オートレンジ電流分路
【課題】
高い電流レンジの切替を高い速度で行うことができ、低い電流レンジの切替を大きなトランジェントを生じることなく行うことができるようにすること。
【解決手段】
レンジ切替え回路１２は、直列関係にある複数の目盛り付きインピーダンス２４、２６、２８、３０、３２、３４のアレイを備え、これらのインピーダンスのうちの一つのインピーダンスの両端間の電圧検知用兼電圧制限用スイッチ、例えば、バックツーバックのツェナーダイオード３６が設けられる。このスイッチは、このスイッチが検知した電圧に応じて前記の１つのインピーダンスの両端にわたって電圧を制限する。
高い電流レンジの切替を高い速度で行うことができ、低い電流レンジの切替を大きなトランジェントを生じることなく行うことができるようにすること。
【解決手段】
レンジ切替え回路１２は、直列関係にある複数の目盛り付きインピーダンス２４、２６、２８、３０、３２、３４のアレイを備え、これらのインピーダンスのうちの一つのインピーダンスの両端間の電圧検知用兼電圧制限用スイッチ、例えば、バックツーバックのツェナーダイオード３６が設けられる。このスイッチは、このスイッチが検知した電圧に応じて前記の１つのインピーダンスの両端にわたって電圧を制限する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気測定装置に関し、特に、レンジ切替え回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気測定装置では、所望のレンジの測定値を出力するためにレンジ選択回路を設けることは一般的である。
【０００３】
最も単純な形態では、所望のレンジを出力するために、単に、セレクタスイッチを使用するだけである。更に複雑なレンジ切替え回路は、測定装置の測定値によって制御されるリレーを使用して、望ましいレンジ内に上記測定値を配置するレンジを選択することがある。さらに広いレンジ、精度および速度を所望すると、このプロセスは、更に複雑なものになる。従来、これらのファクタは、所望のレベルと性能とを生成するために、より多くの回路構成並びにより複雑な構成を必要としていた。
【０００４】
図１を参照すると、例示の従来技術による測定装置１は、電圧制御モード（電源電圧、測定電流）でのソース測定ユニット（ＳＭＵ）である。エラー増幅器Ａ１は、ＱＯＵＴを制御する。（最低レンジを除く）一連の電流検知エレメントとスイッチとが並列に接続され、これらは、レンジ切替えを行うために、負荷抵抗器と直列となっている。差動増幅器は、ＲＬＯＡＤの両端間を検知し、電圧フィードバック値ＶＦＢを出力する。フィードバック抵抗Ｒは、ＶＦＢとＶＤＡＣとを比較して対応するエラー電圧をＡ１に表す。
【０００５】
スイッチＳ１乃至ＳＮは、スイッチによる漏出をなくすために、付随ブートストラッピング成分を有する電気機械的リレーまたはソリッドステートスイッチであってもよい。すべてのスイッチは、マイクロプロセッサが選択した電流検知エレメントで測定された電圧に応じてマイクロプロセッサにより制御される。従って、マイクロプロセッサによって所望のレンジの選択が行われることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スイッチが負荷に対して直列であるため、（スイッチのターンオンによる）ＲＳＥＮＳＥの瞬間的変動によって出力側にトランジェントが生じることになる。ソリッドステートスイッチの場合、一般に「ランピング」回路を使用して、古いエレメントと並列に配置された新しいエレメント内で「フェード」を行って、ループの利得帯域によるグリッチの最小化が可能になる。抵抗器の広いダイナミックレンジに起因して、ランプのタイミングが厄介な問題となることがあり、通常このタイミングの結果としてトレードオフが生じ、その場合、必要な速度よりも低い速度でより高い電流レンジの切替えが行われ、一方、低い電流レンジは、より大きなトランジェントを生じる可能性がある。これらのグリッチとトランジェントとは、通常、出力の安定後同時に発生し、Ａ／Ｄコンバータにより行われる測定に対応する。異なるレンジが必要になる場合、レンジ選択を行う対応処理では、低電流で安定するのに１００ｍｓかかる場合もあるトランジェントが生じる可能性がある。多くの場合、果てしなく続く一連のグリッチが存在する「ハンティング」がノイズによって引き起こされる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によって課題を解決すべきレンジ切替え回路は、直列関係にある複数の目盛り付きインピーダンスのアレイと、前記インピーダンスのうちの一つのインピーダンスの両端間に設けられた電圧検知用兼電圧制限用スイッチとを備えている。このスイッチが検知した電圧に応じて、スイッチは、上記の一つのインピーダンスの両端間の電圧を制限する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図２を参照して述べると、測定装置１０は、レンジ切替え回路１２を含んでいる。増幅器１４が作動すると、トランジスタ１８、電源２０及び回路１２を介して負荷１６の両端間に電圧ＶＤＡＣが印加される。バッファ２２は、バッファ済みバージョンの電圧が電圧フィードバックループに供給する。
【０００９】
回路１２は、例えば、インピーダンスにラベル付けされた目盛り付き(graduated)インピーダンス２４、２６、２８、３０、３２、３４のアレイを含む。これらのインピーダンスの各インピーダンスの両端間には、例えば４ボルトのツェナー電圧を有するバックツーバック（背合わせ）のツエナーダイオード３６が設けられる。
【００１０】
増幅器３８とスイッチ４０、４２とは、回路１２の両端間に現れる電圧を検知するためのピックオフポイントを供給する。スイッチ４０は、測定を目的とする回路１２の電圧を検知するのを可能とし、一方、スイッチ４２は、負荷１６に電流を強制的に流す際に、制御回路へのフィードバックを可能とする。ピックオフポイントが上記２つの目的のために独立して選択される場合に、回路１２の直列性は、ソーシングと測定との分離を可能とすること留意すべきである。
【００１１】
この実施例では、インピーダンス２４、２６、２８、３０、３２、３４の各々によって２０の電流がカバーされる。例えば、１０ＴΩの値を有する負荷１６に１ボルトが印加されると、１００ｐＡの電流が流れ、０．４ボルトがインピーダンス３４の両端間に現れる。
【００１２】
電流が１ｎＡを越えると、直ちに、インピーダンス３４の両端間のツエナーダイオードがクランプして電圧を４ボルトに制限する。次に、インピーダンス３２の両端間に追加の４ボルトが現れると、１００ｎＡまで負荷電流を許容できるようになる。ＶＤＡＣが上昇するにつれて、クランプは、レンジが不飽和状態になるまでターンオンする。１００ｍＡでは、アレイの両端間に２０ボルトが生じることになるが、インピーダンス２６のタップのみは飽和されることはない。インピーダンスの両端間の電圧は、アースＳと関連して測定される。このようにして、回路１２は、実際の測定装置からまったく命令を受けることなく、レンジを「自動的に」切り替えることがわかる。
【００１３】
バックツーバックの態様でダイオード３６が配置されると、両極測定を可能とするが、バックツーバックの態様でない場合、個々のレンジ用の単一ダイオードでもよいことが指摘されるべきである。
【００１４】
図３を参照して述べると、他のレンジ切替え回路１２’が示され、この回路１２’は、ツエナーダイオードに代えてＭＯＳＦＥＴ４４を使用している。両抵抗器４６、４８の両端間の電圧がＭＯＳＦＥＴ４４のしきい値電圧に達するまで、電流が両抵抗器４６、４８を流れる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ４４は、インピーダンス４８と平行して電流の流れを開始する。電流が増加すると、インピーダンス４６の両端間の電圧降下も増加し、この電圧降下の増加によってＭＯＳＦＥＴ４４の導通の増加が引き起こされて、インピーダンス４８の両端間の電圧を減少することになる。この結果、インピーダンス４６、４８の組み合わせの両端間の総電圧は、インピーダンス４６の両端間に電流の増加が発生する量分だけ増加することになる。
【００１５】
図４を参照して述べると、更に他のレンジ切替え回路１２’’が示され、この回路１２’’は、バイアス電圧源５０を付加してＭＯＳＦＥＴ４４のしきい値電圧を制御するようにしている。
【００１６】
図５を参照して述べると、更に他のレンジ切替え回路１２’’’が示され、この回路１２’’’は、増幅器５２、ダイオード５４および保護インピーダンス５６を付加している。これらの３つの付加エレメントは、非常に低い電流の測定の場合に、測定されるＭＯＳＦＥＴからの漏出を防止する保護として作用する。
【００１７】
図６を参照して述べると、更に他の別のレンジ切替え回路１２’’’’が示され、この回路１２’’’’は、関連するバイアス電圧源６０とダイオード６２と共に、バックツーバックＭＯＳＦＥＴ５８を付加して、この回路１２’’’’の作動を双極性としている。
【００１８】
本発明のレンジ切替え回路は、コントローラからのコマンドを必要とせず「自動的に」レンジを変えるものであった。１つ又はそれ以上の目盛り付きインピーダンスは、その両端間に、電圧検知スイッチを有すると効果的であり、この電圧検知スイッチは、電圧を検知し、レンジインピーダンスの電圧降下を制限する。この電圧検知スイッチは、回路構成を単純化し、小型化する。その上、レンジ切替えは、一層滑らかで、信頼性も一層高くなる。
【００１９】
電流を強制的に流す場合、レンジインピーダンス短絡を設けて、一層高い値の検知エレメントを作動不能にし、これら検知エレメントをアレイから除去するほうが望ましい場合もある。
【００２０】
本明細書の記載は、例示的であり、この明細書に含まれる教示の正しい範囲から逸脱することなく、細部の追加、修正または除去を行うことにより種々の変更を行うことができるとは自明である。従って、特許請求の範囲によって必然的に限定されている範囲を除いて、本発明は、この明細書の特定の細部に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術の装置の系統図である。
【図２】本発明による例示装置の系統図である。
【図３】本発明による他の例示装置の系統図である。
【図４】本発明による基づく追加の例示装置の系統図である。
【図５】本発明による更に他の例示装置の系統図である。
【図６】本発明による更に他の例示装置の系統図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０ 測定装置
１２、１２’、１２’’’、１２’’’’ レンジ切替え回路
１４ 増幅器
１６ 負荷
１８ トランジスタ
２０ 電源
２２ バッファ
２４、２６、２８、３０、３２、３４ 目盛り付きインピーダンス
３６ ツエナーダイオード
３８ 増幅器
４０、４２ スイッチ
４４ ＭＯＳＦＥＴ
４６、４８ 抵抗器
５０ バイアス電圧源
５２ 増幅器
５４ ダイオード
５６ 保護インピーダンス
５８ バックツーバックＭＯＳＦＥＴ
６０ バイアス電圧源
６２ ダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気測定装置に関し、特に、レンジ切替え回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気測定装置では、所望のレンジの測定値を出力するためにレンジ選択回路を設けることは一般的である。
【０００３】
最も単純な形態では、所望のレンジを出力するために、単に、セレクタスイッチを使用するだけである。更に複雑なレンジ切替え回路は、測定装置の測定値によって制御されるリレーを使用して、望ましいレンジ内に上記測定値を配置するレンジを選択することがある。さらに広いレンジ、精度および速度を所望すると、このプロセスは、更に複雑なものになる。従来、これらのファクタは、所望のレベルと性能とを生成するために、より多くの回路構成並びにより複雑な構成を必要としていた。
【０００４】
図１を参照すると、例示の従来技術による測定装置１は、電圧制御モード（電源電圧、測定電流）でのソース測定ユニット（ＳＭＵ）である。エラー増幅器Ａ１は、ＱＯＵＴを制御する。（最低レンジを除く）一連の電流検知エレメントとスイッチとが並列に接続され、これらは、レンジ切替えを行うために、負荷抵抗器と直列となっている。差動増幅器は、ＲＬＯＡＤの両端間を検知し、電圧フィードバック値ＶＦＢを出力する。フィードバック抵抗Ｒは、ＶＦＢとＶＤＡＣとを比較して対応するエラー電圧をＡ１に表す。
【０００５】
スイッチＳ１乃至ＳＮは、スイッチによる漏出をなくすために、付随ブートストラッピング成分を有する電気機械的リレーまたはソリッドステートスイッチであってもよい。すべてのスイッチは、マイクロプロセッサが選択した電流検知エレメントで測定された電圧に応じてマイクロプロセッサにより制御される。従って、マイクロプロセッサによって所望のレンジの選択が行われることになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スイッチが負荷に対して直列であるため、（スイッチのターンオンによる）ＲＳＥＮＳＥの瞬間的変動によって出力側にトランジェントが生じることになる。ソリッドステートスイッチの場合、一般に「ランピング」回路を使用して、古いエレメントと並列に配置された新しいエレメント内で「フェード」を行って、ループの利得帯域によるグリッチの最小化が可能になる。抵抗器の広いダイナミックレンジに起因して、ランプのタイミングが厄介な問題となることがあり、通常このタイミングの結果としてトレードオフが生じ、その場合、必要な速度よりも低い速度でより高い電流レンジの切替えが行われ、一方、低い電流レンジは、より大きなトランジェントを生じる可能性がある。これらのグリッチとトランジェントとは、通常、出力の安定後同時に発生し、Ａ／Ｄコンバータにより行われる測定に対応する。異なるレンジが必要になる場合、レンジ選択を行う対応処理では、低電流で安定するのに１００ｍｓかかる場合もあるトランジェントが生じる可能性がある。多くの場合、果てしなく続く一連のグリッチが存在する「ハンティング」がノイズによって引き起こされる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によって課題を解決すべきレンジ切替え回路は、直列関係にある複数の目盛り付きインピーダンスのアレイと、前記インピーダンスのうちの一つのインピーダンスの両端間に設けられた電圧検知用兼電圧制限用スイッチとを備えている。このスイッチが検知した電圧に応じて、スイッチは、上記の一つのインピーダンスの両端間の電圧を制限する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図２を参照して述べると、測定装置１０は、レンジ切替え回路１２を含んでいる。増幅器１４が作動すると、トランジスタ１８、電源２０及び回路１２を介して負荷１６の両端間に電圧ＶＤＡＣが印加される。バッファ２２は、バッファ済みバージョンの電圧が電圧フィードバックループに供給する。
【０００９】
回路１２は、例えば、インピーダンスにラベル付けされた目盛り付き(graduated)インピーダンス２４、２６、２８、３０、３２、３４のアレイを含む。これらのインピーダンスの各インピーダンスの両端間には、例えば４ボルトのツェナー電圧を有するバックツーバック（背合わせ）のツエナーダイオード３６が設けられる。
【００１０】
増幅器３８とスイッチ４０、４２とは、回路１２の両端間に現れる電圧を検知するためのピックオフポイントを供給する。スイッチ４０は、測定を目的とする回路１２の電圧を検知するのを可能とし、一方、スイッチ４２は、負荷１６に電流を強制的に流す際に、制御回路へのフィードバックを可能とする。ピックオフポイントが上記２つの目的のために独立して選択される場合に、回路１２の直列性は、ソーシングと測定との分離を可能とすること留意すべきである。
【００１１】
この実施例では、インピーダンス２４、２６、２８、３０、３２、３４の各々によって２０の電流がカバーされる。例えば、１０ＴΩの値を有する負荷１６に１ボルトが印加されると、１００ｐＡの電流が流れ、０．４ボルトがインピーダンス３４の両端間に現れる。
【００１２】
電流が１ｎＡを越えると、直ちに、インピーダンス３４の両端間のツエナーダイオードがクランプして電圧を４ボルトに制限する。次に、インピーダンス３２の両端間に追加の４ボルトが現れると、１００ｎＡまで負荷電流を許容できるようになる。ＶＤＡＣが上昇するにつれて、クランプは、レンジが不飽和状態になるまでターンオンする。１００ｍＡでは、アレイの両端間に２０ボルトが生じることになるが、インピーダンス２６のタップのみは飽和されることはない。インピーダンスの両端間の電圧は、アースＳと関連して測定される。このようにして、回路１２は、実際の測定装置からまったく命令を受けることなく、レンジを「自動的に」切り替えることがわかる。
【００１３】
バックツーバックの態様でダイオード３６が配置されると、両極測定を可能とするが、バックツーバックの態様でない場合、個々のレンジ用の単一ダイオードでもよいことが指摘されるべきである。
【００１４】
図３を参照して述べると、他のレンジ切替え回路１２’が示され、この回路１２’は、ツエナーダイオードに代えてＭＯＳＦＥＴ４４を使用している。両抵抗器４６、４８の両端間の電圧がＭＯＳＦＥＴ４４のしきい値電圧に達するまで、電流が両抵抗器４６、４８を流れる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ４４は、インピーダンス４８と平行して電流の流れを開始する。電流が増加すると、インピーダンス４６の両端間の電圧降下も増加し、この電圧降下の増加によってＭＯＳＦＥＴ４４の導通の増加が引き起こされて、インピーダンス４８の両端間の電圧を減少することになる。この結果、インピーダンス４６、４８の組み合わせの両端間の総電圧は、インピーダンス４６の両端間に電流の増加が発生する量分だけ増加することになる。
【００１５】
図４を参照して述べると、更に他のレンジ切替え回路１２’’が示され、この回路１２’’は、バイアス電圧源５０を付加してＭＯＳＦＥＴ４４のしきい値電圧を制御するようにしている。
【００１６】
図５を参照して述べると、更に他のレンジ切替え回路１２’’’が示され、この回路１２’’’は、増幅器５２、ダイオード５４および保護インピーダンス５６を付加している。これらの３つの付加エレメントは、非常に低い電流の測定の場合に、測定されるＭＯＳＦＥＴからの漏出を防止する保護として作用する。
【００１７】
図６を参照して述べると、更に他の別のレンジ切替え回路１２’’’’が示され、この回路１２’’’’は、関連するバイアス電圧源６０とダイオード６２と共に、バックツーバックＭＯＳＦＥＴ５８を付加して、この回路１２’’’’の作動を双極性としている。
【００１８】
本発明のレンジ切替え回路は、コントローラからのコマンドを必要とせず「自動的に」レンジを変えるものであった。１つ又はそれ以上の目盛り付きインピーダンスは、その両端間に、電圧検知スイッチを有すると効果的であり、この電圧検知スイッチは、電圧を検知し、レンジインピーダンスの電圧降下を制限する。この電圧検知スイッチは、回路構成を単純化し、小型化する。その上、レンジ切替えは、一層滑らかで、信頼性も一層高くなる。
【００１９】
電流を強制的に流す場合、レンジインピーダンス短絡を設けて、一層高い値の検知エレメントを作動不能にし、これら検知エレメントをアレイから除去するほうが望ましい場合もある。
【００２０】
本明細書の記載は、例示的であり、この明細書に含まれる教示の正しい範囲から逸脱することなく、細部の追加、修正または除去を行うことにより種々の変更を行うことができるとは自明である。従って、特許請求の範囲によって必然的に限定されている範囲を除いて、本発明は、この明細書の特定の細部に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来技術の装置の系統図である。
【図２】本発明による例示装置の系統図である。
【図３】本発明による他の例示装置の系統図である。
【図４】本発明による基づく追加の例示装置の系統図である。
【図５】本発明による更に他の例示装置の系統図である。
【図６】本発明による更に他の例示装置の系統図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０ 測定装置
１２、１２’、１２’’’、１２’’’’ レンジ切替え回路
１４ 増幅器
１６ 負荷
１８ トランジスタ
２０ 電源
２２ バッファ
２４、２６、２８、３０、３２、３４ 目盛り付きインピーダンス
３６ ツエナーダイオード
３８ 増幅器
４０、４２ スイッチ
４４ ＭＯＳＦＥＴ
４６、４８ 抵抗器
５０ バイアス電圧源
５２ 増幅器
５４ ダイオード
５６ 保護インピーダンス
５８ バックツーバックＭＯＳＦＥＴ
６０ バイアス電圧源
６２ ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列関係にある複数の目盛り付きインピーダンスのアレイと、前記インピーダンスのうちの一つのインピーダンスの両端間に設けられた電圧検知用兼電圧制限用スイッチとを備え、前記スイッチは、該スイッチによって検知された電圧に応じて、前記一つのインピーダンスの両端間の電圧を制限するレンジ切替え回路。
【請求項２】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチは、ツエナーダイオードを含むレンジ切替え回路。
【請求項３】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチがＭＯＳＦＥＴを含むレンジ切替え回路。
【請求項４】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチがツエナーダイオードのバックツーバックペアを備えたレンジ切替え回路。
【請求項５】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチがＭＯＳＦＥＴのバックツーバックペアを含むレンジ切替え回路。
【請求項６】
請求項３に記載のレンジ切替え回路であって、前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルがバイアス電圧と直列状態にあり、前記バイアス電圧が前記電圧制限値を決定するレンジ切替え回路。
【請求項７】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチが保護されているレンジ切替え回路。
【請求項１】
直列関係にある複数の目盛り付きインピーダンスのアレイと、前記インピーダンスのうちの一つのインピーダンスの両端間に設けられた電圧検知用兼電圧制限用スイッチとを備え、前記スイッチは、該スイッチによって検知された電圧に応じて、前記一つのインピーダンスの両端間の電圧を制限するレンジ切替え回路。
【請求項２】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチは、ツエナーダイオードを含むレンジ切替え回路。
【請求項３】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチがＭＯＳＦＥＴを含むレンジ切替え回路。
【請求項４】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチがツエナーダイオードのバックツーバックペアを備えたレンジ切替え回路。
【請求項５】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチがＭＯＳＦＥＴのバックツーバックペアを含むレンジ切替え回路。
【請求項６】
請求項３に記載のレンジ切替え回路であって、前記ＭＯＳＦＥＴのチャネルがバイアス電圧と直列状態にあり、前記バイアス電圧が前記電圧制限値を決定するレンジ切替え回路。
【請求項７】
請求項１に記載のレンジ切替え回路であって、前記スイッチが保護されているレンジ切替え回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２４２９３７（Ｐ２００６−２４２９３７Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３９０９２（Ｐ２００５−３３９０９２）
【出願日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（５０５４３６０１４）キースリー インストルーメンツ インコーポレイテッド (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月２４日（２００５．１１．２４）
【出願人】（５０５４３６０１４）キースリー インストルーメンツ インコーポレイテッド (18)
【Ｆターム（参考）】
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