JPH11304877A - 電圧印加電流測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＰＮ接合ダイオードの特性を利用し、広測定
範囲を単一レンジで測定し、スパイク電圧も発生させな
い電圧印加電流測定回路。 【解決手段】 負荷に演算増幅器を通じて直流電圧を与
える基準電圧源と、負荷に与える電圧を演算増幅器に帰
還させる帰還路と、演算増幅器と負荷との間に挿入され
た逆極性で並列結合されたＰＮ接合ダイオードｄ１及び
ｄ２と、ダイオードのｄ１又はｄ２の電圧降下を検出す
る差動増幅器と、ダイオードｄ１及びｄ２と熱結合され
たＰＮ接合ダイオードｄ３及びｄ４と、ダイオードｄ３
及びｄ４にそれぞれ定電流を流す２つの定電流源と、ダ
イオードｄ３及びｄ４のＰＮ接合端子間電圧と差動増幅
器の出力電圧とを切り換えるスイッチ群と、スイッチ群
の出力電圧を測定するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器の
出力データを取り込み所定の演算を行う演算器と、を具
備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、負荷であるＤＵ
Ｔ（被測定デバイス：以後「負荷」という）に電圧を印
加して直流特性を測定するもので、特に単一レンジで測
定範囲の広い電流測定を行う電圧印加電流測定回路に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図６に一例として半導体試験装置に用い
られる従来の電圧印加電流測定回路の構成図を示す。こ
の回路構成は半導体試験装置を含み、計測器全般につい
て使用できる。回路構成は次の通りである。基準電圧が
可変可能な基準電圧源１１の直流電圧Ｖinを非反転入力
端子に受けた演算増幅器（オペ・アンプ）１２は、その
出力電圧Ｖｏを分解能切換器１３を通して負荷１０に電
圧Ｖｓを印加し、その電圧Ｖｓをケルビン接続で演算増
幅器１２の反転入力端子に帰還路１７で帰還させる。ケ
ルビン接続とは、帰還路１７の帰還電圧Ｖｓを負荷１０
の間近で取り出す接続方法をいう。よって、この回路は
電圧フォロア回路となり、負荷１０に印加する電圧Ｖｓ
は基準電圧源１１の直流電圧Ｖinと等しい。つまり、Ｖ
ｓ＝Ｖinとなる。

【０００３】分解能切換器１３は、図６に示すように、
抵抗Ｒｉ（ｉ＝１〜ｍ）とスイッチＳｉ（ｉ＝１〜ｍ）
の直列回路の複数列を並列接続したものであって、抵抗
値はそれぞれ１０倍程度のステップで値を選んでいる。
例えば、１０Ω、１００Ω、１ＫΩ、…、１ＭΩ等の抵
抗値であり適当に選ぶが、負荷１０のインピーダンスに
適合するようにスイッチＳｉを選択して抵抗値を選ぶ。
つまり、負荷１０のインピーダンスが低くて負荷電流ｉ
３が大きいときには低い抵抗値を、負荷１０のインピー
ダンスが高くて負荷電流ｉ３が小さいときには高い抵抗
値を選び、抵抗における電圧降下は同程度になるように
して、アナログ・デジタル変換器（以後、「Ａ／Ｄ変換
器」という）１５の分解能が最も高い電圧になるように
選んでいる。

【０００４】負荷電流ｉ３を計測する手段は直流電圧Ｖ
inと演算増幅器１２の出力電圧Ｖｏの電位差を差動増幅
器１４で検知して（Ｖｏ−Ｖin）の電圧を求め、Ａ／Ｄ
変換器１５でデジタル化し、演算器１６で検知した電圧
（Ｖｏ−Ｖin）を選択した抵抗値Ｒｉで割算して負荷電
流ｉ３を求めている。つまり、ｉ３＝（Ｖｏ−Ｖin）／
Ｒｉである。負荷１０は、負荷電流ｉ３を吸い込む場合
と吐き出す場合とがある。

【０００５】図示していないが、分解能切換器１３の抵
抗値Ｒｉの両端の電圧をＡ／Ｄ変換してもよい。つま
り、抵抗Ｒｉの両端の電圧（Ｖｏ−Ｖin）は、抵抗値Ｒ
ｉと負荷電流ｉ３の積であるから、（Ｖｏ−Ｖin）＝Ｒ
ｉ×ｉ３となる。よって、ｉ３＝（Ｖｏ−Ｖin）／Ｒｉ
となって、前述の式と同一になる。このようにして、負
荷１０のＤＵＴに基準電圧を印加して、高分解能でもっ
て負荷１０の直流特性を測定することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】電圧印加電流測定回路
で直流電圧特性を測定するには、従来の回路でも充分で
あった。しかしながら、従来の回路ではＡ／Ｄ変換器の
分解能を高めるために複数の抵抗Ｒｉを並列に接続した
分解能切換器１３を必要としており、抵抗Ｒｉとスイッ
チＳｉが複数段並列に配置されている。これでは省スペ
ース化にそぐわず、負荷電流ｉ３によってスイッチＳｉ
の切り換えも必要である。更に負荷電流ｉ３を流したま
まスイッチＳｉを切り換えると、演算増幅器１２の応答
時間が有るためにスパイク電圧を発生する場合もある。

【０００７】この発明は、分解能切換器１３に代えてＰ
Ｎ接合ダイオードを用いて単一レンジとし、測定範囲を
広くし、スイッチ切換を無くしてスパイク電圧が発生し
ない電圧印加電流測定回路を実現することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明はＰＮ接合ダイオードの特性を利用し、演
算器でログ（ｌｏｇ）演算を行い、単一レンジで広範囲
の電流測定回路を実現させた。周知のように、ＰＮ接合
ダイオードの順方向電流は次式の指数関数である。 Ｉｄ＝Ｉｓ（ｅ^qv/kT −１） ・・・・・ （１式） ここで、Ｉｄは順方向電流であり、Ｉｓは飽和電流、ｑ
は電子の電荷量、ｋはボルツマン定数、ｖは印加電圧、
Ｔは絶対温度である。この指数関数をｌｏｇ関数で表現
すると、 ｌｏｇ（Ｉｄ）＝Ａ・ｖ＋Ｂ ・・・・・ （２式） となる。（１式）より解るように、（２式）の定数Ａ及
びＢは温度依存の係数である。

【０００９】そこで、熱結合された４つのＰＮ接合ダイ
オードｄ１、ｄ２、ｄ３及びｄ４を用いて、２つのダイ
オードｄ１とｄ２は極性を逆方向に接続して演算増幅器
と負荷との間に挿入し負荷電流ｉ３を流すようにする。
つまり、図６に示す従来構成の分解能切換器に換えて、
極性を逆方向に接続した２つのＰＮ接合ダイオードｄ１
及びｄ２を接続する。他の２つのＰＮ接合ダイオードｄ
３及びｄ４には電流値の異なる定電流ｉ１とｉ２を順方
向に流すことにする。熱結合された４つのダイオード
は、同一チップに極近くに構成した集積回路（ＩＣ）で
実現できる。定電流ｉ２はｉ１の 1,000倍から10,000倍
程度に設定し、ＰＮ接合ダイオードのｌｏｇ直線性があ
る領域を使用する。ここで、ＰＮ接合ダイオードとはＰ
Ｎ接合トランジスタも含み、要はＰＮ接合された半導体
素子であり、ＰＮ接合ダイオード特性を有するものであ
る。

【００１０】定電流ｉ１及びｉ２を流しているダイオー
ドｄ１及びｄ２の電圧を測定して演算を行うと、その時
点の温度における（２式）の定数Ａ、及びＢを求めるこ
とができる。そこで、負荷電流ｉ３が流れているダイオ
ードｄ１もしくはｄ２の両端の電圧を測定して演算する
ことにより広範囲の負荷電流ｉ３を求めることができ
る。数式を用いて説明する。

【００１１】（２式）は、ｌｏｇ（ｉ）＝Ａ・ｖ＋Ｂ
である。定電流ｉ１を流しているダイオードｄ３の両端
の電圧をｖ１とし、定電流ｉ２を流しているダイオード
ｄ４の両端の電圧をｖ２とする。ｖ１を測定して（２
式）に代入すると、 ｌｏｇ（ｉ１）＝Ａ・ｖ１＋Ｂ ・・・・・ （３式） となる。同様にｖ２を測定して（２式）に代入すると、 ｌｏｇ（ｉ２）＝Ａ・ｖ２＋Ｂ ・・・・・ （４式） となる。（３式）と（４式）より、 Ａ＝ {log(i2/i1)}/(v2-v1) （５式） Ｂ＝ log(i2)-v2・{log(i2/i1)}/(v2-v1) （６式） を得る。よって、（５式）及び（６式）を（２式）に代
入すると、（２式）は、 log(i)＝v・{log(i2/i1)}/(v2-v1)+{v2・log(i1)-v1・log(i2)}/(v2-v1) （７式） となる。

【００１２】従って、計測器内部の温度が変化して、い
かなる温度になっても、ｖ１とｖ２及びダイオードｄ１
又はｄ２の両端の電圧ｖ３を測定すると、定電流ｉ１と
ｉ２は既知であるので、（７式）のログ（ｌｏｇ）演算
を行うことにより、負荷電流ｉ３を求めることができ
る。ここで電流ｉ１、ｉ２、ｉ３の大小関係は、ｉ１＜
ｉ３＜ｉ２とし、負荷電流ｉ３の極性は演算前にｖ３に
よって判断することとする。

【００１３】第１発明の構成は次による。直流電流特
性を測定すべき負荷に演算増幅器を通じて所定の直流電
圧を与える基準電圧源と、負荷に与える電圧をケルビ
ン接続で演算増幅器に帰還させる帰還回路と、演算増
幅器と負荷との間の出力電流ラインに挿入された逆極性
で並列結合されたＰＮ接合ダイオードｄ１及びｄ２と、
上記ＰＮ接合ダイオードのｄ１又はｄ２の電圧降下を
検出する差動増幅器と、上記ＰＮ接合ダイオードｄ１
及びｄ２と熱結合された２つのＰＮ接合ダイオードｄ３
及びｄ４と、上記２つのＰＮ接合ダイオードｄ３及び
ｄ４にそれぞれ定電流を流す電流値の異なる２つの定電
流源と、上記２つのＰＮ接合ダイオードｄ３及びｄ４
のＰＮ接合端子間電圧と差動増幅器の出力電圧とを切り
換えるスイッチ群と、上記スイッチ群の出力電圧を測
定するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換器の出力データを
取り込み、所定の演算を行う演算器と、を具備している
電圧印加電流測定回路である。

【００１４】第２発明は第１発明の演算増幅器と負荷と
の間の出力電流ラインに挿入されたＰＮ接合ダイオード
ｄ１及びｄ２の位置を望ましい位置に特定したものであ
る。つまり、演算増幅器と負荷との間の出力電流ライン
に挿入されたＰＮ接合ダイオードｄ１及びｄ２は負荷に
与える電圧をケルビン接続で演算増幅器に帰還させる帰
還路のループ内に挿入されている第１発明の電圧印加電
流測定回路である。

【００１５】第３発明は第１発明の演算増幅器と負荷と
の間の出力電流ラインに挿入されたＰＮ接合ダイオード
ｄ１及びｄ２の位置を別の位置に特定したものである。
つまり、演算増幅器と負荷との間の出力電流ラインに挿
入されたＰＮ接合ダイオードｄ１及びｄ２は、負荷に与
える電圧をケルビン接続で演算増幅器に帰還させる帰還
路のループ外に挿入されている第１発明の電圧印加電流
測定回路である。

【００１６】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を実施例に基づ
き図面を参照して説明する。図１に本発明の一実施例の
構成図を、図２にＰＮ接合ダイオードの順方向電流ｉと
その両端電圧ｖのｌｏｇ関数の説明図を、図３に最も簡
単な定電流源の構成図を、図４に他の実施例の構成図
を、図５にその他の実施例の構成図を示す。図６と共通
する同一部分には同一符号を付す。先ず、図１について
説明する。

【００１７】図１の構成は、図６の従来構成に比べて、
従来の分解能切換器１３に換えて、ダイオード群１を配
置したものである。ダイオード群１はＰＮ接合ダイオー
ドｄ１とｄ２とｄ３とｄ４とで構成され、熱結合されて
いる。熱結合とは４つのダイオードが同一温度を保って
いることをいい、同一チップ内に極間近に４つのＰＮ接
合ダイオードを作成することにより、容易に作成でき
る。

【００１８】４つのＰＮ接合ダイオードの内、ｄ１とｄ
２は逆極性で並列結合されたもので、演算増幅器１２の
出力端子と負荷１０の間に挿入されて負荷電流ｉ３が流
れている。演算増幅器１２に帰還路１７で帰還される電
圧Ｖｓは負荷１０の近辺であって、ケルビン接続されて
いる。ＰＮ接合ダイオードｄ１とｄ２はこのケルビン結
合のループ内に挿入されている。ダイオード群１のＰＮ
接合ダイオードｄ３は定電流源１８からの定電流ｉ１を
流している。ＰＮ接合ダイオードｄ４は、定電流源１９
からの定電流ｉ２を流している。定電流ｉ１とｉ２と負
荷電流ｉ３との関係を、ｉ１＜ｉ３＜ｉ２ とし、ｉ２
はｉ１の１，０００倍〜１０，０００倍程度に設定す
る。

【００１９】定電流ｉ１とｉ２は既知である。そこで、
ＰＮ接合ダイオードｄ３とｄ４の両端の電圧を測定する
ことにより、温度がいかに変化しても、前述した（２
式）ｌｏｇ（ｉ）＝Ａ・ｖ＋Ｂ、の温度依存の係数Ａ及
びＢを求めることができる。よって、差動増幅器１４で
（Ｖｏ−Ｖin）の電圧を取り出すことにより、前述の
（７式）によって、ｌｏｇ（ｉ３）を演算により求める
ことができる。測定及び演算は、図１に示しているよう
に、それぞれの電圧をスイッチ群５を介してＡ／Ｄ変換
器１５でＡ／Ｄ変換し、演算器１６で演算する。演算器
１６はＣＰＵ（電子計算器）を用いると容易にできる。
なお、（Ｖｏ−Ｖin）の測定は、ダイオード郡１が熱平
衡してから測定するのが望ましい。

【００２０】図２にＰＮ接合ダイオードの順方向電流ｉ
とその両端電圧ｖのｌｏｇ関数の説明図を示す。図２に
おいて、縦軸はｌｏｇ（ｉ）を、横軸は端子電圧ｖであ
る。ダイオードのｌｏｇ（ｉ）の関数は、ある範囲でｌ
ｏｇ直線性が有る。このｌｏｇ直線性がある領域を使用
する。温度ＴがＴａのときのｌｏｇ関数を太線で示す。
ｉ１とｉ２は既知であるので、ｖ１とｖ２を測定するこ
とによりこのｌｏｇ関数が求まる。よって、ダイオード
ｄ１又はｄ２端子電圧ｖ３を測定することにより容易に
ｌｏｇ（ｉ３）が求まる。計測器内部の温度が変動する
と、このｌｏｇ関数の波形が変わる。

【００２１】温度ＴがＴｂに変化すると、図２の細線の
ようになる。このときは定電流ｉ１によるダイオードｄ
３の端子電圧はｖ１’となり、定電流ｉ２によるダイオ
ードｄ４の端子電圧はｖ２’となる。このときのダイオ
ードｄ１又はｄ２端子電圧ｖ３’が仮にｖ３と同じであ
っても、ｌｏｇ（ｉ３’）は図２に示すように、ｌｏｇ
（ｉ３）とは異なる値である。

【００２２】図３に最も簡単な定電流源１８、１９の構
成図を示す。抵抗ｒ１とダイオードＤと抵抗ｒ２との直
列回路に電流ｉαを流しているとする。この直列回路と
平行に抵抗ｒ１とトランジスタＴの直列回路を設けて、
トランジスタＴのベース電圧を図３に示すようにダイオ
ードＤと抵抗ｒ２との交点の電位にしてやると、トラン
ジスタＴを流れて出力する電流ｉβは電流ｉαと等しい
定電流となる。定電流値をかえるときは、抵抗値ｒ１と
ｒ２の抵抗値を変えるとよい。

【００２３】図４に他の実施例の構成図を示す。図１と
異なるところは、差動増幅器１４で電圧（Ｖｏ−Ｖｓ）
を取り出す位置を変えているだけである。つまり、ＰＮ
接合ダイオードｄ１もしくはｄ２の両端の電圧を直接測
定するようにしている。

【００２４】図５にその他の実施例の構成図を示す。図
４と異なるところは、ＰＮ接合ダイオードｄ１とｄ２を
ケルビン接続のループ外に配置した点である。負荷１０
が離れた位置にある場合には構成が容易になるが、負荷
１０に与える電圧Ｖｓが定電圧源１１の電圧Ｖinよりダ
イオードｄ１又はｄ２の電圧降下分だけ異なってくる。
この電圧降下分は差動増幅器１４で計測しているので、
演算で補正してやればよい。負荷電流ｉ３は正しく測定
できる。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明
は、抵抗ＲｉとスイッチＳｉの直列回路を複数段並列接
続した従来の分解能切換器１３を、ＰＮ接合ダイオード
ｄ１とｄ２に置き換えることにより、演算でもって広範
囲の測定レンジを測定できるようになった。

【００２６】よって、省スペース化が可能になり、スイ
ッチＳｉの切換も不用になった。更に、従来のスイッチ
Ｓｉの切換時に発生するスパイク電圧も無くなった。こ
の発明は、実用に際してその効果は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】ＰＮ接合ダイオードの順方向電流ｉとその両端
電圧ｖのｌｏｇ関数の説明図である。

【図３】最も簡単な定電流源の構成図である。

【図４】本発明の他の実施例の構成図である。

【図５】本発明のその他の実施例の構成図である。

【図６】従来の電圧印加電流測定回路例の構成図であ
る。

【符号の説明】

１ ダイオード群 ４ 電源 ５ スイッチ群 １０ 負荷（ＤＵＴ：被測定デバイス） １１ 基準電圧源 １２ 演算増幅器（オペ・アンプ） １３ 分解能切換器 １４ 差動増幅器 １５ アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ変換器） １６ 演算器 １７ 帰還路 １８、１９ 定電流源 ｉ１、ｉ２ 定電流 ｉ３ 負荷電流 ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４ ＰＮ接合ダイオード Ｓｉ（ｉ＝１〜ｍ） スイッチ Ｓα、Ｓβ、Ｓγ スイッチ Ｒｉ（ｉ＝１〜ｍ） 抵抗 ｒ１、ｒ２ 抵抗 Ｄ ダイオード Ｔ トランジスタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電流特性を測定すべき負荷（１０）
   に演算増幅器（１２）を通じて所定の直流電圧（Ｖin）
   を与える基準電圧源（１１）と、 負荷（１０）に与える電圧（Ｖｓ）を演算増幅器（１
   ２）に帰還させる帰還路（１７）と、 演算増幅器（１２）出力端と負荷（１０）との間に挿入
   された逆極性で並列接続されたＰＮ接合ダイオード（ｄ
   １、ｄ２）と、 上記ＰＮ接合ダイオード（ｄ１、ｄ２）両端の電圧降下
   を検出する差動増幅器（１４）と、 上記ＰＮ接合ダイオード（ｄ１、ｄ２）と熱結合された
   ２つのＰＮ接合ダイオード（ｄ３、ｄ４）と、 上記２つのＰＮ接合ダイオード（ｄ３、ｄ４）に異なる
   定電流を流す２つの定電流源（１８、１９）と、 上記２つのＰＮ接合ダイオード（ｄ３、ｄ４）のＰＮ接
   合端子間電圧と上記差動増幅器（１４）の出力電圧とを
   切り換えて出力するスイッチ群（５）と、 上記スイッチ群（５）のアナログ出力電圧をデジタルデ
   ータに変換するＡ／Ｄ変換器（１５）と、 Ａ／Ｄ変換器（１５）の出力データから、負荷電流（ｉ
   ３）を求める演算器（１６）と、 を具備することを特徴とする電圧印加電流測定回路。
2. 【請求項２】 演算増幅器（１２）と負荷（１０）との
   間の出力電流ラインに挿入されたＰＮ接合ダイオード
   （ｄ１、ｄ２）は、負荷（１０）に与える電圧（Ｖｓ）
   をケルビン接続で演算増幅器（１２）に帰還させる帰還
   路（１７）のループ内に挿入されていることを特徴とす
   る請求項１記載の電圧印加電流測定回路。
3. 【請求項３】 演算増幅器（１２）と負荷（１０）との
   間の出力電流ラインに挿入されたＰＮ接合ダイオード
   （ｄ１、ｄ２）は、負荷（１０）に与える電圧（Ｖｓ）
   をケルビン接続で演算増幅器（１２）に帰還させる帰還
   路（１７）のループ外に挿入されていることを特徴とす
   る請求項１記載の電圧印加電流測定回路。