JPH0534846B2 - - Google Patents

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JPH0534846B2
JPH0534846B2 JP57031067A JP3106782A JPH0534846B2 JP H0534846 B2 JPH0534846 B2 JP H0534846B2 JP 57031067 A JP57031067 A JP 57031067A JP 3106782 A JP3106782 A JP 3106782A JP H0534846 B2 JPH0534846 B2 JP H0534846B2
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voltage
current
load
amplifier
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Shun Takagi
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Yokogawa Hewlett Packard Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、一般に被制御増幅器を複数個の制御
用増幅器で制御することにより、該被制御増幅器
から所望の信号を出力する複合制御増幅器に関
し、特に半導体素子等の被測定デバイスの直流に
おける電圧−電流特性、電流−電圧特性等を測定
する場合に用いられ、該被測定デバイスに所望の
直流電圧、直流電流信号を選択的に印加すること
のできる電圧電流供給装置に関する。
(発明の技術的背景及びその問題点) 従来、半導体素子等の被測定デバイスの良否判
定や特性評価において、所望の端子に直流電圧、
直流電流信号を印加してその電圧−電流、電流−
電圧特性を測定する直流試験が行われている。こ
の場合、被測定デバイスに所望の直流電圧、直流
電流信号を選択的に印加する必要があり、直流電
圧を印加することのできる電圧供給モードまたは
直流電圧を印加することのできる電流供給モード
に選択的に切り替えることのできる電圧電流供給
装置が使用される。
第1図は従来のこのような電圧電流供給装置の
回路図である。同図において、信号V1,V2,V3
は、被測定デバイス、すなわち、負荷7に所望の
直流電圧VOあるいは電流IOを印加するための設定
信号である。以後、説明の都合上、R1=R2,R3
=R4,R5=R6とする。
この装置を電圧供給モードで使用する場合は、
負荷7に所望の負荷電圧VOが印加されるよう、
V1をV1=−VOに設定する。この場合、負荷7に
流すことのできる最大負荷電流の設定はV2およ
びV3によつて行うことができる。V2,V3は、設
定できる最大負荷電流の方向が互いに逆である。
また、電流供給モードで使用する場合は、負荷
7に所望の負荷電流IOが流れるよう、V2または
V3を−IO・R9に設定する。V2,V3は、設定でき
るIOの方向が互いに逆である。この場合、負荷7
にかけることのできる最大負荷電圧の設定はV1
によつて行うことができる。
電圧供給モードにおいては、負荷7に印加され
る負荷電圧VOが、演算増幅器5および抵抗R1
介して制御用増幅器1に電圧負帰還され、VOが、
設定値V1により定まる所望の値VO=−V1となる
よう制御用増幅器1により演算増幅器4を介して
制御される。演算増幅器5は電圧ホロワであつ
て、その非反転入力電圧と出力電圧とはともに等
しく、VOである。
この電圧供給モードにおいては、制御用増幅器
2は、負荷7に流れる、正方向(同図に示す矢印
方向)の最大負荷電流IOを、設定値V2により定ま
る所望の値IO=−V2/R9に電流制限するための
制御用増幅器として機能する。制御用増幅器3
は、負方向の最大負荷電流IOを、設定値V3により
定まる所望の値IO=−V3/R9に電流制限する働
きをする。
電流供給モードにおいては、負荷電流IOに対応
する電圧、すなわち負荷電流検出用抵抗(レンジ
抵抗)R9に生ずる端子間電圧VM=IO・R9(後述)
が、演算増幅器6および抵抗R3を介して制御用
増幅器2(IOが正方向の場合)に電流負帰還さ
れ、VMが、設定値V2により定まる所望のVM=−
V2となるよう、すなわち、IOがIO=−V2/R9
なるよう制御用増幅器2により演算増幅器4を介
して制御される。制御用増幅器3は、IOが負方向
の場合に、該IOを、設定値V3により定まる所望の
値IO=−V3/R9に維持すべく演算増幅器4を介
して制御する。
この電流供給モードにおいては、制御用増幅器
1は、負荷7にかかる最大負荷電圧VOを、設定
値V1により定まる所望の値VO=−V1に電圧制限
するための制御用増幅器として機能する。
上述したように、電圧供給モードにおいては負
荷電圧VOはVO=−V1に制御される。この場合、
負荷電流IOが、設定した最大負荷電流を越えよう
とすると、制御用増幅器2または3が動作して負
荷電流IOをその設定した最大負荷電流に制限し維
持する。たとえば、制御用増幅器2が動作する場
合は、最大負荷電流は−V2/R9に制限される。
負荷電流制限動作が開始されると、その後、設定
電圧V1を変えて負荷電圧VOを増加しようとして
もVOは変化せず、負荷電流IOはIO=−V2/R9
維持される。このことは、制御用増幅器2が動作
して負荷電流制限動作が行われるV1の領域にお
いては、V2の値を変えることにより−V2/R9
定まる所望の定電流を負荷7に流すことができる
ことを意味する。すなわち電流供給モードが動作
させることができる。制御用増幅器3に関しても
同様である。
以下詳細に説明する。
第1図において、1,2,3は制御用増幅器、
4,5,6は演算増幅器、7は負荷、R9は電流
検出用抵抗(レンジ抵抗)である。コンデンサ
C1,C2,C3は制御用増幅器1,2,3の帯域制
限用である。図中の抵抗R10〜R14には、R10
R13,R11・R10・R14/(R10+R14)=R13・R12
条件が設定されている。又、スイツチSW1は開状
態にある。
ここで、演算増幅器4の出力電圧をVO4、演算
増幅器6の入力電圧をVIN6(両入力端子とも)と
し、R10,R13,R14に流れる電流をそれぞれI10
I13,I14とすると、 VIN6=VO4・R12/(R11+R12) また、 VM=VIN6−I10・R10 =VIN6−(I13−I14)・R10 =VIN6−((VO−VIN6)/R13 −VIN6−/R14)・R10 これらの式および上記条件から、 ∵∴VM=VO4−VO これにより、負荷7に流れる負荷電流をIOとす
れば、演算増幅器6の出力電圧VMは次式で表さ
れる。
VM=VO4−VO=IO・R9 ……(1) したがつて、VMは、IOおよびR9のみによつて
表され、負荷電流IOは、出力電圧VMとレンジ抵
抗R9との比、すなわちIO=VM/R9によつて求め
られることになる。
大電流の検出時にはスイツチSW1が閉じられ、
レンジ抵抗Rrがレンジ抵抗R9と並列に挿入され
る。微小電流検出時にはスイツチSW1は開かれ
る。
又、各制御用増幅器1,2,3は、第2図、第
3図、第4図の実線で示す回路で構成されてい
る。即ち、演算増幅器8,8′,8″、飽和防止電
流帰還回路9,9′,9″、および電圧電流変換回
路10,10′,10″で各々構成されている。
又、各電圧電流変換回路10,10′,10″内の
電流源は、|IC1|<|I′C2|、|IC2|<|I″C1|の
条件が設定されている。
第2図において、演算増幅器8の出力電圧V8
が零のときは、出力電流I1は流れない。
出力電圧V8が正方向に上昇すると、第5図に
示す如く、出力電圧V8、ツエナー・ダイオード
D5の端子間電圧VD5、抵抗R16、直流電源V4によ
つて定まる出力電流、I1≒(V8+VD5−V4)/
R16が流出する。
さらに出力電圧V8が正方向に上昇すると、出
力電流I1は電流源IC1の出力電流値であるI4に制限
され一定となる。
さらに出力電圧V8が正方向に上昇すると、ダ
イオードD3、抵抗15を介して電流が流れ始め、
逐にはダイオードD1が導通し飽和防止電流IS1
流れる。飽和防止電流IS1によつて演算増幅器8
は飽和することなく又、このときの出力電圧V8
は一定値に保持される。このような飽和防止電流
が流れる状態を以後、待機状態と称する。
出力電圧V8が負に低下すると、今度は、出力
電圧V8、ツエナー・ダイオードD6の端子間電圧
VD6、抵抗R17、直流電源V5によつて定まる出力
電流、I1≒(V5−(V8−VD6))/R17が流入する。
出力電流I1は、上記と同様、電流源IC2の出力電流
値である(−I5)に制限される。
さらに、出力電圧V8が低下すると、ダイオー
ドD2,D4が導通し飽和防止電流IS1が流れる。こ
のとき、演算増幅器8は飽和することなく又、こ
のときの出力電圧V8は一定値に保持される。
制御用増幅器2,3のI2−V′8特性、I3−V″8
性も第5図に示す制御用増幅器1の特性のそれぞ
れ左半分、右半分と同様に動作する。ただし、そ
れらの特性の反対側半分では電流が電圧に依らず
零で飽和する。また、各演算増幅器8′,8″は、
それらの出力がそれぞれ正(上昇)、負(下降)
方向に振れたときに、前記同様それぞれ飽和防止
電流IS2,IS3によつて飽和防止され、また、その
ときの出力電圧は一定値に保持される。
第1図において、説明の簡略化のためにR1
R2,R3=R4,R5=R6とする。第6図に示す横の
時間軸は説明のために便宜上設けた場合分けを示
すものであり、実際の動作がこの時系列に従つて
行われることを示すものではない。
第6図の時刻t0で示す初期状態では、電圧供給
モードの動作状態にあつて、飽和防止電流IS1
流れていないものとする。また、V2,V3はそれ
ぞれ負、正の所定の電圧値に設定されているもの
とする。
この状態においては、制御用増幅器1の入力電
圧V1を低下していくにつれ、制御用増幅器1内
の演算増幅器8の出力電圧V8は上昇し、流出電
圧I1は増加する。これにより、抵抗R0の端子電圧
が上昇して演算増幅器4の出力電圧が上昇し、負
荷電流IOが増加する。したがつて、VM(=IO・R9
が増加し、負荷電圧VOも増加してVO=−V1が維
持される。このとき制御用増幅器2,3は待機状
態(それぞれ飽和防止電流IS2,IS3が流れている
状態)にあるため、それらの増幅器内のトランジ
スタQ′2,Q″1はオフとなつており、出力電流I2
I3はともに零である。この領域では、この装置
は、設定値V1を変えることにより負荷電圧VO
所望の値VO=−V1に設定することができる。
t=t2でVMが−V2以上になろうとすると、す
なわち、負荷電圧VOが増加するにしたがつて負
荷電流IOが、設定した最大負荷電流(−V2/R9
以上になろうとすると、制御用増幅器2は、待機
状態から活性状態(飽和防止電流IS2が零の状態)
に遷移し、負荷電流IOをIO=−V2/R9に制限し維
持しようとする。この動作は、制御用増幅器2内
の演算増幅器8′の出力電圧V′8が低下し、トラン
ジスタQ′2が動作して流入電流I2が増加し、抵抗
ROの端子電圧を低下させて演算増幅器4の出力
を低下させ、負荷電流IOをIO=−V2/R9に維持し
ようとする反面、制御用増幅器1は流出電流I1
増加して負荷電圧VOを上昇させようとするが、
流出電流I1は前述の如くI4で飽和してしまい、制
御用増幅器2が、この流出電流I4と流入電流I2
の差分による抵抗ROでの端子電圧が負荷電流IO
IO=−V2/R9に維持するのに充分なだけの流入
電流I2を出力することにより行われる。これによ
り、制御用増幅器2による負荷電流制限動作が開
始され、この後さらにV1を低下しても負荷電流IO
はIO=−V2/R9の一定値に維持され、したがつ
て、VM,VOも一定値に維持される。このとき制
御用増幅器1は待機状態へと遷移しており、飽和
防止電流IS1が流れている。I1,I2に関する上記変
化はt=t2において急激に起き、その後、一定値
に維持される。
次にt=t3において、このときのV1の値を保持
し、V2を低下させていくと、出力電圧V′8が上昇
し、流入電流I2が減少して抵抗ROの端子電圧が上
昇し、演算増幅器4の出力電圧が上昇して負荷電
流IOは増加する。したがつて、VM,VOも増加す
る。流出電流I1はI4に維持されたままである。こ
の領域では、この装置は電流供給モードで動作
し、設定値V2を変えることにより負荷電流IOを所
望の値IO=−V2/R9に設定することができる。
t=t4で負荷電圧VOが−V1以上になろうとす
ると、すなわち、負荷電流IOが増加するにしたが
つて負荷電圧VOが、設定した最大負荷電圧であ
る−V1以上になろうとすると、制御用増幅器1
が待機状態から活性状態へと遷移し、負荷電圧
VOをVO=−V1に維持しようとする。この動作
は、演算増幅器8の出力電圧V8が低下して流出
電流I1が減少し、抵抗ROの端子電圧を低下させて
負荷電圧VOをVO=−V1に維持しようとする反
面、制御用増幅器2は流入電流I2を減少して負荷
電流IOを増加させようとするが、流入電流I2は前
述の如く零で飽和してしまい、制御用増幅器1
が、負荷電圧VOをVO=−V1に維持するのに充分
なだけの流出電流I1を抵抗ROに出力することによ
り行われる。これにより、制御用増幅器1による
負荷電圧制限動作が開始され、この後さらにV2
を低下しても負荷電圧VOはVO=−V1の一定値に
維持され、したがつて、IO,VMも一定値に維持
される。このとき制御用増幅器2は待機状態へと
遷移しており、飽和防止電流IS2が流れている。
I1,I2に関する上記変化はt=t4において急激に
起き、その後、一定値に維持される。
いま、第1図において、電流供給モードで動作
中のため演算増幅器4は制御用増幅器2によつて
制御されており、正の負荷電流IOが流れているも
のとする。
この状態で、負荷電流IOのモニターレンジの切
り替えのためにスイツチSW1を閉じるものとす
る。レンジの切り替えは、測定すべき負荷電流が
小さいときレンジ抵抗を大きくして測定分解能を
上げる場合や、負荷電流の設定変更を行うとき別
のレンジ抵抗で行うのが望ましい場合などに必要
である。
レンジ抵抗を切り替えると、電流負帰還ループ
(演算増幅器6、制御用増幅器2、および演算増
幅器4を含むループ)の応答時間による制御遅れ
によつて、演算増幅器4の出力は急には変化する
ことができず、レンジ切り替え前の負荷電流IO
よる、抵抗R9の端子間電圧IO・R9と、レンジ切
り替え後の抵抗R9の端子間電圧IO・R9・Rr
(R9+Rr)との差が負荷7に伝達され、負荷7に
過渡的に大きなスパイク電圧が印加されることに
なる。
このため、負荷の破損もしくは特性の劣化が生
じるという欠点があつた。
(発明の目的) 本発明は上記欠点に鑑みなされたもので、レン
ジ抵抗切り替え時に特定の制御用増幅器で被制御
増幅器(演算増幅器4)を制御することにより、
負荷にかかる負荷電圧を一定に保持し、以て負荷
に過渡的に大きなスパイク電圧が印加されるのを
防止することのできる電圧電流供給装置を提供す
ることを目的とする。
(実施例) 以下本発明の一実施例を用いて詳説する。
第7図は本発明に係わる電圧電流供給装置のブ
ロツク図である。第1図と同一部分は同一番号を
付す。
第7図において、スイツチSW2は制御用増幅器
2,3による制御を阻止するためのスイツチであ
り通常閉じられている。レンジ抵抗R′9はその抵
抗値がランプ状(直線状)に増減する抵抗であ
り、FET等によつて構成される(特願昭55−
94288号参照)。
第8図は第7図に示す制御用増幅器1′の詳細
回路図である。第2図と同一部分には同一番号を
付す。
第8図において、13は飽和防止電流ホールド
回路、S/Hはサンプル・ホールド回路である。
演算増幅器8の反転入力端子への入力電圧が低下
すると、出力電圧V8は上昇する。スイツチSW3
は通常閉じられているので、出力電圧V8が一定
電圧以上に上昇するとダイオードD3、電圧ホロ
ワ12、抵抗20、ダイオードD1を介して飽和
防止電流IS1が流れ始め、コンデンサC4は出力電
圧V8によつて充電される。出力電圧V8が低下す
ればコンデンサC4の充電電荷は抵抗R18,R19
介して放電される。又、コンデンサC4が充電さ
れた状態でスイツチSW3を開けば、コンデンサ
C4の充電電荷は放電しないので、飽和防止電流
IS1はスイツチSW3を開く前と同じ値に保持され
る。
次に第9図を用いて本発明の動作を説明する。
今時刻t′0で演算増幅器4が制御用増幅器2によ
つて制御されIO・R9(a)=−V2なる正方向負荷電
流の制御が行われているものとする(電流供給モ
ード)。
この状態では、制御用増幅器1′には飽和防止
電流IS1が流れている。まず時刻t′1でSW3を開く
と、前述の説明にしたがつて、飽和防止電流IS1
が保持される。
制御用増幅器1′の反転入力端子は仮想接地の
状態にあり、したがつて、該入力端子における、
飽和防止電流IS1と設定電圧V1及び負荷電圧VO
間には、キルヒホツフの法則により、 V1/R2+VO/R1+IS1=0 ……(2) なる関係が成立している。
このことは制御用増幅器1′が非制御(待機状
態にあり飽和防止電流が流れている)中であつて
も、もし某時点で飽和防止電流が保持されれば、
設定電圧V1が変わらない限り、その時点での負
荷電圧VOを維持制御することができるよう準備
されていることを意味する。
したがつて、時刻t′2にSW2が開いて制御用増
幅器2による演算増幅器4の制御が阻止される
と、速やかに制御用増幅器1′による、負荷7の
端子電圧をVOに維持しようとする制御が実現さ
れる。この状態では、演算増幅器4はもつぱら制
御用増幅器1′によつて制御され、VM,V2,V3
が変化しても出力電圧VOは変化しない。
第9図では、この間(時刻t′2〜t′3の間)にレ
ンジ抵抗R′9をR9(a)からR9(b)に、図示しない制御
手段を操作することによつて直線的に緩やかに変
化させる。即ち、演算増幅器5、制御用増幅器
1′、および演算増幅器4を含む電圧負帰還ルー
プが充分応答できる程度に変化させる。レンジ抵
抗R′9の変化にかかわらず負荷電圧VOが一定にな
ることは以下の説明で明らかである。
即ちレンジ抵抗R′9が減少すると負荷7の端子
電圧すなわち演算増幅器5の出力電圧VOは増加
しようとする。そして、出力電圧VOは制御用増
幅器1′の反転入力端子に入力されているので、
制御用増幅器1′の反転入力端子電圧も増加しよ
うとする。それによつて、制御用増幅器1′の出
力は低下し、演算増幅器4の出力電圧および負荷
7の端子電圧は低下しようとする。その結果、負
荷7の端子電圧は、レンジ抵抗R′9の変化と無関
係に一定に維持される。
このとき、レンジ抵抗切り替え前後で同じ電流
IOが継続制御されるよう、V2を、 V2(b)/R9(b)=V2(a)/R9(a) なるV2(b)に設定する。この操作は、制御用増幅
器2によつて演算増幅器4を再び制御する場合
に、負荷7に過渡的なスパイク電圧がかからない
ようにし、負荷電圧VOを一定に維持したまま行
うのに必要である。
次に時刻t′3でSW2を閉じ、レンジ抵抗切り替
え後の制御用増幅器2による制御を可能にしてか
ら時刻t′4でSW3を閉じ、制御用増幅器1′の飽和
防止電流の保持を解くことによりこのレンジ抵抗
切り替え時の手順は終了する。
このようにして負荷の端子電圧を一定に保持し
たままレンジ抵抗を切替えることができる。
時刻t′3或いは時刻t′4のいずれかまたその途中
で演算増幅器4の制御が制御用増幅器1′から2
へ転換されることになるが、制御用増幅器2は飽
和防止されているので、待機状態から活性状態へ
と速やかに移行して演算増幅器4を制御すること
ができる。
本実施例において、制御用増幅器2によつて制
御されている場合を説明したが、制御用増幅器3
によつて制御されている場合も同様である。
又、制御用増幅器1′によつて制御されている
場合、もともと飽和防止電流IS1が流れていない
ため、スイツチSW2,3の開操作およびレンジ
抵抗切り替え後のスイツチSW2,3の閉操作を
通じて制御用増幅器1′による制御が継続される。
制御用増幅器2,3の制御を阻止する手段とし
てはスイツチSW2を用いる代わりに、電流源I″C1
およびI′C2を|IC1|>|I′C2|、|IC2|>|I″C1

の関係を満足させるように制御して、制御用増幅
器2,3による制御ができないようにしても良
い。
又、レンジ抵抗を連続的に緩やかに変化させる
手段として、予め充電されたコンデンサーをレン
ジ抵抗R′9と並列に接続し、レンジ抵抗R′9自身は
スイツチにより急変させるなどしても良い。
(発明の効果) 以上述べた如く本発明によれば、レンジ抵抗を
切り替える場合、負荷の端子電圧を一定に維持し
たまま行えるので、過渡的なスパイク電圧による
負荷の破損、特性の劣化等を防止できる。
また、本発明による装置に、出力電圧VOおよ
びVMを測定する装置を付加すれば、電圧供給モ
ードにおいて、VMの測定値から負荷7に所望の
電圧VOを印加したときの負荷電流IO(=VM/R9
を求めることができる。また、電流供給モードに
おいては、VOの測定値から負荷7に所望の電流IO
を流したときの、負荷電圧VOを求めることがで
きる。これにより、半導体素子等の被測定デバイ
スの電圧−電流特性あるいは電流−電圧特性を測
定することのできる装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の電圧電流供給装置のブロツク
図。第2図、第3図、第4図は各々第1図に示す
制御用増幅器1,2,3の詳細回路図。第5図は
第2図に示す制御用増幅器1の特性図。第6図は
従来の電圧電流供給装置の説明図。第7図は本発
明による電圧電流供給装置のブロツク図。第8図
は第7図に示す制御用増幅器1′の回路図。第9
図は本発明による電圧電流供給装置の説明図。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 一端が負荷に接続され、該負荷に流れる負荷
    電流を検出する電流検出手段(R′9)と、 前記電流検出手段の他端を駆動する被制御増幅
    手段(4)と、 前記負荷の端子間電圧を検出して該端子間電圧
    が所定の値となるように前記被制御増幅手段を制
    御する第1制御用増幅手段(1′)と、 前記電流検出手段に接続され、前記負荷電流が
    所定の値となるように前記被制御増幅手段を制御
    阻止手段(SW2)を介して制御する少なくとも1
    つの第2制御用増幅手段(2、3)と、 を備えて成り、前記第2制御用増幅手段によつて
    前記被制御増幅手段を制御している場合に前記電
    流検出手段のレンジ変更を行う場合は、前記制御
    阻止手段により前記第2制御用増幅手段による前
    記被制御増幅手段の制御を無効にして該被制御増
    幅手段を前記第1制御用増幅手段によつて制御
    し、前記レンジを変更する一方、前記レンジ変更
    後の負荷電流が変更前と同じ値となるよう前記第
    2制御用増幅手段の入力値を変更し、その後、前
    記制御阻止手段により前記第2制御用増幅手段に
    よる前記被制御増幅手段の制御を再び有効にした
    ことを特徴とする複合制御増幅器。 2 前記第1制御用増幅手段が、 前記第1制御用増幅手段に印加された入力信号
    を増幅する演算増幅手段(8)と、 前記演算増幅手段の出力端に一端が接続された
    第1ダイオード手段(D3、D4)と、 前記第1ダイオード手段の他端に入力が接続さ
    れ、前記電流検出手段のレンジ変更時にはホール
    ド・モードで動作して、前記第1制御用増幅手段
    による前記被制御増幅手段の迅速な制御を可能に
    するサンプル・ホールド手段(S/H)と、 前記サンプル・ホールド手段の出力と前記演算
    増幅手段の反転入力端との間に接続された第2ダ
    イオード手段(D1、D2)と、 前記演算増幅器の出力に接続され、前記被制御
    増幅器を駆動する出力手段(10)と、 を備えて成ることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の複合制御増幅器。
JP57031067A 1982-02-26 1982-02-26 複合制御増幅器 Granted JPS58148507A (ja)

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