电源噪声减小电路和电源噪声减小方法

摘要

提供不需要增大电路元件尺寸且不在电源电压中引起电压降的电源噪声减小电路和电源噪声减小方法。用于减小被包括在从电源（2）向负载输出的恒定电压输出中的噪声的电源噪声减小电路（10）包括：被插入从所述电源（2）延伸到所述负载的电源线路的第一电阻器（20），被连接到所述第一电阻器（20）的负载端并且输出通过从恒定电压输出减小所述噪声得到的第一电压的滤波器（31），以及驱动从所述滤波器输出的所述第一电压并且向所述第一电阻器（20）的所述负载端输出被驱动的所述第一电压的单位增益放大器（32）。

说明书

技术领域

本发明涉及用于减小被包括在从电源向负载输出的恒定电压输出中的噪声的电源噪声减小电路和电源噪声减小方法。 

背景技术

当半导体设备被半导体测试器测试时，测试是通过以来自电源的电功率驱动半导体设备来实施。当噪声（噪声分量）被包括在来自电源的恒定电压输出中时，很难精确地实施测试。因此，用于减小被包括在从电源输出到半导体设备的恒定电压输出中的噪声的电源噪声减小电路，已经被在实践中惯常地使用。这些电源噪声减小电路被大致分为仅由无源部件形成的无源低通滤波器以及使用有源部件的有源低通滤波器。 

无源滤波器通常是旁通电容器（bypass capacitor）和扼流线圈的组合。旁通电容器被配置为包括与负载并联连接的电容器（AC并联电路）并且将电容器对噪声信号的阻抗保持在低水平以使得电容器旁通噪声电流，由此抑制了噪声流入负载。同时，扼流线圈被串联插入从恒定电压源延伸到负载的电源线路以防止噪声电流的通过，以及进一步依照电源线路的串联阻抗与旁通电容器的并联阻抗的比值分割噪声电压以增大阻抗比，从而加强噪声抑制作用以抑制噪声向负载的施加。 

使用运算放大器或类似物的滤波电路通常被应用作为恒定电压源的有源滤波器，而恒定电压稳定电路一般在处理大量电功率的恒定电压电源电路中起滤波器的功能。此外，被插入电源设备之外的供电线路的滤波电路通常是为了包括伴有电压降的电压转换和波纹去除的DC电压稳定的目的而设计的、所谓的滴管式（dropper-type）简单恒定电压电源电路（例如三端稳压器或分流调节器），其可以减小作为伴有电压降的恒定电压稳定的二阶效应的噪声（例如参见专利文献1）。 

引用列表

专利文献 

专利文献1：日本专利申请早期公开号2002-238245 

发明内容

发明要解决的问题

但是，传统的无源滤波器和有源滤波器有以下问题。 

对于无源滤波器，当噪声有低频率（例如等于或低于音频频带的频率）或者当噪声源有低阻抗时，大幅增加旁通电容器的电容值或者大幅增加扼流线圈的电感值是必要的，这将导致电源噪声减小电路的大零件外形。因此，安装设计限制常常使得电源噪声减小电路的实际应用变得复杂或者约束电源噪声减小电路适用的设备。 

在上述情况中，当旁通电容器的电容值被大幅增加或者扼流线圈的电感值被大幅增加，存在的问题是依照这些元件组合的时间常数被增加，因此电源噪声减小电路的响应时间变得非常长，这增加了电源电压的上升时间和下降时间。特别是当需要在非常短的时间内测试半导体设备的设备（例如半导体测试器），被要求向待测试的半导体设备提供带有低噪声的恒定电压功率时，在一个半导体设备测试期间频繁执行电源电压的应用和中止、或者提供电源电压中的阶跃变化是必要的。因此，存在的问题是电源电压的上升时间和下降时间的增加直接导致整个测试时间的增加。 

此外，当旁通电容器的电容值被大幅增加或者扼流线圈的电感值被大幅增加，相位旋转从相对较低的频带开始增加，从而电路在电源电压上升或者下降时可能振荡；或者由于过渡时间内电容器或扼流线圈的通过电流的变化量大，对电源、负载以及整个供电路径引起电不利影响（例如浪涌电流的增加）。因此，存在的问题是有许多负面影响，例如对对抗不利影响的附加设计措施的要求。 

另外当扼流线圈被使用时，随着噪声的频率变低电感电抗变小，这减小了滤波器的噪声抑制效果。当有不依赖于频率的阻抗的电阻器被与线圈串联地插入时，低频区域的抑制效果可以被增强。但是，新的问题（例如 相对于电源电压的电压下降的发生，以及由该电阻器导致的电功率损耗和热量生成）发生。因此，存在的问题是难以使用高电阻值来增加低频噪声的改善程度，并且充分高的噪声减小效果仍然不能被达到。 

同时，在有源电路（例如三端稳压器或分流调节器）中，电源电压在伴有电压降的情况下被稳定，从而附带地减小噪声。因此，只有在电路设计时预先定义的固定值（小于电源电压的值）处的电压可以被提供给负载，因此从电源提供的电压不能如其原样地被提供给负载。因而，例如当要通过可以编程恒定电压输出的电压值的电源向负载提供预期的电源电压时，存在的问题是上文所提到的有源电路不能被应用。 

考虑到这些传统问题，本发明被达成；本发明的一个目的是提供不需要增大电路元件尺寸且不在电源电压中引起电压降的电源噪声减小电路和电源噪声减小方法。 

解决问题的手段

为了解决以上问题并达成以上目的，根据权利要求1的本发明提供了用于减小被包括在被从电源向负载输出的恒定电压输出中的噪声的电源噪声减小电路，电源噪声减小电路包括：被插入从电源延伸到负载的电源线路的第一电阻器；被连接到第一电阻器负载端并且输出通过从恒定电压输出减小噪声得到的第一电压的低通滤波器；以及驱动从低通滤波器输出的第一电压并且向第一电阻器的负载端输出被驱动的第一电压的单位增益放大器。 

根据权利要求2的发明，在根据权利要求1的发明中，低通滤波器包括串联连接的第二电阻器和电容器。 

根据权利要求3的发明，在根据权利要求2的发明中，用于切换旁通第二电阻器的旁通线路的滤波器切换单元被提供。 

根据权利要求4的发明，在根据权利要求2或3的发明中，通过与第二电阻器分压减小到单位增益放大器的输入电压的第三电阻器被提供。 

根据权利要求5的发明，在根据权利要求1到4的任一项的发明中，切换从单位增益放大器延伸到第一电阻器负载端的输出线路的导通和关断的放大器切换单元被提供。 

根据权利要求6的本发明提供了使用电源噪声减小电路来减小被包括在被从电源向负载输出的恒定电压输出中的噪声从而减小噪声的电源噪声减小方法，电源噪声减小电路包括：被插入从电源延伸到负载的电源线路的第一电阻器；被连接到第一电阻器负载端并且输出通过从恒定电压输出减小噪声得到的第一电压的低通滤波器，低通滤波器包括串联连接的第二电阻器和电容器；驱动从低通滤波器输出的第一电压并且向第一电阻器的负载端输出被驱动的第一电压的单位增益放大器；以及用于切换旁通第二电阻器的旁通线路的滤波器切换单元，电源噪声减小方法包括：在电源被接通之前通过低通滤波器切换单元切换旁通线路以旁通第二电阻器的旁通步骤；通过在旁通步骤之后接通电源对电容器充电的充电步骤；以及在充电步骤之后通过滤波器切换单元切换旁通线路以连接第二电阻器的连接步骤。 

根据权利要求7的发明，在根据权利要求6的发明中，电源噪声减小电路包括切换从单位增益放大器延伸到第一电阻器负载端的输出线路的导通和关断的放大器切换单元，在旁通步骤中输出线路被放大器切换单元切换为关断，且在连接步骤中输出线路被放大器切换单元切换为导通。 

发明效果

根据权利要求1的本发明，第一电压被通过单位增益放大器驱动，从而噪声可以在不引起电源电压中的电压降的情况下被减小且从电源提供的电压可以被按照原状被提供给负载。因此，例如电源噪声减小电路也可以被应用到如下情况中：期望电源电压将被使用可以编程恒定电压输出的电源向负载提供。因为不需要使用大电容值的电容器和高感抗的线圈，所以传统技术中使用大电容值电容器、高感抗线圈或者大阻值或大容许损耗的电阻器所致的不利影响（例如电源噪声减小电路部件外形的增大、增大的时间常数所致的测试时间的增加、以及对抗振荡的更容易发生或者过渡持续时间内的电流振荡量的增加的设计措施的需要）可以被消除。 

根据权利要求2的本发明，低通滤波器包括串联连接的第二电阻器和电容器。因此低通滤波器可以被容易地配置。 

根据权利要求3的本发明，滤波器切换单元旁通第二电阻器，从而电 源噪声减小电路的起动和停止可以被快速和容易地切换。因此，可以在需要低噪声的电源时的任意时刻起动电源噪声减小电路，并且可以在不需要电源时的任意时刻停止电源噪声减小电路。 

根据权利要求4的本发明，通过第二电阻器分压减小到单位增益放大器的输入电压的第三电阻器被提供。因此，电源噪声减小电路的恒定电压输出稍微低于电源的恒定电压输出，从而从单位增益放大器到负载的功率提供被避免。因而，单位增益放大器上基本没有功率负载且其足以为吸收噪声功率提供功率。 

根据权利要求5的本发明，在恒定电压电源的上升时间和下降时间，单位增益放大器的输出线路被放大器切换单元切换为关断。因此，恒定电压电源的电压和单位增益放大器的输出电压的不同所致的电流发生可以被避免。 

根据权利要求6的本发明，在电源被接通之前第二电阻器被旁通，且在电源被接通且电容器被及时充电之后第二电阻器被连接。因此，电源噪声减小电路使得起动的完成基本与电源接通同时，因而可以在需要低噪声的电源时的任意时刻起动电源噪声减小电路，并且可以在不需要电源时的任意时刻停止电源噪声减小电路。 

根据权利要求7的本发明，在电源被接通之前通过单位增益放大器对电源线路的驱动被停止，且在电源被接通以为电容器充电之后通过单位增益放大器对电源线路的驱动被开始，然后单位增益放大器的输出电压变得与电源线路的输出电压相等，且对电源噪声减小电路的起动完成。因此，恒定电压电源的上升时间和下降时间（其与电源噪声减小电路未被提供的情况中的上升时间和下降时间相类似）可以被在电源噪声减小电路的起动和停止时不对电源线路引起任何电影响的情况下实现。 

附图说明

图1是包括依照本发明实施例的电源噪声减小电路的恒定电压稳定电路的框图。 

图2是电源噪声减小过程的流程图。 

图3是显示了使用频谱分析仪对来自输出端的噪声的分析结果的图像，其中图3（a）显示了电源噪声减小电路处于关断状态下的情况的分析结果，图3（b）显示了电源噪声减小电路处于关断状态下的另一个情况的分析结果，并且图3（c）显示了电源噪声减小电路处于导通状态下的情况的分析结果。 

具体实施方式

下面本发明的实施例被参考附图详细说明。首先，实施例的基本概念被如[Ⅰ]所说明，接着实施例的具体内容被如[Ⅱ]所说明，最后实施例的修改被如[Ⅲ]所说明。本发明并不限于实施例。 

[Ⅰ]实施例的基本概念 

首先说明本发明实施例的基本概念。本发明的电源噪声减小电路和电源噪声减小方法是用于减小被包括在被从电源向负载输出的恒定电压输出中的噪声的。电源噪声减小电路包括被与多种设备和电路（例如恒定电压电源设备）独立地配置的电路，以及合并在这些设备和电路中的电路。例如，后者对应于电源噪声减小电路被合并在恒定电压电源设备中，而整体地构成低噪声恒定电压电源设备的情况。电源噪声减小电路可以被配置以与其他设备协作操作；并且例如，被包括在电源噪声减小电路中的有源元件的控制可以由外部控制设备执行。 

例如，电源有任意的特定配置，并且包括DPS（设备电源）。负载也有任意的特定配置，尤其是需要低电源噪声水平（例如，用于音频用途的半导体设备）的设备与此相对应。 

下文中说明如下这种情况：当半导体设备在被半导体测试器测试时，电源噪声减小电路被在合并在半导体测试器中的电源电路中提供，并且其中电源噪声减小电路的有源元件（具体是下文说明的第一和第二继电器）是由提供在半导体测试器内部的控制单元控制的。 

[Ⅱ]实施例的具体内容 

本发明实施例的具体内容被在下面说明。首先电源噪声减小电路的配置被说明，接着使用电源噪声减小电路执行的电源噪声减小方法被说明。 

（配置） 

图1是包括依照本发明实施例的电源噪声减小电路的电源电路的框图。图1所示的电源电路1被配置为包括电源2、输出端（AVDD端）3、GND端、第一电容器5以及电源噪声减小电路（有源噪声抑制器）10。尽管图1示出了电路元件的设定值供参考，但是这些设定值可以被适当地改动。 

电源2是用于向负载提供DC功率的，并且在本情况中为DPS。电源2的正极端是通过电源线路L1与输出端3连接的，且电功率被通过输出端3向负载提供。电源2的负极端被通过GND线路L2连接到GND端4。监控线路L3和L4被分别连接到电源线路L1和GND线路L2；且监控线路L3和L4被连接到电源2，以通过监控线路L3和L4向电源2反馈从电源2提供的监控电压，从而执行已知的反馈电源控制。 

第一电容器5被插入将电源线路L1和GND线路L2彼此连接的线路L5，并且与第一电阻器20（在下文说明）一起形成电源噪声减小电路10的串联RC电路。当串联RC电路被以这样的方法提供时，从电源2向负载提供的DC功率中的高频噪声分量被串联RC电路减小，以确保电源噪声减小电路10被关断的状态中DC功率的最小调节。 

电源噪声减小电路10用于减小被从电源2向负载提供的噪声，并且具体地被配置为包括第一电阻器20、主电路30以及驱动电源50。 

第一电阻器20被插入电源线路L1中，并且在如上文提到的电源噪声减小电路10被关断的状态中，与第一电容器器5一起形成串联RC电路；并且在电源噪声减小电路10被导通的状态中与低通滤波器31（在下文说明）合作减小噪声。 

主电路30被插入将电源线路L1和GND线路L2彼此连接的线路L6中，并且被配置为包括低通滤波器31、单位增益放大器32以及第三电阻器33。主电路30被模块化到一个芯片中，且包括PF端34、GF端35、UP5V端36、CHG端37、OUT端38、+PW端39和-PW端40。在图1中，连接这些端34-40的线路是被模块化到一个芯片中的主电路30的可视外形线。 

低通滤波器31被以高阻抗来连接到第一电阻器20的负载端，并且输出通过减小来自恒定电压输出的噪声所得到的第一电压。特别的，低通滤波器31被配置为串联连接第二电阻器41和第二电容器42。在本情况中，第二电阻器41和第二电容器42的值被设置为使得低通滤波器31有尽可能大（长）的时间常数。 

用于旁通第二电阻器41的旁通线路L7被连接到第二电阻器41的两端，并且用于将旁通线路L7在连接和非连接之间切换的第一继电器（滤波器切换单元）43被在旁通线路L7中提供。第一继电器43被依照从提供在半导体测试器内部的控制单元向CHG端37输入的控制信号驱动，并且当旁通线路L7被切换到连接（短路）时使第二电阻器41进入旁通（不被使用的）状态，且当旁通线路L7被切换到非连接（未连接）时使第二电阻器41进入非旁通（被使用的）状态。第一继电器43的驱动电源被通过UP5V端36提供。 

单位增益放大器32以低阻抗驱动从低通滤波器31输出的第一电压V1，并且将第一电压V1向第一电阻器20的负载端输出。单位增益放大器32有连接在第二电阻器41和第二电容器42之间的输入端，以及通过输出线路L8连接到第二电阻器41的负载端的输出端。 

第二继电器（放大器切换单元）44被提供在输出线路L8中以将输出线路L8在连接和非连接之间切换。第二继电器44被依照从提供在半导体测试器内部的控制单元向OUT端38输入的控制信号驱动。当输出线路L8被切换到连接（短路）时，单位增益放大器32的输出被向第二电阻器41的负载端输出；且当输出线路L8被切换到非连接（未连接）时，单位增益放大器32向第二电阻器41的负载端的输出停止。第二继电器44的驱动电源被通过UP5V端36提供。 

第三电阻器33被插入单位增益放大器32的输入端和第二电容器42的接地端之间。第三电阻器33被以这种方法提供的理由如下。即，如果第三电阻器33未被提供，第一电阻器20负载端的电压V2（下文称第二电压）和单位增益放大器32的恒定电压输出V3（下文称第三电压）是基本上彼此相等的。当单位增益放大器32被以非常低的阻抗驱动时，电功率 被从比电源2更靠近负载的单位增益放大器32向负载提供。但是，单位增益放大器32没有足够的功率以保持向负载提供电功率，由此导致了问题。因此，第三电阻器33被提供以通过与第二电阻器41的分压来稍微地降低将被输入到单位增益放大器32的第一电压V1，从而以低输入电压来驱动单位增益放大器32。但是，如果第三电阻器小于所需的，则低通滤波器31的噪声减小性能恶化，并且第一电压V1与第三电阻器成比例地降低。结果是，单位增益放大器32的输出电压被减少更多，从而负方向（下降方向（sink direction））中的大DC电流流入单位增益放大器32。因此，希望为第三电阻器使用尽可能大的电阻器。 

驱动电源50是用于驱动单位增益放大器32的电源，并且因此在此情况中绝缘DC-DC变换器被使用。由驱动电源50转换为预定电压的DC功率被从+PW端39和–PW端40输入主电路30，且被通过主电路30中的线路（未示出）提供给单位增益放大器32。 

（电源噪声减小方法） 

下面电源噪声减小方法将被说明。在此情况中，当电源2被从关断向导通切换而功率启动时，电源噪声减小电路10的有源元件被控制；并且之后控制的最终状态被保持直到电源2被再一次切换为关断。之后每次电源2被从关断向导通切换时，电源噪声减小电路10的有源元件被类似地控制。这种控制是预先被编程作为电源噪声减小过程的，并且被提供在半导体测试器内部的控制单元（未示出）执行该编程，从而将电源2在导通和关断之间切换并且向CHG端37和OUT端38输出控制信号。 

图2是电源噪声减小过程的流程图。步骤在下文中简称为“S”。控制单元首先控制第一继电器43连接到旁通线路L7以使得第二电阻器41进入旁通状态，并且也控制第二继电器44以使得输出线路L8进入非连接状态（SA1）；之后在该状态将电源2从关断切换至导通（SA2）。部分自电源2提供的电源电流之后同时流入第一电容器5和第二电容器42，且第一电容器5和第二电容器42被充电。 

之后控制单元等待电源2的上升时间（第一电容器5的充电完成时间）的通过。由于在那时第二电容器被旁通，使得低通滤波器33的时间 常数可能基本为零，从而第二电容器42的充电完成与电源2的上升完成（第一电容器5的充电完成）同时。即，电源噪声减小电路10的起动时间与电源2的上升时间是相同的。电源2的上升时间可以是依照特定于电源的上升特性或者上升时间程序来预先定义的。当对电源2的上升时间没有限制时，第二电阻器41的旁通不是必须的且可以被省略。在此情况中，在等待第二电容器42的充电完成时，过程可以行进到SA4（在下文说明）。但是在此情况中，依照第二电阻器41和第二电容器42的时间常数需要很长，因此上升时间被增加了。 

在电源2的上升完成之后（SA3，是），控制单元控制第一继电器43将旁通线路L7切换到非连接以使第二电阻器41进入非旁通状态，也控制第二继电器44以使输出线路L8进入连接状态，从而向第二电阻器41的负载端输出单位增益放大器32的输出（SA4）。之后，由电源2提供的电源电压部分被应用于低通滤波器31，噪声被滤波器31减小，且第一电压V1（平均电压，更为精确的说是由第三电阻器33所分压的稍微低于平均电压的电压）被抽出且被输入到单位增益放大器32的输入端。 

在这种状态中，单位增益放大器32驱动输入到输入端的第一电压V1。由于此情况中单位增益放大器32的输入端处于高阻抗，因此基本没有电流流过单位增益放大器32。以这种方法通过单位增益放大器32驱动通过减小低通滤波器31中的噪声而获得的电压，第一电阻器20负载端处和AVDD端3的电源线路上的电压，被强制地使得与（被单位增益放大器32驱动，且从中噪声已经被减小的）DC电压的电压具有相同值；并且从第一电阻器20延伸至AVDD端3的电源线路上的、由从电源2输出的噪声电压所致而不断发生的噪声电压作为噪声电流被单位增益放大器32吸收和消耗。另外，由于来自单位增益放大器32的输出电压V1是稍微低于电源2的设定电压的，第二电压V2下降至V1，接着被经由监控线路L4反馈至电源2，被根据已知反馈校正、收敛和稳定而返回至最初编程电压。 

（测试结果） 

最后，电源噪声减小电路10的性能测试结果将被说明。图3是显示 了使用频谱分析仪对来自输出端3的噪声的分析结果的图像。图3（a）显示了电源噪声减小电路10在如图1所示的电路图中处于关断状态下（第一电阻器20=1.0Ω且第一电容器5=10μF（15.9kHz））的分析结果；图3（b）显示了电源噪声减小电路10在如图1所示的电路图中处于关断状态下（第一电阻器20=1.0Ω且第一电容器5=100μF（1.6kHz））的分析结果；并且图3（c）显示了电源噪声减小电路10在如图1所示的电路图中处于导通状态下的分析结果。在图3（a）到3（c）中，横轴代表频率（Hz）且纵轴代表噪声水平（dBv）。 

可以从图3（a）到3（b）看出，在电源噪声减小电路10处于关断状态下的案例中，虽然由于第一电阻器20和第一电容器5的RC串联电路（无源低通滤波器）而获得了一定水平的噪声减小效果，但是噪声水平为大约-80dBv且并且依然是高的。另一方面，可以从图3（c）看出，当电源噪声减小电路10处于导通状态下，噪声水平的峰值被大幅地减小至大约-100dBv（10μV）。这些结果确认了依照本发明实施例的电源噪声减小电路10相较传统无源滤波器有更高的噪声减小效果。 

[Ⅲ]实施例的修改 

尽管上文已经说明了本发明的实施例，但本发明的特定配置和单元可以在不背离如所附权利所定义的各个发明的技术概念的情况下被任意修改或者改进。这种修改将在下文被说明。 

（本发明要解决的问题和效果） 

本发明要解决的问题和本发明的效果并不限于上文所描述的。上文并未描述的问题可以被本发明解决，并且上文并未描述的效果可以由本发明达成。此外，可以只有上文所描述的问题的一部分被本发明解决，或者可以只有上文所描述的效果的一部分被本发明达成。 

（具体电路配置） 

除了图1所示出的之外，电路可以通过在公知技术范围内改动配置而拥有多种具体配置。例如，低通滤波器31被连接到第一电阻器20的负载端并且输出通过从恒定电压输出减小噪声得到的第一电压就足够了，并且拥有除图1所示滤波器31以外的期望特性的滤波器可以被采用。例如， 当不需要考虑电源噪声减小电路10被关断的情况中的调节时，第一电容器5可以被省略。第一电阻器20可以被与主电路30一起集成地形成在一块芯片上。低通滤波器31和单位增益放大器32可以被集成地形成为拥有期望滤波特性的放大器。 

（将被包括的主电路或滤波器的数量） 

尽管在上面提及的实施例中，只有一个滤波器31、一个单元增益放大器32以及一个第三电阻器33被提供在主电路30内部，但是滤波器31、单元增益放大器32以及第三电阻器33（在实践中，还有PF端34和GF端35）的若干组合可以被提供以配置用于多个电源的电源噪声减小电路10。 

（控制单元） 

尽管在上述实施例中已经说明了电源噪声减小电路10是由提供在半导体测试器内部的控制单元所控制的，但是控制单元可以被合并入电源电路中。 

标号的说明

1电源电路 

2电源 

3输出端 

4GND端 

5第一电容器 

10电源噪声减小电路 

20第一电阻器 

30主电路 

31低通滤波器 

32单位增益放大器 

33第三电阻器 

34PF端 

35GF端 

36UP5V端 

37CHG端 

38OUT端 

39+PW端 

40–PW端 

41第二电阻器 

42第二电容器 

43第一继电器 

44第二继电器 

50驱动电源 

L1电源线路 

L2GND线路 

L3、L4监控线路 

L5、L6线路 

L7旁通线路 

L8输出线路 

V1第一电压 

V2第二电压 

V3第三电压 。