TW200402541A - Monolithic I-load architectures for automatic test equipment - Google Patents

Description

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發明所屬之技術領域 本發明疋有關於一種使用於多重腳位積體電路之自動 化生產線之自動測試設備（automat ic test equipment， ATE) ’且特別疋有關於此種測試設備所使用之主動負載電 路。一主動負載電路將連接至一個正予以監控之腳位，以 響應上述測試中的積體電路元件（device under test， DUT)之其他腳位所施加之測試信號。 先前技術 用以自動化測試積體電路之自動測試設備使用很多腳 位卡（Pin cards)，其中包括用以連接測試中的積體電路 元件=一相對應腳位之電路系統。每一腳位卡包括一個提 供測試信號給上述相關腳位之腳位驅動電路，以及一個根 據上述腳位之輸出電壓來供應或吸收電流之主動負載電 路。上述腳位驅動電路與上述主動負載電路可開關地連接 ^^測試中的元件之一相對應腳位，使得此腳位在任何 才曰示、守門了連接至上述腳位驅動電路或上述主動負載電 考起見，一主動負載電路當其連接至上述腳位 守可視為處於主動模式（ACTIVE mode)，而當其未連接上 述腳位時可視為處於禁止模式（INHIBIT mode)。 用、在上述主動負載電路與上述腳位 關腳位之電路系統通常包括排列成—電橋之肖=之間開 (Schottky)二極體。當腳位上的輸出電壓在如—^至 間振盪時，一個或多個肖特基(Schottky)二 谷易產生較大準位之反向偏壓。上述較大反向偏壓會

11397pif.ptd 第5頁 200402541 五、發明說明（2) 導致漏電流（leakage currents)同時弱化順向特性。達到 這種程度時上述漏電流將直接連接至上述腳位，於禁止模 式上述漏電流必須極低，然而於主動模式只要上述漏電不 影響上述主動負載電路之功能則是可接受的。 對於高速應用，與主動負載電路位於同一晶片之肖特 基（Sc^hottky)二極體之漏電及/或可靠性可能無法被接 收。攻使得上述肖特基（Schottky)二極體必須是一個分離 的積體電路，而此為無效率且更昂貴。 發明内容 如本發明所述之一種主動負載電路包括：一電流源； 一電流吸收；一個具有分別連接至上述電流源與上述電流 吸收之電流源節點與電流吸收節點之電流開關電路；以及 一個利用一差動電壓來控制上述電流開關電路之控制電 路，其中上述差動電壓被限制振幅並且其極性和一固定參 考電壓與測試中的元件之一腳位輸出電壓之間的電壓差相 同。 為讓本發明之上述和其他特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉其較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 實施方式 第1圖繪示一種包括由二極體D1〜D4m組成之肖特基 (Sch〇ttky)二極體環或電橋之主動負載電路。於主動模 式，一差動開關對NPN電晶體（Q1，Q2)及一差動開關對PNP 電sa體（Q3, Q4)提供可程式電流1{1及丨[至上述肖特基

200402541 五、發明說明（3) (Schottky)二極體電橋，而其有選擇地開關此電流流入或 流出正在測試中元件之相關腳位。肖特基（Sch〇ttky)二極 體Dl、D2之間的節點被連接至提供腳位輸出電壓VDUT之元 件腳位。上述開關對（Qi，q2)及（Q3, q4)之每一對都被差動 禁止模式控制信號I NH’及I NH所控制，並且上述電流I Η及 IL之母一個都能在〇 — 5〇毫安（mA)的範圍内。一個具有零輸 入偏流（在圖中以i=〇表示）之緩衝器^提供緩衝型式腳位 輸出電壓VDUT給NPN電晶體Q5、Q6之基級端以及PNP電晶體 Q7、Q8之基級端。當上述主動負載電路是處於禁止模式時 緩衝^§B1將限制漏電流（leakage current)。 NPN電晶體Q1 3及Q1 4從電流源I 1提供電流給NPN電晶體 Q5及Q6 ’而同時PNP電晶體Q17及Q18從電流源II提供電流 給PNP電晶體Q7及Q8。上述電晶體Q13、Q14、Q17、Q18在 其基極端接收禁止模式控制信號I NH，並且在主動模式丁 (亦即INH與INH’分別是非主動與主動）是斷開的（〇f f )，結 果使得電晶體Q 5〜Q 8在主動模式下是斷開的。同樣地，這 個動作使得NPN電晶體Q9、PNP電晶體Q10、NPN電晶體 Q21、以及PMP電晶體Q22在主動模式下是斷開的。pnp電晶 體Q16及NPN電晶體Q15在其基極端接收反相禁止模式控制 信號INH’ ，因而在主動模式下是導通的（on)，藉此供應電 流給PNP電晶體Q19及NPN電晶體Q20。於主動模式，上^電 晶體Q19、Q20、Q11、以及Q12形成一個提供緩衝型vcom， 以驅動上述肖特基（Schottky)二極體電橋之互補AB類單一 增益緩衝器。在此進一步說明，VC0M’是一種隨著腳位輸

200402541 五、發明說明（4) 出電壓VDUT相對於固定參考電壓vc〇M之幅度而變動之電 壓’以此方式（VDUT-VC0M，）將限制其振幅並且其極性將與 (VDUT-VC0M)相同。VC0M’之電壓值與VC0M不同，但是必須 能夠在電晶體Q11及〇12於〇-50毫安（mA)範圍内吸收及供應 負載電流I Η及I L。 β這種架構用以在主動及禁止兩種模式中提供一低反向 偏壓給上述肖特基（Schottky)二極體電橋。對於主動模 式，一個由NPN電晶體Q23〜Q26、電阻器RE、肖特基 (Schottky)二極體D5〜D8、電流源I〇&IE、以及緩衝器B2 所組成之附加電路將提供vc〇M,。緩衝器B2提供作為VC0M， 之參考之緩衝型腳位輸出電壓VDUT。上述附加電路讓 VC0M及上述肖特基（Schottky)二極體電橋隨著VDUT而變 化，因而避免上述肖特基（Sch〇ttky)二極體電橋遭受較大 電壓偏移。 於主動模式，當VDUT大致上等於VC0M時，差動耦合對 電晶體Q23、Q26將平衡，而上述肖特基（Sch〇uky)二極體 電橋所顯示之電壓VC0M，大致上等於VDUT。tVDUT相對於 VC0M增加時，VC0M，將如同VDUT的函數般非線性地減少， 並且當VDUT大於VC0M時將其箝制在低於VDUT兩個肖特基 (Schottky)二極體電壓降。如此，施加在肖特基 (Schottky)二極體電橋的電壓將在一個肖特基(iSch〇ttky) 二極體電壓降VD的範圍内，此為最壞狀況之反向偏壓，相 形之下已知主動負載電路則是（9 —VD)伏特。當VDUT變為低 於VC0M時，VC0M’將增加至高於VDUT最大可達到兩個肖特

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基（5(：11〇1^1^)二極體電壓降，此為肖特基（8<:;11〇1;1：1^)二極 體最壞狀況之反向偏麼。這種電路系統用以確保上述電橋 之肖特基（Schottky)二極體不致於過度負荷。由於無論 VDUT大於或小於VC0M，總是有利於VC0M’跟蹤（track)VDUT 而使複雜度降低，所以對於斷開的二極體橫跨肖特基 (Schottky )電橋之電壓降將保持在低準位。 上述電晶體Q 2 3〜Q 2 6及相關電流源將有效地比較腳位 輸出電壓VDUT與參考電壓VC0M。當VDUT變為高於或低於 VC0M 時，肖特基（Schottky )二極體（D5，D7)或（D6，D8)將導 通’並且提供一個跟蹤或被自舉（bootstrapped)至VDUT之 電壓，如此可保護肖特基（Schottky)二極體電橋（D1〜D4) 免於在主動模式下崩潰。電阻器㈣包括在差動對Q23、Q26 當中並且足夠大，如此上述差動對操作於線性區而不會完 全開關。以此方式，電晶體Q23、Q2 6將不會遭受超過反向 基極-射極崩潰電壓之反向基極-射極電壓。 簡單來說，於主動模式VC0M’跟蹤VDUT之方式如下： VDUT VC0M，

=VC0M -VDUT <VC0M VDUT+2VD >VC0M VDUT-2VD 於禁止模式，禁止模式控制信號（INH，INH，）分別是主 動及非主動，而電晶體Q2、Q4、Q13、Q14、Q17、以及Q18 是導通的，同時電晶體Q1、Q3、q15、以及Q16是斷開的。 因此流至肖特基（Schottky)電橋之電流將斷開。電晶體

..Λ .石./"ί , 01¾ 200402541 五、發明說明（6) Q13、Q14、Q17、以及Q18之電流將分別導通電晶體Q5、 Q6、Q7、以及Q8。這些導通的元件將導通電晶體Q9、 Q10、Q21、以及Q22。電晶體Q6、Q7、Q9、以及Q10構成一 個以單一增益自舉VC0M’與宵特基（Schottky)電橋之頂端 及底部至VDUT之AB類緩衝器。如此，於禁止模式，當VDUT 在+ 7與-2伏特（最壞狀況）之間振盡時，將自舉且反向偏壓 每一個肖特基（3(：]1〇1^1^)二極體01〜04至與上述¥1)1]1'電壓 相差一個基極-射極二極體電壓降。 此外於禁止模式，為了避免因過大的基極-射極反向 偏壓而損壞構成VC0M，緩衝器之電晶體Q19、Q20、Q11、以 及Q1 2 ’所以也經由構成一 ab類緩衝器之Q21、Q22、Q5、 以及Q8之作用來關閉及反向偏壓上述冗〇^4，緩衝器。如 此’最壞狀況之反向偏壓為一個基極—射極電壓。於禁止 模式’上述二極體（D5，D7)與（D6，D8)結果將無偏壓跨越其 間並且被自舉至VDUT。於禁止模式，Q21、Q22將吸收電流 I 0以及Q26集極所輸出之信號電流。於禁止模式，若此信 號電流被測定為有問題，則將會禁止Q23〜Q26電路系統。 此外’上述二極體D7及⑽可能被電阻器、或一肖特基 (Schottky )二極體及電阻器網路所取代。 、，第1圖之架構之一優點為無論在主動或禁止模式上述 肖特基（Schottky)二極體電橋都未遭受相對於VDUT之較大 二偏移第1圖之電路系統有顯著的部分作為一預防設 φ=Y確保於禁止模式在上述肖特基（Schottky)二極體 '' 述VC0M緩衝器不會有大的信號振盪。經由自舉

200402541 五、發明說明（7) 作用可能不再需要此種電路系統，並且可予以省略而提供 第2圖之主動負載電路。在這電路當中，於禁止模式，上 述VC0M，緩衝器（電晶體Q19、Q20、Q11、以及Q1 2)被自舉 至高於VDUT兩個肖特基（Schott ky)二極體電壓降，或低於 VDUT兩個肖特基（Schottky)二極體電壓降。Q1及Q3是斷開 的，而Q2及Q4則是導通的，並且可程式電流IH及丨[流經這 些電晶體。於禁止模式，上述肖特基（Schottky)二極體電 橋是斷開的，而最壞狀況為VDUT節點與緩衝的vc〇M，節點 之間有兩個肖特基（Schottky)二極體電壓差。 因為在Dl、D3引線抑或D2、D4引線，有一個宵特基 (Schottky)二極體是正向偏壓，而另一個二極體則是反向 偏壓’所以若一引線正在導通電流，則上述反向偏壓二極 體必須朋潰以便讓電流流通。然而，因為跨越上述電橋維 持一個小偏壓（兩個肖特基（Sch〇ttky)二極體電壓降），所 以上，電橋將不會導通，結果於禁止模式漏電流將很小。 第2圖之主動負載電路基本上是由第1圖之主動負載電 路之主，模式電路系統所構成，但是其中禁止模式是藉由 只關閉肖特基（Sch〇ttky)二極體電橋電流來達成。第ι圖 f主動負載電路是一種較保守的實施方式，而對於決定實 ，=1圖抑或第2圖之主動負載電路之考慮可能包括禁止模 式漏電、速度、設定、及/或功率需求。 現在參照第3圖，其中繪示一種只有互補雙子之主 =Ξίί、:而其避免使用肖特基(Schottky)二極體，以 -肖特基（Schottky)二極體之寄生（parasitic)

200402541 五、發明說明（8) m關，漏胃。同樣地，對於特定應用能夠施加至肖特 :極體之反向偏壓應力（stress)可能太低， ;泣可2=、权，肖特基（sch〇ttky)二極體之反向偏壓漏 ;Γ ^以接文地高。第3圖的腳位輸出電壓vdut及固 定參考電壓VC0M與第1圖的相同。如同具有肖特基 (Schottky ) 一極體之實施方式，上述vc〇M與之間的 mif9伏特。由一差動麵合之NPN電晶體開關對 ， 、一差動耦合之PNP電晶體開關對（Q63, Q64)、 :=Ri〜R6、以及電流源11所構成之電路系統藉由衰減 佗號振盪而將VDUT與VC0M之間的電壓差予以降低且偏移準 位以便、、二由適虽的緩衝器驅動一差動NPN電晶體開關對 (Q65，Q66)以及一差動PNP電晶體開關對（Q7l，Q72)。更特 別的是電晶體Q6卜Q64藉由具有小於〗之增益而衰減VDUT上 較大的振盪，如此將以一種VDUT與％卯之間的電壓差來驅 動上述差動NPN電晶體開關對（q65, q66)以及上述差動pNp 電晶體開關對（Q71，Q72)，而此種電壓差具有相較於前述 VDUT與VC0M之間的電壓差之電壓振盪已經降低或衰減之電 壓振盪三這也能夠藉由一個在上述差動開關對之前的電阻 式哀減益（resistive attenuator)來達成。 這種降低的電壓振盪保護上述開關對（Q65, Q66)及 (Q71，Q72)免於反向偏壓漏電和應力、以及可靠性問題。 第3圖之主動負載電路也包括一個在VDUT腳位之零輸入電 流緩衝器B1，如此於禁止模式之漏電將比較低。應注音的 是VC0M不再需要供應及吸收IH&IL電流。現在這藉由此架

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，之VREF功能來完成。上述開關對（Q65 Q6 將分別根據流入或流出VDUT腳位之值來開關^ 。’Q ^ yiv 式期間其功能為隔離ih及1l電 在這種架構當中，於禁止模4 ^ _ ，——、敢壞情況時VDUT將仍 在開關且電晶體Q67及Q69之集極—基極崩潰必定大於1〇伏 特，結果為漏電流在零安培之量級。若對於一指 雙載子程序，上述電壓振盈超過上述集極_基極崩潰電 壓’則這可藉由自舉差動信號INH及INH，至VDUT來實施。 這個自舉的信號是-種衰減的VDUT ’其將不僅保護差動開 關對（Q67，Q68)及（Q69，Q70)，也保護電晶體Q65、Q66、 Q71、以及Q72。 應注意的是某些互補雙載子程序也具有可用的？_通 接面場效電晶體（JFET)元件。若這些元件夠快則可能將盆 使用於離開VDUT節點之緩衝器，並且在特定電壓範圍笪; 有足夠低準位之閘級漏電。也應指出的是上述開關電路^ 統總是主動的，甚至在禁止模式也是，如此從禁止模式 換到主動模式應該相當快。 未繪示於圖中的是開關對（q65，Q66)及（q71，Q72)之驅 動電路。例如，一PMP開關對將驅動開關對（Q67, Q68)如同 (Q63，Q64)驅動（Q65，Q66)的狀況。同樣地，一npn開關對 將驅動（Q69, Q70)如同（Q61，Q62)驅動（Q71，Q72)的狀況。 若元件的大小適中，則其電流響應將是對稱的。如此，這

κ 2¾ 200402541 五、發明說明（ίο) 種架構提供與肖特基（Schottky)電橋實施方式相同的功能 但卻未使用肖特基（Schottky)二極體。 雖然^ ^明已經以其較佳實施例揭露如 用以限定本發明，任何熟習此技藝者， 並非 精神的情況下，當可作些;J不脫離本發明之 權利保護範圍當視後附/二二飾，因此本發明 咐之申清專利範圍所界定者為準Θ之

11397pif.ptd 第14頁 62! 200402541 圖式簡單說明 圖式簡單說明 第1圖為一種使用本發明之主動負載電路之示意圖。 第2圖為另一種使用本發明之主動負載電路之示意 圖。 第3圖為又一種使用本發明之主動負載電路之示意 圖。 圖式標記說明 B1 緩 衝 器 B2 缓 衝 器 D1 宵 特 基（Schottky) 二 極 體 D2 宵 特 基（Schottky) 二 極 體 D3 肖 特 基（Schottky) 二 極 體 D4 宵 特 基（Schottky) 二 極 體 D5 % 特 基（Schottky) 二 極 體 D6 % 特 基（Schottky) 二 極 體 D7 % 特 基（Schottky) 二 極 體 D8 肖 特 基（Schottky) 二 極 體 10 電 流 源 11 電 流 源 12 電 流 源 IE 電 流 源 IH 負 載 電流 IL 負 載 電流 INH 禁止模式控制信號

11397pif.ptd 第15頁 200402541 圖式簡單說明 INH’ 反相禁止模式控制信號 Q1 NPN電晶體 Q2 NPN電晶體 Q3 PNP電晶體 Q4 PNP電晶體 Q5 NPN電晶體 Q6 NPN電晶體 Q7 PNP電晶體 Q8 PNP電晶體 Q9 NPN電晶體 Q10 PNP電晶體

Qll NPN電晶體 Q12 PNP電晶體 Q13 NPN電晶體 Q14 NPN電晶體 Q15 NPN電晶體 Q16 PNP電晶體 Q17 PNP電晶體 Q18 PNP電晶體 Q19 PNP電晶體 Q20 NPN電晶體 Q21 NPN電晶體 Q22 PNP電晶體 Q23 NPN電晶體

11397pif.ptd 第16頁 200402541 圖式簡單說明 Q24 NPN電晶體 Q25 NPN電晶體 Q26 NPN電晶體 Q61 NPN電晶體 Q62 NPN電晶體 Q63 PNP電晶體 Q64 PNP電晶體 Q65 NPN電晶體 Q66 NPN電晶體 Q67 NPN電晶體 Q68 NPN電晶體 Q69 PNP電晶體 Q70 PNP電晶體 Q71 PNP電晶體 Q72 PNP電晶體 Re 電阻器 R1 電阻器 R2 電阻器 R3 電阻器 R4 電阻器 R5 電阻器 R6 電阻器 VC0M 固定參考電壓 VC0M’ 隨著VDUT相對於VC0M之幅度而變動之電壓

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> ft 200402541 圖式簡單說明 VDUT 腳位輸出電壓 ΙΙϋΗΙΙ 11397pif.ptd 第18頁

Claims (1)

1. 200402541 六、申請專利範圍 1· 主動負載電路，該： 一電流源； 一電流吸收； (Schottky)二』體桎橋’其中包括複數個肖’特基 位輸出電壓之輸=節點用以接收-測試中的元件之一腳 參考節點、以及複：：：一個用以接收一緩衝參考電塵之 之電流源節點與電流吸接至該電流源與該電流吸收 出電壓= ί壓：衝器，具有-個用以接收該腳位輸 出端； 個用以提供一緩衝腳位輸出電壓之輸 參考；= :以提供一控制參考電壓以響應-固定 蹤該緩衝腳：ίΐ 輸出電壓：其中該控制參考電壓跟 固定參考雷懕收電壓使得當該緩衝腳位輪出電壓大於該 (Scholtk、- J :小於該緩衝腳位輸出電壓兩個宵特基 今suL: ί體電壓降，而當該緩衝腳位輸出電壓小於 μ 口疋 > 彳電壓時將大於該緩衝腳位輸出電壓兩個 (Schottky)二極體電壓降；以及 制夂：ίί!壓緩衝器，用以在一緩衝器輸入端接收該控 制多考電壓並且用以提供該緩衝參考電壓。 2·如申請專利範圍第1項所述之主動負載電路，豆中 該參考電路包括： 〃 一定位（clamping)電路，用以將該參考電壓緩衝器輸 入端定位至該腳位輸出電壓；以及

   200402541 六、申請專利範圍 一差動電路，與該參考電壓緩衝器输入端連接並響應 該緩衝腳位輸出電壓及該固定參考電壓。 “ 3·如申請專利範圍第2項所述之主動負載電路，其中 該定位電路包括串列連接之肖特基（Schottky)二極體。 4·如申請專利範圍第2項所述之主動負載電路更包括 一種用以當該主動負載電路處於一禁止模式時自舉該開關 二極體電橋之該些肖特基（Sch〇ttky)二極體至該腳位輸出 電壓之自舉（bootstrapping)電路系統。 5·如申請專利範圍第2項所述之主動負載電路更包括 一種用以當該主動負載電路處於一禁止模式時有選擇地關 閉該參考電壓緩衝器之開關電路系統。 6·如申請專利範圍第2項所述之主動負載電路，其中 該參考電壓緩衝器包括一個當該主動負載電路處於一禁止 模式時提供該腳位輸出電壓之一自舉類型作為該緩衝參考 電壓之AB類放大器。 7· —種主動負載電路，該電路包括： 一開關電流源； 一開關電流吸收； 一電流開關二極體電橋，其中包括複數個肖特基 (S c h 〇 11 k y )二極體、一個用以接收一測試中的元件之一腳 位輸出電壓之輸入節點、一個用以接收一緩衝參考電壓之 參考節點、以及複數個分別連接至該開關電流源與該開關 電流吸收之電流源節點與電流吸收節點，· 一腳位輸出電壓緩衝器，具有一個用以接收該腳位輸

   200402541 六、申請專利範圍 ' --— 出電壓之輸入端及一個用以提供一緩衝腳位輸出電壓之 出端； 參考電路，用以提供一控制參考電壓以響應一固定 參考電壓及該緩衝腳位輸出電壓，其中該控制參^電壓跟 蹤該緩衝腳位輸出電壓以便其極性如同該固定參考電壓與 該緩衝腳位輸出電壓之間的一電壓差但其振幅小於該^ 差；以及 參考電壓緩衝器，用以在一緩衝器輸入端接收該控 制參考電壓並且用以提供該緩衝參考電壓。 8· —種主動負載電路，該電路包括： 一電流源； 一電流吸收； 一電流開關電路，其中包括複數個雙載子電晶體並響 應一個指示一參考電壓與一測試中的元件之一腳位輸出電 壓之間的一電壓差之電壓差信號，且包括複數個分別連接 至該電流源與該電流吸收之電流源節點與電流吸收節點； 一腳位電壓緩衝器，具有一個用以接收該腳位輸出電 壓之輸入端及一個用以提供一缓衝腳位輸出電壓之輸出 端；以及 一準位偏移電路系統，用以提供該參考電壓與該緩衝 腳位輸出電壓之間的一電壓差之一衰減類型作為該電壓差 信號’以響應該參考電壓與該緩衝腳位輸出電壓。 9·如申請專利範圍第8項所述之主動負載電路，其中 該開關電路包括與該電流源連接之一第一差動開關對PNp

   200402541 六、申請專利範圍 電晶體以及與該電流吸收連接之，第一差動開關對NPN電 晶體。 10·如申請專利範圍苐9項所述之主動負載電路，其中 該準位偏移電路系統包括（a) 一第二差動開關對NPN電晶 體，用以提供輸入至该第一差動開關對PNP電晶體以響應 該緩衝腳位輸出電壓與該參考電歷，以及（b) 一第二差動 開關對PNP電晶體，用以提供輸入至該第一差動開關對NpN 電晶體以響應該緩衝腳位輪出電壓與該參考電壓。 11· 一種主動負載電路，該電路包括： 一電流源； 一電流吸收； -電流開關電路，其響應一個指示 試中的元件之一腳位輪出φ ^ Μ μ /可电纜，、測 號，並且包括複數個分= -電壓差之電壓差信 電流源節點與電流吸收2接=電流源與該電流吸收之 *電壓之：U:參考電壓與該腳位輸 以響應該參考電壓與該腳作為該電壓差信號， 12. —種主動負栽電路，該電路 一電流源； 估· 一電流吸收； 一電流開關電路，且古$叙 以及 參考電路，以 該電流吸收之電流源節點盥f、&刀別連接至該電流源與 ^ ^ ^ ^ 點與電流吸收節點 個振幅受到限制且極性如同一 固定

   ll397pif.ptd 200402541 六、申請專利範圍 參考電壓與一測試中的元件之一腳位輸出電壓之間的一電 壓差之差異電壓來控制該電流開關電路。 ΙΙΗΙΒΙΙ 11397pif.ptd 第23頁