JP5037575B2 - オートレンジ電流検知回路 - Google Patents

Description

本発明は、電気計測装置に関し、特に、電流を測定するのに使用されるオートレンジ変更回路に関するものである。

電流を定める従来方法、所謂フィードバック方法が図４に示されている。被試験物の如き負荷装置（ＤＵＴ）１００は、増幅器１０１の出力部から電流Ｉoutを取り出す。電流Ｉoutは、抵抗器１０２の両端間に電圧ＶＩを発生する。電流Ｉoutは、電圧ＶＩに比例し、抵抗器１０２間の電圧ＶＩの測定に基づいて定められる。

増幅器１０１の飽和電圧は、図４の回路を用いて正確に測定することができる電流Ｉoutのレベルを制限する。電圧ＶＩがＤＵＴ１００によって取り出された増加電流Ｉoutによって上昇するにつれて、増幅器１０１の飽和電圧に接近する。増幅器１０１のフィードバック回路内やフィードバック回路外に選択的に切り替えることができる追加抵抗器を追加すると、増幅器１０１の飽和電圧より低い所望の電圧レンジ内に電圧ＶＩを維持しつつ、電流レンジを測定することができる。このような回路が図５に示されている。複数のスイッチ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、それぞれ、増幅器の１０１のフィードバック回路の内外に抵抗器Ｒo１０６、Ｒl１０８及びＲｎ１１０を切り替える。各抵抗器１０６、１０８、１１０は、それぞれ、それが電流Ｉｏｕｔの特定のレンジであろうがなかろうが、所望のレンジ内の電圧測定を行うような大きさとなっている。スイッチ１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃは、選択的に起動されて、電流Ｉｏｕｔのレベルに基づいて、抵抗器１０６、１０８、１１０をフィードバック回路の内外に切り替える。典型的には、１つの抵抗器１０６、１０８、１１０のみが一度にフィードバック回路内に切り替えられる。電流Ｉｏｕｔが増加する場合、小さい方の抵抗器がフィードバック回路に切り替えられ、大きい方の抵抗器がフィードバック回路から切り外されて、電圧ＶＩを所望のレンジ内に維持する。しかし、増幅器１０１は、小さい方抵抗器がフィードバック回路に切り替えられる前に飽和することがあり、これは、望ましくない。電流Ｉｏｕｔが減少する場合、大きい方の抵抗器がフィードバック回路に切り替えられて小さい方の抵抗器がフィードバック回路から切り外される。大きい方の抵抗器をフィードバック回路に切り替えると、増幅器１０１の出力部で電圧ＶＩの突然変化が必要となり、その結果、回路の出力ノード１１２(Ｖｏｕｔ)で望ましくないグリッチが生ずることになる。

特開昭６３−８２３７７号公報 特公平１０−１０１６２号公報

本発明が解決しようとする課題は、出力ノードで電圧グリッチが生ずることがないオートレンジ変更回路を提供することにある。

所望のレンジを有する測定装置用のレンジ変更回路は、段階的に値が異なる（ｇｒａｄｕａｔｅｄ）多数のインピーダンス群を含んでいる。第1の増幅器は、このインピーダンス群の少なくとも１つのインピーダンスに電圧を供給する。電圧検知兼制限スイッチが第１の増幅器のフィードバック経路に設けられている。このスイッチは、それによって検知される検知電圧に応答してこの少なくとも１つのインピーダンスに供給される電圧を制限する。所望のレンジの電圧は、スイッチの動作に基づいてインピーダンス群の他の異なる１つのインピーダンスの両端に現われる。所望のレンジの電圧が前記の他の異なった1つのインピーダンスに現れると、第２の増幅器は、スイッチの動作に基づいて、この他の異なった1つのインピーダンスに電流を供給する。

被試験物上で測定を行なうための測定系統は、第１の動作モードで被試験物に電圧信号を供給したり第２の動作モードで被試験物に電流信号を供給したりして選択する電源測定ユニット（ソース測定ユニット）（ｓｏｕｒｃｅ−ｍｅａｓｕｒｅ ｕｎｉｔ）を含んでいる。この測定系統は、所望の電圧レンジを有する自動レンジ変換用の電流・電圧コンバータ回路を含んでいる。このコンバータ回路は、値が順次変化する多数のインピーダンス群と、このインピーダンス群のうち少なくとも１つのインピーダンスに電圧を供給する第１の増幅器と、第２の増幅器と、第１の増幅器のフィードバック経路に設けられた電圧検知兼制限スイッチとを有している。このスイッチは、それによって検知された検知電圧に応答して前記の少なくとも１つのインピーダンスに供給される電圧を制限する。所望の電圧レンジの電圧は、スイッチの動作に基づいて、インピーダンス群の他の異なる１つのインピーダンスの両端に現われる。所望の電圧レンジの電圧が前記の他の異なる１つのインピーダンスの両端に現れると、スイッチの動作に基づいて、第２の増幅器は、前記の他の１つのインピーダンスに電流を供給する。

所望のレンジを有するフィードバック型電流測定装置用の自動レンジ変更回路は、一連の連続する関係で多数のインピーダンス素子群を含んでいる。これらのインピーダンス素子のインピーダンス値は、上流側の高い値から下流側の低い値までの次第に変化する範囲を有する。この回路は、インピーダンス素子群のうち少なくとも２つのインピーダンス素子の各々の電圧検知ドライバーを含んでいる。このドライバーによって電圧制限が検知されない限り、上流側のドライバーは、そのそれぞれのインピーダンスといずれかの下流側のインピーダンスとを経て電流を駆動する。電圧制限が検知されると、次の下流側のドライバーはオフモードから切り替わってそれぞれのインピーダンス及びいずれかの下流側インピーダンスを経て電流を駆動し、それによって回路は、所望のレンジを付与する。

一例としての自動レンジ回路の回路図である。 他の例としての自動レンジ回路の回路図である。 自動レンジ回路を有する一例としての電源-測定ユニットの回路図である。 先行技術による装置の回路図である。 先行技術による装置の回路図である。

本発明は、電気計測装置に関し、特に種々のレベルの電流を定めるのに用いられる自動レンジ変更回路に関するものである。本発明を、図面を参照して以下に述べるが、全体を通じて同様の素子には同様の参照符号が用いられている。本発明を完全に理解することができるようにするため、以下の記述では、本発明の説明の目的のために、多数の特定の詳細な記載がある。しかし、本発明がこれらの特定の記載がなくても実施することができることは、明白である。更に、本発明の他の実施例は可能であり、また、本発明は、ここに記載された方法以外の方法で実施することができる。本発明を記載するのに用いられる用語や語法は、本発明の理解を促進する目的で使用され、これに制限されるべきではない。

ＤＵＴ２によって取り出される電流Ｉｏｕｔを所望のレンジ内の電圧に変換する２−レンジフィードバック型オートレンジ回路１が図１に示されている。２つの抵抗器Ｒｌ（４）、Ｒ０（６）がインピーダンス群を形成し、一連の連続する関係にある。実施例では、抵抗器の値は等式:Ｒ１＝(ｋ¹-１)Ｒ０によって定められ、この式において「ｋ ¹ 」は、各抵抗器４、６で測定されるべき電流レンジの比率である。抵抗器Ｒ１（４）は、抵抗器Ｒ０（６）よりも大きく、低い電流レンジを付与する。抵抗器Ｒ１（４）の両端に現われる電圧又は抵抗器Ｒ１（４）とＲ０（６）との両方を横切って現れる電圧Ｖ _I1は、低いレンジの電流レベル用ＤＵＴ２の電流を定めるように測定される。抵抗器Ｒ０（６）は、高い電流レンジを付与する。また、抵抗器Ｒ０（６）を横切って現れる電圧Ｖ _I0は、高レンジの電流レベル用のＤＵＴ２の電流を定めるように測定される。

ＤＵＴ２を流れる電流Ｉoutは、回路１の出力ノード８から流れる。出力ノード８の電圧Ｖoutは、約０ボルトであると認められる。

電流Ｉoutが低レンジから高レンジに増加するときに生ずるオートレンジ動作を述べると、ＤＵＴ２によって引き出される電流が増加すると、出力ノード８で電圧Ｖoutが低下する。反転用増幅器１０は、電圧Ｖoutの反転バージョンの電圧Ｖoutを増幅器１２の非反転入力に供給する。Ｖoutが減少すると、反転用増幅器１０の出力が増加する。反転用増幅器１０の出力が増加すると、増幅器１２の出力の電圧Ｖ _I1が増加し、その結果、抵抗器Ｒｌ（４）及び抵抗器Ｒｏ（６）を流れる電流が増加させられる。抵抗Ｒ１、Ｒ０を流れる電流が増加すると、出力ノード８の電圧Ｖoutは、約０ボルトに戻るように駆動される。電圧Ｖ１０も増加するが、これは、電圧Ｖ _I1 の変化の１/kでのみある。

他の増幅器１４が寄せ集めノード１６で増幅器１２の反転用入力に接続される非反転入力を有する。増幅器１４の反転用入力は、接地に接続される。(本明細書で使用されているように「接地」という用語は、回路の基準ポテンシャルを意味し、「アース」の電位であってもよいし、そうでなくてもよい)。回路１が低い電流レンジで作動する場合、寄せ集めノード１６は、仮想接地であり、増幅器１４の出力部から反転用増幅器１８、抵抗器Ｒ２（２０）を経てフィードバック制御される。

上記したように、ＶoutがＤＵＴ２によって引き出される電流の増加によって減少すると、Ｖ _I1とＶ _I0との両方の電圧レベルが増加する。Ｖ _I0が増加すると、バッファー２２は、抵抗器Ｒ２（２４）を経て寄せ集めノード１６に電流を流れ込ませる。反転用増幅器１８は、抵抗器Ｒ２（２０）を経て寄せ集めノード１６から等しい電流を引き込む。寄せ集めノード１６にバランスされた電流が入ったり出たりすると、増幅器１４の出力は、電圧Ｖ _I0と等しい電圧レベルを有することになることが認識されるべきである。従って、増幅器１４の出力部に接続されているダイオード対３０間の電位差がないので、このダイオード対３０が保護される。

ツェナーダイオード対３２は、増幅器１２の出力部とその反転用入力部との間でこの増幅器１２のフィードバック経路となるように配置されている。電流Ｉoutが増加し続けると、増幅器１２の出力部の電圧Ｖ _I1は、ツェナーダイオード対３２のクランプ電圧に達するまで増加する。ツェナーダイオード対３２は、抵抗器Ｒ１に供給される電圧Ｖ _I1を検知しこの電圧Ｖ１１がツェナークランプ電圧に達した時に、オンに切り替えることによって電圧Ｖ _I1を制限する。電圧Ｖ _I1がクランプ電圧に等しく、ツェナーダイオード対３２がオンに切り替わると、増幅器１２は、寄せ集めノード１６を制御し、この寄せ集めノード１６を反転用増幅器１０の出力と等しい電圧レベルに強制的にする。増幅器１４が出力を増加すると、遂に、この増幅器はダイオード対３０をターンオンし、抵抗器Ｒ０（６）を経てＤＵＴ２に電流を供給し始め、それによって出力ノード８で電圧Ｖoutが制御される。増幅器１２が寄せ集めノード１６を制御し、増幅器１４がＤＵＴ２に電流を供給すると、回路１は、オートレンジ動作を行って低レンジから高レンジに切り替える。この時、電圧Ｖ _I0は、所望のレンジにあり、この電圧Ｖ１０が電圧Ｖ _I1に代わって測定されてＤＵＴ２の電流を定めることができる。回路１によって行なわれるオートレンジ動作によって、出力ノード８で電圧グリッチの発生が生ずることがありそうにない。

ツェナーダイオード対３２は、電圧検知兼制限スイッチの１つの例である。電圧検知兼制限スイッチの他の形式は、電圧制御トランジスター又はソリッドステートリレーの如きもので増幅器１２のフィードバック経路に設けられる。

オートレンジ回路１は、抵抗器Ｒ１（４）及びＲ０（６）の各々に電圧検知ドライバーを付与することが認識されるべきである。抵抗器Ｒ１（４）用のドライバーは、電圧制限がこのドライバーによって検知されない限り、抵抗器Ｒ１（４）、その下流の抵抗器Ｒ０（６）、ＤＵＴ２を経て電流を駆動する。抵抗器Ｒ１（４）用のドライバーによって電圧制限が検知されると、回路１は、オートレンジ動作を行い、抵抗器Ｒ０用ドライバーは、抵抗器Ｒ０（６）に電流を供給しない「オフモード」から切り替わり、ＤＵＴ２を「オンモード」にする。抵抗器Ｒ０用ドライバーが「オンモード」に切り替わると、このドライバーは、抵抗器Ｒ０（６）及びＤＵＴ２を流れる電流を駆動する。ダイオード対３０を横切る電位差がない「オフモード」の時に、抵抗器Ｒ０（６）用ドライバーは、保護される。

上記したように、図１に示される回路１は、２―レンジの電流測定を行う。図２を参照すると、オートレンジ回路１内のサブ回路３４を所望の通りのコピーすることによって、追加のレンジの電流測定を行うことができることが認識されるべきである。図２の回路は、値が順次変化する多数のインピーダンス、例えば値が順次増加する抵抗器３５、３６、３７から成るインピーダンス群を含み、この値は、Ｒ _s+n ＝（ｋⁿ−ｋ^n-1）Ｒ _s の如き式で定めることができる。この式において、「ｋ」は、各抵抗器３５、３６、３７で測定されるべき電流レンジの比率である。抵抗器３５は、インピーダンス群の最大の抵抗器であり、インピーダンス群及びＤＵＴ２を流れる電流に対して抵抗器３６、３７の上流側に位置する。抵抗器３７は、インピーダンス群の中で最も小さな抵抗器であり、抵抗器３５、３６の下流側に位置する。インピーダンス群内に現われた電圧は、ＤＵＴ２の電流を決定するために監視することができる。また、インピーダンス群は、オートレンジによって電圧を所望のレンジ内に維持する。高い電流レンジは、抵抗器３７によって付与され、低い電流レンジは、抵抗器３５によって付与される。中間の電流レンジは、抵抗器３６によって付与される。オートレンジ回路１内にサブ回路３４をコピーすることによって更に追加の中間の電流レンジを付与することができる。

図３を参照すると、ソース−測定ユニット（又は電源-測定ユニット）（ＳＭＵ）３８の一例が示されている。ＳＭＵ３８は、第１の動作モードでＤＵＴ２に電圧信号を供給し、第２の動作モードでＤＵＴ２に電流信号を供給する。ＳＭＵ ３８の動作モードは、２つの単極双投(フォームＣ)スイッチ４０ａ、４０ｂの状態によって決定される。フォームＣスイッチ４０ａ、４０ｂが図３に示されるような下方位置にあると、ＳＭＵ３８は第１の動作モードにあって電圧源３９によってＤＵＴ２に電圧信号を強制する。フォームＣスイッチ４０ａ、４０ｂが上向位置にあると、ＳＭＵ３８は、第２の動作モードにあって電流源４１によってＤＵＴ２に電流信号を強制的に流す。

図示のように、ＳＭＵ３８は、第１の動作モードの時に電流を電圧に変換する３−レンジオートレンジ回路を含んでいる。３−レンジのオートレンジ回路は、ＳＭＵ３８によって使用するためのオートレンジ回路の一例である。オートレンジ回路は、追加のレンジサブ回路によってどんな数の測定レンジでも提供することができることが認識されるべきである。

ＳＭＵ３８が第１の動作モードにある時、ＤＵＴ２によって引き出される電流Ｉoutは、抵抗器３５、３６、３７のインピーダンス群内に現れる電圧Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃を測定することによって決定することができる。測定されるべき電圧Ｖ１、Ｖ２又はＶ３は、電流Ｉoutが属するレンジ(例えば、高、中又は低のレンジ)に基づく。電流Ｉoutが高いレンジにある時、電圧Ｖ１が所望のレンジにあり、電流Ｉoutが中レンジにある時、電圧Ｖ２が所望のレンジにあり、電流Ｉoutが低レンジにある時、電圧Ｖ₃が所望のレンジにある。抵抗器３５、３６、３７で電圧測定を直接行う必要はないが、ノード４２(バッファー４４の出力部)及びノード４６(バッファー４８の出力部)のように、抵抗器で電圧の仮想バージョンを有するノードで電圧測定を行うことができることが認識されるべきである。

ＳＭＵ３８が第２の動作モードにあり、ＤＵＴ２を流れる電流信号を供給している場合には、オートレンジは望ましくない。ＳＭＵ３８が第２の動作モードにある時に、ツェナーダイオード対３２を短絡させるためにツェナーダイオード対３２に電気的に並列であるスイッチ５０が設けられている。このスイッチ５０は、電流を供給している場合に、ＳＭＵ３８の一定レンジ動作の準備をする。ＳＭＵ３８の電流ソース（電流源）４１がダイオード３０に電流を流して電流を制御する必要がないように、スイッチ５２がダイオード対３０を横切って設けられている。ツェナーダイオード対３２及びダイオード３０を短絡させることができると、電流ソース４１が一定の帯域幅を維持することができるようになる。

実施例では、Ｏgnd電源から電力が供給されるバッファー５４、５６を除いて、ＳＭＵ３８のすべてのアクティブ回路素子がＦgnd電源から電力が供給される。

この開示が例示的であり、種々の変更が、この開示に含まれる教示の適正な範囲を逸脱することなく、細部を付加したり、修正したり、削除したりすることにより、種々の変更を行なうことができることは明白である。従って、本発明は、以下の請求項が必然的に限定することを除いてこの開示の特定の細部に限定されるものではない。

オートレンジ変更回路の異なる電流レンジを付与するインピーダンス素子のフィードバックの切り替え時に出力ノードで電圧グリッチが生ずることがなく、種々のレンジの電流測定に好適である。

１ 回路
２ 被試験物（DUT）
４、６、２０、２４、３５、３６、３７ 抵抗器
８ 出力ノード
１０ 反転増幅器
１２、１４ 増幅器
１６ 寄せ集めノード
３０ ダイオード対
３２ ツェナーダイオード
３４ サブ回路
３８ 電源―測定ユニット（ＳＵＭ）
４０ａ、４０ｂ スイッチ
４１ 電流源
４６ ノード
４４、４８、５４、５６ バッファー

Claims (1)

1. 所望のレンジを有する測定器用のレンジ変更回路であって、
   段階的に値が異なる複数のインピーダンスの直列接続から成り、一端が負荷装置に接続されたインピーダンス群と、
   前記インピーダンス群のうち少なくとも１つの前記インピーダンスに電圧を供給する第１の増幅器と、
   前記第１の増幅器の出力部及び反転入力部の間のフィードバック経路に設けられた電圧検知兼制限スイッチと、
   非反転入力部が前記第１の増幅器の反転入力部に接続され、出力部が前記インピーダンス群の内の異なる１つのインピーダンスにダイオードを介して接続された第２の増幅器と、
   入力部が前記インピーダンス群の前記一端に接続され、出力部が上記第１の増幅器の非反転入力部に接続された第３の反転増幅器とを備え、
   前記電圧検知兼制限スイッチによって検知される前記少なくとも１つのインピーダンスの電圧がクランプ電圧に達すると前記電圧検知兼制限スイッチがオンに切り替わって前記少なくとも１つのインピーダンスの電圧を制限すると共に、前記第２の増幅器の出力電圧が増加して前記ダイオードをオンとして前記異なる１つのインピーダンスの両端間に現れる電圧を所望レンジ内とし、前記第２の増幅器が前記異なる１つのインピーダンスに電流を供給することを特徴とするレンジ変更回路。