特開 2024-167707 電圧電流発生器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024167707

(43)【公開日】2024-12-04

(54)【発明の名称】電圧電流発生器

(51)【国際特許分類】

   G01R 19/00 20060101AFI20241127BHJP

   G01R 27/02 20060101ALI20241127BHJP

【ＦＩ】

G01R19/00 D

G01R27/02 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023083959

(22)【出願日】2023-05-22

(71)【出願人】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】596157780

【氏名又は名称】横河計測株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】230128026

【弁護士】

【氏名又は名称】駒木 寛隆

(72)【発明者】

【氏名】杉原 吉信

(72)【発明者】

【氏名】土田 直人

【テーマコード（参考）】

2G028

2G035

【Ｆターム（参考）】

2G028AA05

2G028BB10

2G028CG08

2G028DH06

2G035AA14

2G035AA18

2G035AB11

2G035AC03

2G035AC11

2G035AD28

2G035AD55

(57)【要約】

【課題】ソースメジャーユニットの出力の応答改善を簡易な設定にて実現可能にする。
【解決手段】電圧電流発生器（１）は、ユーザからの操作を受け付ける操作部（１１）と、負荷（３０）に対して電気信号を出力する出力部（１６）と、出力部（１６）が出力した電気信号の測定値を検出する検出部（１７，１８）と、操作部（１１）を介してユーザにより設定された電気信号の目標値と、検出部が検出した電気信号の測定値との偏差に基づき、電気信号の測定値が目標値に近づくように出力部（１６）の動作を制御する制御演算部（１５）と、を備え、制御演算部（１５）は、操作部（１１）を介してユーザにより設定された負荷（３０）のインピーダンス値に基づき、出力部（１６）の出力抵抗及び負荷（３０）におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行う。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ユーザからの操作を受け付ける操作部と、
負荷に対して電気信号を出力する出力部と、
前記出力部が出力した前記電気信号の測定値を検出する検出部と、
前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号の目標値と、前記検出部が検出した前記電気信号の測定値との偏差に基づき、前記電気信号の測定値が前記目標値に近づくように前記出力部の動作を制御する制御演算部と、
を備え、
前記制御演算部は、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記負荷のインピーダンス値に基づき、前記出力部の出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行う、
電圧電流発生器。

【請求項2】

前記制御演算部は、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号のレンジに応じた前記出力部の出力抵抗に基づき、前記出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行う、請求項１に記載の電圧電流発生器。

【請求項3】

前記出力部は、前記負荷に対して、定電圧信号を前記電気信号として出力し、
前記検出部は、前記出力部が出力した前記電気信号の電圧値を前記測定として検出し、
前記制御演算部は、
前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号の電圧の目標値と、前記検出部が検出した前記電気信号の電圧値との偏差に基づき、前記出力部の動作を制御するとともに、
前記負荷のインピーダンス値として、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記負荷の抵抗値及び容量値に基づき、前記出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記補償動作を含む制御を行う、
請求項１又は２に記載の電圧電流発生器。

【請求項4】

前記出力部は、前記負荷に対して、定電流信号を前記電気信号として出力し、
前記検出部は、前記出力部が出力した前記電気信号の電流値を前記測定として検出し、
前記制御演算部は、
前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号の電流の目標値と、前記検出部が検出した前記電気信号の電流値との偏差に基づき、前記出力部の動作を制御するとともに、
前記負荷のインピーダンス値として、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記負荷の抵抗値及びインダクタンス値に基づき、前記出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記補償動作を含む制御を行う、
請求項１又は２に記載の電圧電流発生器。

【請求項5】

前記制御演算部は、前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記制御として、所定の周波数以上の帯域における前記電気信号に対するゲインの最大値が制限された特性を付加するように調整された制御を行う、請求項１又は２に記載の電圧電流発生器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ソースメジャーユニットの電圧電流発生に関する。

【背景技術】

【0002】

ソースメジャーユニット（ＳＭＵ）は、直流電圧・電流の発生(ソース)と測定(メジャー)機能を一体化したものであり、指定された値の定電圧又は定電流を負荷に供給するとともに、負荷における実際の電圧又は電流を測定することができる機器である。一般的にソースメジャーユニットは、半導体及び電子部品等のデバイスの特性評価及び検査等に使用されている。ソースメジャーユニットにおいては、評価及び検査の効率化のため、電圧及び電流の発生において、目標値への整定時間が短いことが要求される。特許文献１には、ソースメジャーユニットに関する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許第８７９７０２５明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に記載のソースメジャーユニットは、ユーザが算出困難なパラメータを設定する必要があり、操作が困難だった。

【0005】

そこで、本開示は、ソースメジャーユニットの出力の応答改善を簡易な設定にて実現可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

幾つかの実施形態に係る電圧電流発生器は、
（１）ユーザからの操作を受け付ける操作部と、
負荷に対して電気信号を出力する出力部と、
前記出力部が出力した前記電気信号の測定値を検出する検出部と、
前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号の目標値と、前記検出部が検出した前記電気信号の測定値との偏差に基づき、前記電気信号の測定値が前記目標値に近づくように前記出力部の動作を制御する制御演算部と、
を備え、
前記制御演算部は、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記負荷のインピーダンス値に基づき、前記出力部の出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行う。

【0007】

したがって、ユーザは、外部から知ることが困難な出力部の出力抵抗を考慮することなく、負荷のインピーダンス値の設定という簡易な設定を行うだけで、電圧電流発生器の出力の応答を改善することができる。

【0008】

一実施形態において、
（２）前記（１）の電圧電流発生器において、
前記制御演算部は、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号のレンジに応じた前記出力部の出力抵抗に基づき、前記出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記補償動作を含む制御を行ってもよい。

【0009】

したがって、ユーザが外部から知ることが困難なレンジに応じた出力抵抗を設定しなくても、電圧電流発生器は、緻密な制御により出力の応答を改善することができる。

【0010】

一実施形態において、
（３）前記（１）又は（２）の電圧電流発生器において、
前記出力部は、前記負荷に対して、定電圧信号を前記電気信号として出力し、
前記検出部は、前記出力部が出力した前記電気信号の電圧値を前記測定として検出し、
前記制御演算部は、
前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号の電圧の目標値と、前記検出部が検出した前記電気信号の電圧値との偏差に基づき、前記出力部の動作を制御するとともに、
前記負荷のインピーダンス値として、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記負荷の抵抗値及び容量値に基づき、前記出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記補償動作を含む制御を行ってもよい。

【0011】

したがって、ユーザは、簡易な設定を行うだけで、電圧電流発生器の定電圧出力の応答を改善することができる。

【0012】

一実施形態において、
（４）前記（１）から（３）のいずれかの電圧電流発生器において、
前記出力部は、前記負荷に対して、定電流信号を前記電気信号として出力し、
前記検出部は、前記出力部が出力した前記電気信号の電流値を前記測定として検出し、
前記制御演算部は、
前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記電気信号の電流の目標値と、前記検出部が検出した前記電気信号の電流値との偏差に基づき、前記出力部の動作を制御するとともに、
前記負荷のインピーダンス値として、前記操作部を介して前記ユーザにより設定された前記負荷の抵抗値及びインダクタンス値に基づき、前記出力抵抗及び前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記補償動作を含む制御を行ってもよい。

【0013】

したがって、ユーザは、簡易な設定を行うだけで、電圧電流発生器の定電流出力の応答を改善することができる。

【0014】

一実施形態において、
（５）前記（１）から（４）のいずれかの電圧電流発生器において、
前記制御演算部は、前記負荷におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための前記制御として、所定の周波数以上の帯域における前記電気信号に対するゲインの最大値が制限された特性を付加するように調整された制御を行ってもよい。

【0015】

したがって、電圧電流発生器に負荷が接続されていない場合であっても、電圧電流発生器の動作が不安定になることを防止することができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示の一実施形態によれば、ソースメジャーユニットの出力の応答改善を簡易な設定にて実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】比較例に係るソースメジャーユニットの構成を示す図である。

【図2】一実施形態に係る電圧電流発生器の構成例を示すブロック図である。

【図3】ソースメジャーユニットにおける最適な出力波形のグラフの一例を示す図である。

【図4】ソースメジャーユニットにおけるオーバーシュート及びリンギングが生じた出力波形のグラフの一例を示す図である。

【図5A】負荷のインピーダンスに対応する回路構成を示す図である。

【図5B】負荷のインピーダンスに対応する回路構成を示す図である。

【図6】ローパスフィルタの逆特性を与える回路の一例を示す図である。

【図7】図５Ａの負荷のゲイン特性を示す図である。

【図8】図６の回路のゲイン特性を示す図である。

【図9】図４の出力波形のグラフを最適化した一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜比較例＞
図１は、比較例（特許文献１）に係るＳＭＵ９の構成を示す図である。ユーザは、ユーザインターフェースを介してＳＭＵ９にアクセスし、ゲイン帯域幅(ＧＢＷ)、補償周波数、及び、ポール／ゼロ比（極／零点比）に対応する３つの所望の値を入力する。ＧＢＷは、積分器のゲインがどれだけ高いかに対応する。補償周波数は、ポール周波数とゼロ周波数の幾何平均に対応する。ポール・ゼロ比は、ポール周波数とゼロ周波数の比に対応する。

【0019】

図１のＳＭＵ９は、ユーザが入力したＧＢＷ、補償周波数、及び、ポール／ゼロ比の値から決定されるパラメータＡ、Ｂ、及び、Ｆを使用して、フィードバックループを補償する。図１のように、入力信号ｘ_i（ｉ番目のサンプルを表す）は、乗算器ブロック９１、及び、遅延９２に入力される。乗算器ブロック９１は、入力信号ｘ_iをパラメータＡで乗算する。遅延９２の出力は、乗算器ブロック９３に入力される。乗算器ブロック９３は、遅延９２の出力をパラメータＢで乗算する。加算器９５は、乗算器ブロック９１の出力、乗算器ブロック９３の出力、及び、乗算器ブロック９４の出力を入力する。加算器９５の出力は、フィードバック信号として遅延９６に供給される。乗算器ブロック９４は、遅延９６の出力をパラメータＦで乗算する。

【0020】

Ａ、Ｂ、及び、Ｆのデフォルト値は、ＳＭＵ９にロードされるデフォルト値に基づいて計算され、その後、ユーザによって変更される。ＳＭＵ９は、デジタルフィードバックループのＧＢＷ、補償周波数、及び、ポール／ゼロ比をプログラム可能とすることで、特定の負荷に対して補償を自由に調整し、オーバーシュート及びリンギングを抑え、整定時間を短縮する。

【0021】

しかし、比較例に係る構成は、ＧＢＷ、補償周波数、及び、ポール／ゼロ比等の、直感的でない算出が困難なパラメータを入力する必要がある。また、ユーザが適切な設定値を求めるためには、装置内の出力部の出力抵抗も考慮する必要があるが、そのような出力抵抗は一般にユーザに開示されない情報である。出力部の出力抵抗が変化する場合、例えば、レンジ変更時等において、最適な調節状態を維持することができない。このように、比較例に係る構成は、算出が困難なパラメータを設定する必要があり、操作が困難だった。

【0022】

＜実施形態＞
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。各図面中、同一の構成又は機能を有する部分には、同一の符号を付している。本実施形態の説明において、同一の部分については、重複する説明を適宜省略又は簡略化する場合がある。

【0023】

図２は、一実施形態に係る電圧電流発生器１の構成例を示すブロック図である。電圧電流発生器１は、負荷３０に対して、電圧又は電流が目標値に整定された電気信号を発生させる。図２に示すように、電圧電流発生器１は、操作部１１、パラメータ変換部１２、比較部１３，１４、制御演算部１５、出力部１６、電圧検出部１７、及び、電流検出部１８を備える。

【0024】

なお、電圧電流発生器１はソースメジャーユニットとして実現し得るが、図２では、電圧又は電流を目標値に整定するための構成以外については、図示を省略している。例えば、図２では、電圧又は電流の測定値を平均化する演算部、保存する記憶部、及び、ユーザに表示する表示部等を省略している。また、例えば、図２は、パラメータ変換部１２から比較部１３，１４に対して目標値を設定するための制御線を示しているが、他の制御線が存在してもよい。具体的には、例えば、パラメータ変換部１２から制御対象のブロックへ、レンジ制御及び出力のオンオフ制御に関する制御線が接続されてもよい。

【0025】

操作部１１は、電圧又は電流の目標値、負荷３０のインピーダンス値（インダクタンスＬ₁、容量Ｃ₁、及び、抵抗Ｒ₃）、並びに、レンジ等の操作情報の設定をユーザから受け付ける。操作部１１は、例えば、ボタン、スイッチ、及び、タッチパネル等の入力部、並びに、電圧電流発生器１の演算結果等を表示する表示部を備えてもよい。操作部１１は、設定値をパラメータ変換部１２へ出力する。

【0026】

パラメータ変換部１２は、操作部１１で受け付けた値を内部情報に変換して、比較部１３，１４を含む各構成要素に設定する。

【0027】

比較部１３，１４は、目標値と帰還値との偏差を算出する。比較部１３は、電圧に関する目標値と帰還値との偏差を算出する。比較部１４は、電流に関する目標値と帰還値との偏差を算出する。比較部１３，１４は、算出した偏差を制御演算部１５へ出力する。

【0028】

制御演算部１５は、電圧偏差及び電流偏差の何れか一方を選択するとともに、制御ループの位相補償を行う。後述するように、制御演算部１５は、負荷３０のインピーダンス値に基づき、出力制御を行う。

【0029】

出力部１６は、制御演算部１５の出力を受けて、負荷３０への出力端子を電気的に駆動する。出力部１６は、出力電圧を電圧検出部１７へ出力する。出力部１６は、出力配線に直列に挿入した電流検出抵抗（シャント抵抗）を備え、電流検出抵抗の両端の電位差を電流検出部１８へ出力する。

【0030】

電圧検出部１７は、出力電圧に比例した信号をレンジ毎にスケーリングし、数値化する。電圧検出部１７は、数値化された出力電圧の信号を比較部１３へ出力する。

【0031】

電流検出部１８は、出力電流に比例した信号をレンジ毎にスケーリングし数値化する。電流検出部１８は、数値化された出力電流の信号を比較部１４へ出力する。

【0032】

負荷３０は、電圧電流発生器１の出力端子を通じて電圧電流発生器１の出力部１６に接続される。

【0033】

電圧電流発生器１による定電圧出力の動作の概要は、次のとおりである。操作部１１は、ユーザから設定情報を受け付け、電圧設定値をパラメータ変換部１２へ出力する。パラメータ変換部１２は、電圧設定値を内部情報に変換し、電圧目標値を比較部１３へ出力する。比較部１３は、電圧目標値と電圧検出部１７の出力とを比較し、電圧偏差を制御演算部１５へ出力する。制御演算部１５は、電圧偏差を選択して制御ループの位相補償を行い、制御値を出力部１６へ出力する。出力部１６は、制御演算部１５の出力を受けて、負荷３０を電気的に駆動する。電圧検出部１７は、出力部１６から出力された電圧に比例した信号を数値化し、比較部１３へ出力する。

【0034】

電圧電流発生器１による定電流出力の動作の概要は、次のとおりである。操作部１１は、ユーザから設定情報を受け付け、電流設定値をパラメータ変換部１２へ出力する。パラメータ変換部１２は、電流設定値を内部情報に変換し、電流目標値を比較部１４へ出力する。比較部１４は、電流目標値と電流検出部１８の出力とを比較し、電流偏差を制御演算部１５へ出力する。制御演算部１５は、電流偏差を選択して制御ループの位相補償を行い、制御値を出力部１６へ出力する。出力部１６は、制御演算部１５の出力を受けて、負荷３０を電気的に駆動する。電流検出部１８は、出力部１６から出力された電流に比例した信号を数値化し、比較部１４へ出力する。このように、電圧電流発生器１は、定電圧、及び、定電流のどちらを出力する場合でも負帰還ループを構成する。

【0035】

電圧電流発生器１においては、出力電圧又は出力電流の目標値が設定された場合、オーバーシュート及びリンギングが小さく、出力電圧又は出力電流を目標値に短時間で整定するような応答特性が望まれる。以下、出力電圧の整定における応答特性につき、図３及び図４を参照して説明する。

【0036】

図３は、一般的なソースメジャーユニットにおける最適な出力波形のグラフ１０１の一例を示す図である。図３において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図３の例において、グラフ１０１は、短い時間である時刻ｔ₀で電圧の目標値ｖ₀に到達している。このような望ましい特性は、電圧電流発生器１内の制御演算部１５、出力部１６、及び、装置の出力抵抗と、装置外の負荷３０による応答特性とを合成した特性が、一巡ゲインが１より大きい範囲で１次の積分特性となるように制御演算部１５の特性を調節することで得られる。

【0037】

図４は、一般的なソースメジャーユニットにおけるオーバーシュート及びリンギングが生じた出力波形のグラフ１０２の一例を示す図である。オーバーシュートとは、制御対象の値（電圧、電流等）が目標値を超えて大きく変動することをいう。リンギングとは、制御対象の値が目標値付近で振動して変動することをいう。電圧又は電流についてオーバーシュート又はリンギングが生じると、目標値への整定時間が長くなってしまう。例えば、無負荷のときに、最適な応答を得られるように制御演算部の特性を定めた場合、負荷に容量（コンデンサ）を接続すると、出力部の出力抵抗と負荷容量による積分特性（すなわちローパスフィルタ特性）のために、位相余裕が減少してオーバーシュート及びリンギングが生じる。

【0038】

そこで、本実施形態に係る電圧電流発生器１は、このようなローパスフィルタとしての作用を打ち消すような補償動作を含む制御を行うことで、オーバーシュート及びリンギングを抑えて目標値への整定時間を短縮化する。例えば、出力部１６の出力抵抗は既知であるから、負荷３０の容量を知ることで時定数を算出できる。そこで、制御演算部１５は、電圧又は電流の目標値との偏差に応じた位相補償の制御に加えて、負荷３０によるローパスフィルタの逆特性を付加した制御を行い、一巡ゲインを１次の積分特性、即ち、最適な特性にする。後述するように、制御演算部１５は、負荷３０のインピーダンス値（例えば、インダクタンスＬ₁、容量Ｃ₁、及び、抵抗Ｒ₃の少なくともいずれか）に基づき負荷３０のローパスフィルタとしての作用を打ち消す逆特性を実現する。したがって、電圧電流発生器１によれば、ソースメジャーユニットの出力の応答改善を簡易な設定にて実現することができる。

【0039】

定電圧を出力する際にこのような逆特性を実現するための処理につき、図５Ａ、図５Ｂ及び図６を参照して説明する。図５Ａ及び図５Ｂは、出力部１６の出力抵抗及び負荷３０に対応する回路構成を示す図である。図５Ａは、負荷３０が容量Ｃ₁のみで構成される場合を示し、図５Ｂは、負荷３０が容量Ｃ₁と抵抗Ｒ₃との並列回路で構成される場合を示す。図５Ａ及び図５Ｂは、出力部１６の出力抵抗と負荷３０とのインピーダンスをＲＣローパスフィルタにより模した場合の例を示している。ここで説明の簡略化のため、図５Ａのように負荷３０が容量Ｃ₁のみの場合について説明する。図５ＡのＲＣローパスフィルタは、入力信号に並列する容量Ｃ₁、及び、入力信号と直列する抵抗Ｒ₁から成る１次ローパスフィルタである。入力電圧をｖ_in（ｔ）、出力電圧をｖ_out（ｔ）、回路を流れる電流をｉ（ｔ）、出力部１６の出力抵抗値をＲ₁、負荷３０のコンデンサの容量をＣ₁とする。この場合、入力電圧をｖ_in（ｔ）と出力電圧をｖ_out（ｔ）とは、数１のような関係となる。

【0040】

【数1】

ここで、

は、ｖ_out（ｔ）を時間ｔで微分した値である。

【0041】

数１をラプラス変換すると、数２が得られる。

【0042】

【数2】

【0043】

ここで、時定数τ＝Ｒ₁Ｃ₁とすると、伝達関数Ｇ（ｓ）は数３のようになる。

【0044】

【数3】

【0045】

伝達関数Ｇ（ｓ）の逆関数Ｇ_inv（ｓ）は、数４のように表される。

【0046】

【数4】

【0047】

したがって、制御演算部１５は、数４の伝達関数により表される特性を実現することで、出力部１６及び負荷３０におけるローパスフィルタに類似する作用をキャンセルして、図５Ａのｖ_out（ｔ）のオーバーシュート及びリンギングを抑えることが可能である。図６は、このようなローパスフィルタの逆特性を与える回路の一例を示す図である。図６の回路は、位相反転を除きＧ_inv（ｓ）の特性を有する。図６の回路において、入力抵抗及び帰還抵抗は、どちらも抵抗値Ｒ₂を有する。また、入力抵抗に並列のコンデンサの容量をＣ₂とする。ここでＲ₂とＣ₂は、数５の要件を満たす。

【0048】

【数5】

【0049】

図７は、図５Ａの負荷３０のゲイン特性を示す図である。図８は、図６の回路のゲイン特性を示す図である。換言すると、図７は伝達関数Ｇ（ｓ）のゲイン線図のグラフ１０３を示し、図８は逆関数Ｇ_inv（ｓ）のゲイン線図のグラフ１０４を示す。図７及び図８において、横軸は角周波数ωの対数を示し、縦軸はｄＢ（デシベル）で表したゲイン（利得）を示す。図７及び図８において、簡単のため、グラフ１０３，１０４は、折れ線により現実のゲイン線図を近似している。図７及び図８が示すように、グラフ１０３，１０４の折れ線のコーナーの角周波数ωは、ω＝１／τとなる。

【0050】

図７において、角周波数ωが１／τ以上の範囲において、グラフ１０３は、１次の積分特性を示す。これに対して、図８において、角周波数ωが１／τ以上の範囲において、グラフ１０４は微分特性を示している。したがって、図７のグラフ１０３に対して図８のグラフ１０４を足し合わせた場合、角周波数ωが１／τ以上の範囲におけるグラフ１０３，１０４の傾きの影響が互いに打ち消しあう。換言すると、制御演算部１５による逆特性の制御は、角周波数ωが１／τ以上の範囲において信号を増幅することに対応する。なお、図６の例において、出力ｖ_out（ｔ）の位相は入力ｖ_in（ｔ）から反転するため、出力ｖ_out（ｔ）の後段に反転回路を付与してもよい。また、図６はアナログ素子により逆関数Ｇ_inv（ｓ）を構成した例を示しているが、制御演算部１５は、デジタル演算により逆関数Ｇ_inv（ｓ）を実現してもよい。

【0051】

以上のように、図５Ａのような出力部１６の出力抵抗と負荷３０の容量とのインピーダンスに基づき発生する、抵抗値Ｒ₁の抵抗と容量Ｃ₁のコンデンサで構成される１次ローパスフィルタとしての影響に対し、制御演算部１５は、時定数が等しい抵抗値Ｒ₂と容量Ｃ₂で構成される図６のような回路を実現することにより、出力部１６及び負荷３０における積分特性をキャンセルすることができる。図９は、図４の出力波形のグラフ１０２を最適化した一例を示す図である。図９において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。グラフ１０５は、オーバーシュート及びリンギングが生じた出力波形の例を示す。グラフ１０６は、出力部１６及び負荷３０のローパスフィルタとしての特性を相殺する逆特性を制御演算部１５により加えて最適化した出力波形の例を示す。

【0052】

このように、電圧電流発生器１は、負荷３０のインピーダンス値（例えば、インダクタンスＬ₁、容量Ｃ₁、及び、抵抗Ｒ₃の少なくともいずれか）に基づき負荷３０のローパスフィルタとしての作用を打ち消す逆特性を取得して、電気信号の出力を制御する。したがって、電圧電流発生器１によれば、ソースメジャーユニットの出力の応答改善を簡易な設定にて実現することが可能となる。

【0053】

上記のように、電圧電流発生器１が負荷３０に対して定電圧を出力する場合、負荷３０の容量Ｃ₁と出力部１６の出力抵抗Ｒ₁は、図５Ａのような容量Ｃ₁と抵抗Ｒ₁の並列回路が接続されたローパスフィルタとして作用する。ここで、図５Ｂのように、負荷３０におけるＣ₁と並列の抵抗Ｒ₃の影響も考慮すると、負荷３０によるローパスフィルタの時定数τは、τ＝Ｒ₁×Ｒ₃/（Ｒ₁＋Ｒ₃）×Ｃ₁となる。そこで、制御演算部１５は、負荷３０の容量Ｃ₁及び出力部１６の出力抵抗Ｒ₁に加えて、抵抗Ｒ₃も考慮した時定数τ（＝Ｒ₁×Ｒ₃/（Ｒ₁＋Ｒ₃）×Ｃ₁）について、Ｒ₂Ｃ₂＝τを満たすようなＲ₂、Ｃ₂に対して図６の回路により示される逆特性の制御を行ってもよい。このような構成によれば、電圧電流発生器１は、既知の出力抵抗Ｒ₁及び負荷３０のインピーダンスを用いたより精緻な制御によりオーバーシュート及びリンギングの発生を抑えて、より短時間で出力電圧を目標値に整定することができる。また、ユーザは、負荷３０の容量Ｃ₁及び抵抗Ｒ₃を入力するだけでよいため、操作が容易である。

【0054】

電圧電流発生器１は、負荷３０に対して定電流を出力する場合においても、定電圧を出力する場合と同様に負荷３０のローパスフィルタとしての作用をキャンセルする制御を行うことで、出力電流を短時間で制定することができる。具体的には、定電流出力の場合、負荷３０は、出力部１６の既知の出力抵抗Ｒ₁と、負荷３０における負荷抵抗Ｒ₃と、それに直列のインダクタンスＬ₁に対して、時定数τが、τ＝Ｌ₁／（Ｒ₁＋Ｒ₃）のローパスフィルタとして作用する。そこで、制御演算部１５は、このような負荷３０のローパスフィルタとしての作用を打ち消すような逆特性の制御を行ってもよい。このような構成によれば、電圧電流発生器１は、既知の出力抵抗Ｒ₁を用いたより精緻な制御によりオーバーシュート及びリンギングの発生を抑えて、より短時間で出力電流を目標値に整定することができる。また、ユーザは、負荷３０の抵抗Ｒ₃及び抵抗Ｒ₃に直列なインダクタンスＬ₁を入力するだけでよいため、操作が容易である。定電流を発生させる場合と同様に、制御演算部１５は、デジタル演算により逆特性の制御を実現してもよい。

【0055】

このように、電圧電流発生器１のユーザは、電圧電流発生器１の出力抵抗Ｒ₁を知らなくても、負荷３０のインダクタンスＬ₁、容量Ｃ₁、及び、抵抗Ｒ₃を入力するだけで、整定時間が短い定電圧及び定電流を電圧電流発生器１に発生させることができる。また、電圧電流発生器１は、出力の各レンジについての出力抵抗Ｒ₁を予め保持しておき、ユーザにより選択された電圧又は電流のレンジに応じた出力抵抗Ｒ₁を用いて負荷３０のローパスフィルタとしての作用を打ち消すような逆特性の制御を行ってもよい。このような構成によれば、レンジを変更することで出力部１６の出力抵抗Ｒ₁が変化したとしても、電圧電流発生器１は、ユーザが設定変更のための操作を行うことなく、オーバーシュート及びリンギングが生じない、整定時間が短い最適な調節状態を維持することができる。したがって、例えば、オートレンジとして知られる機能、即ち、測定値に応じて最適なレンジを選択する機能を電圧電流発生器１に導入した場合においても、ユーザは、負荷３０のインピーダンス値を設定するだけで、電圧電流発生器１にレンジを自動的に選択させることができる。

【0056】

ここまでは、図２のように、電圧電流発生器１に負荷３０が接続されている場合の動作を説明したが、電圧電流発生器１に負荷３０が接続されていない場合に、制御演算部１５がローパスフィルタの逆特性を付加するための制御を行うと、動作が不安定になる場合がある。例えば、電圧発生の動作において、出力部１６の出力端子が開放されている状態で、制御演算部１５が図８のような逆特性を付与する制御を行うと、図７に示される一巡ループ内のローパスフィルタの作用がない状態で高周波域でのゲインが過剰になる。そのため、電圧電流発生器１の動作が不安定になる場合がある。電流発生の動作において、出力部１６の出力端子が短絡されている状態で、制御演算部１５が逆特性を付与する制御を行った場合も、ローパスフィルタの作用がない状態で高周波域でのゲインが過剰になるため、電圧電流発生器１の動作が不安定になる場合がある。

【0057】

このような現象を防止するために、電圧電流発生器１は、付加する逆特性のゲインの最大値を制限するとともに、負荷設定時のループ帯域幅を減少させるように、制御演算部１５を調節してもよい。これにより、予期せずに負荷３０が断線したような場合でも、電圧電流発生器１は、発振などの不安定な状態にはならず、安定な動作を維持することができる。このような制御演算部１５の調節を行う場合においても、ユーザが電圧電流発生器１に対して設定する必要があるパラメータは、外部に接続した負荷３０のインピーダンス値のみである。すなわち、ユーザは、負荷３０の、負荷抵抗Ｒ₃、負荷抵抗Ｒ₃に並列の容量Ｃ₁、及び、負荷抵抗Ｒ₃に直列のインダクタンスＬ₁の少なくともいずれかを設定するだけでよい。

【0058】

以上のように、本実施形態に係る電圧電流発生器１は、操作部１１、出力部１６、検出部（１７，１８）、及び、制御演算部１５を備える。操作部１１は、ユーザからの操作を受け付ける。出力部１６は、負荷３０に対して電気信号を出力する。検出部（１７，１８）は、出力部１６が出力した電気信号の測定値を検出する。制御演算部１５は、操作部１１を介してユーザにより設定された電気信号の目標値と、検出部（１７，１８）が検出した電気信号の測定値との偏差に基づき、電気信号の測定値が目標値に近づくように出力部１６の動作を制御する。ここで、制御演算部１５は、操作部１１を介してユーザにより設定された負荷３０のインピーダンス値に基づき、出力部１６及び負荷３０におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行う。したがって、ユーザは、外部から知ることが困難な出力部１６の出力抵抗Ｒ₁を考慮しなくても、簡易な設定を行うだけで、電圧電流発生器１の出力の応答を改善することができる。

【0059】

なお、電圧電流発生器１は、ユーザが設定する負荷３０のインピーダンス値が必ずしも正確でなくても、インピーダンス値に応じた逆特性を電気信号の特性に付加することで、一巡ゲインが１よりも大きい範囲で１次の積分特性となるように特性を調節することができる。したがって、ユーザは、負荷３０のインピーダンス値として正確な値が分からない場合であっても、概略値を入力するだけで、電圧電流発生器１の出力の応答を改善することができる。

【0060】

また、制御演算部１５は、操作部１１を介してユーザにより設定された電気信号のレンジに応じた出力抵抗Ｒ₁に基づき、出力部１６及び負荷３０におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための制御を行ってもよい。したがって、ユーザが外部から知ることが困難なレンジに応じた出力抵抗Ｒ₁を設定しなくても、電圧電流発生器１は、緻密な制御により出力の応答を改善することができる。

【0061】

また、出力部１６は、負荷３０に対して、定電圧信号を電気信号として出力してもよい。電圧検出部１７は、出力部１６が出力した電気信号の電圧値を測定として検出してもよい。制御演算部１５は、操作部１１を介してユーザにより設定された電気信号の電圧の目標値と、電圧検出部１７が検出した電気信号の電圧値との偏差に基づき、出力部１６の動作を制御してもよい。制御演算部１５は、負荷３０のインピーダンス値として、操作部１１を介してユーザにより設定された負荷３０の抵抗値及び容量値に基づき、出力部１６及び負荷３０におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行ってもよい。したがって、ユーザは、簡易な設定を行うだけで、電圧電流発生器１の定電圧出力の応答を改善することができる。

【0062】

また、出力部１６は、負荷３０に対して、定電流信号を電気信号として出力してもよい。電流検出部１８は、出力部１６が出力した電気信号の電流値を測定として検出してもよい。制御演算部１５は、操作部１１を介してユーザにより設定された電気信号の電流の目標値と、電流検出部１８が検出した電気信号の電流値との偏差に基づき、出力部１６の動作を制御してもよい。制御演算部１５は、負荷３０のインピーダンス値として、操作部１１を介してユーザにより設定された負荷３０の抵抗値及びインダクタンス値に基づき、出力部１６及び負荷３０におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための補償動作を含む制御を行ってもよい。したがって、ユーザは、簡易な設定を行うだけで、電圧電流発生器１の定電流出力の応答を改善することができる。

【0063】

また、制御演算部１５は、負荷３０におけるローパスフィルタとしての作用を打ち消すための制御として、所定の周波数以上の帯域における電気信号に対するゲインの最大値が制限された特性を付加するとともに、全帯域に亘ってゲインを減少させるように調整された制御を行ってもよい。したがって、電圧電流発生器１に負荷３０が接続されていない場合であっても、電圧電流発生器１の動作が不安定になることを防止することができる。

【0064】

以上のように、本実施形態によれば、電圧電流を印加する電圧電流発生器１において、接続対象のインピーダンスによる影響を抑え、高速で安定した応答を実現することができる。ユーザに必要な操作は、接続対象の負荷３０のインピーダンス値（Ｌ₁，Ｃ₁，Ｒ₃）を入力するだけであり、シンプルで分かりやすい操作により電気信号を整定することができる。

【0065】

本開示は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、ブロック図に記載の複数のブロックは統合されてもよいし、又は１つのブロックは分割されてもよい。その他、本開示の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。

【符号の説明】

【0066】

１ 電圧電流発生器
９ ＳＭＵ
１１ 操作部
１２ パラメータ変換部
１３，１４ 比較部
１５ 制御演算部
１６ 出力部
１７ 電圧検出部
１８ 電流検出部
３０ 負荷
９１ 乗算器ブロック
９２ 遅延
９３ 乗算器ブロック
９４ 乗算器ブロック
９５ 加算器
９６ 遅延
１０１～１０６ グラフ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】