるＤＣ成分を完全に除去することができる。

次に、スイッチ１４をオフし、スイッチ１５をオンする場合の動作について説明する。

スイッチ１５の可動接点は接地されているため、スイッチ１５をオンするとアンプ１６の出力電圧は０Ｖとなる。従って、接点Ｃには、コンデンサ１０を介して出力された高周波成分の信号しか伝達されない。

この様にして、入力信号の高周波成分と低周波成分を分離して伝達した後、接点Ｃでこれらの成分を結合する。

このように、コンデンサ１０と抵抗１９とにより、ハイパスフィルタ、ロウパスフィルタを構成し、ハイパスフィルタ側に入力信号ＩＮを入力し、ＤＣ成分加算部が、入力信号ＩＮとＤＣオフセット信号ＤＣＩＮの電圧とを加算し、ロウパスフィルタ側に入力するので、直流成分を低減し、ノイズの影響を抑制することができる。さらに、ＤＣ成分加算部が、ＤＣオフセット信号ＤＣＩＮを加算するので、アンプ１１の入力に大きな電圧が入力されることがない。従って、アンプ１１の駆動電圧に大きな電圧が必要とされることが無い。

また、入力波形をＤＣオフセット信号ＤＣＩＮによる電圧だけシフトした状態で再現できるので、低周波、直流成分の正確な測定を行なうことができる。

また、コンデンサ１０、抵抗１９は、誤差が大きい部品を使用してもハイパスフィルタ側の高周波成分とハイパスフィルタと同一部品で構成されたロウパスフィルタ側の低周波成分とを合わせるので、誤差がキャンセルされる。すなわち、誤差が大きい部品が使用できるので、安価に構成することができる。

また、アンプ１６の入力にダイオード１７、１８を設けたので、測定入力回路への過電圧の入力を防止できる。

また、抵抗１２、抵抗１３の値をほぼ同じ値とすることにより、入力信号ＩＮの分圧比を低く抑える（すなわち、アンプ１６の増幅率を低く抑える）と、ノイズ成分の増大を防ぐ事ができ、Ｓ／Ｎ比の悪化を防止できる。

なお、本実施例では半導体試験装置の測定入力回路を例にとり説明したが、これに限定されるものではない。例えば、オシロスコープのプローブに用いても差し支えない。

また、本実施例におけるアンプ１１、アンプ１６は、オペアンプによる非反転増幅器の他、ＦＥＴによるソースフォロア回路、バイポーラトランジスタによるエミッタフォロア回路で構成しても差し支えない。

また、スイッチ１５は、抵抗１２、抵抗１３の接続点とアンプ１６との間に固定接点を接続する構成を示したが、抵抗１９の一端に固定接点を接続する構成でもよい。

また、スイッチ１４、１５は、フォトモススイッチを使用しても差し支えない。また、スイッチ１５は、グランドに接続する構成を示したが、アンプ１１等によるオフセット電圧を補正する電位に接続する構成にしてもよい。すなわち、所望の電位にスイッチ１５の可動接点を接続する。

本発明の測定入力回路の構成図である。 従来の測定入力回路の構成図である。

符号の説明

１０ コンデンサ
１１、１６ アンプ
１２、１３、１９ 抵抗
１４、１５ スイッチ

Claims (4)

1. 入力信号に直流オフセット電圧を加算するＤＣ成分加算部と、
   前記入力信号が一端に入力されるコンデンサと、
   このコンデンサの他端が一端に接続され、前記ＤＣ成分加算部の出力が他端に入力され、一端から出力を行なう抵抗を設け、
   前記ＤＣ成分加算部は、
   入力信号と直流オフセット電圧とを分圧する分圧抵抗と、
   この分圧抵抗の分圧を入力し、増幅して、抵抗の他端に出力するアンプと
   を有することを特徴とする測定入力回路。
2. 分圧抵抗とアンプの間に設けられる第１のスイッチを設け、前記第１のスイッチのオフ時に、分圧抵抗の直流オフセット電圧の入力端で、入力信号の直流電圧を測定し、直流オフセット電圧を求めることを特徴とする請求項１記載の測定入力回路。
3. 抵抗の他端を所望の電位にする第２のスイッチを設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の測定入力回路。
4. アンプは、分圧抵抗の分圧比の逆数のゲインであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の測定入力回路。

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