信号変換装置、波形測定装置および半導体試験装置
【課題】シングルエンド信号および差動信号を入力してシングルエンド信号を出力するときに、広帯域でノイズや歪みが少ない高品質なシングルエンド信号を出力することを目的とする。
【解決手段】信号変換装置３にパルストランス１２を用い、シングルエンド信号を入力したときには、パルストランス１２の１次入力側と２次入力側とのうちシングルエンド信号を入力した入力側および１次出力側と２次出力側とのうち何れか一方の出力側をパルストランス１２に接続し、差動信号を入力したときには、１次入力側および２次入力側との両方の入力側および１次出力側と２次出力側とのうち何れか一方の出力側をパルストランス１２に接続する制御を行っている。
【解決手段】信号変換装置３にパルストランス１２を用い、シングルエンド信号を入力したときには、パルストランス１２の１次入力側と２次入力側とのうちシングルエンド信号を入力した入力側および１次出力側と２次出力側とのうち何れか一方の出力側をパルストランス１２に接続し、差動信号を入力したときには、１次入力側および２次入力側との両方の入力側および１次出力側と２次出力側とのうち何れか一方の出力側をパルストランス１２に接続する制御を行っている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルエンド信号を入力したときはシングルエンド信号として出力し、差動信号を入力したときにはシングルエンド信号に変換して出力する信号変換装置、波形測定装置および半導体試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）は種々の装置に用いられる。例えば、波形を測定するための波形測定装置や通信システム（人工衛星や無線基地局等に使用される通信システム）等に用いられる。
【０００３】
図５はＡＤＣを備えた波形測定装置１０１の一例を示しており、この波形測定装置１０１は信号入力部１０２（第１信号入力部１０２Ａおよび第２信号入力部１０２Ｂを有して構成される）と信号変換装置１０３と可変ゲインアンプ１０４とローパスフィルタ１０５とＡＤＣ１０６とを備えている。
【０００４】
波形測定装置１０１にはシングルエンド信号と差動信号との２種類の信号を入力することが可能になっている。シングルエンド信号は１本の信号線を使用して信号伝送を行うものであり、差動信号は２本の信号線を使用して信号伝送を行うものである。シングルエンド信号よりも差動信号の方が高速に信号伝送を行うことが可能になっているが、低速な信号伝送を行う場合もあり、シングルエンド信号と差動信号との両方の信号を入力可能にしている。
【０００５】
このために、第１信号入力部１０２Ａおよび第２信号入力部１０２Ｂの２つを設けている。シングルエンド信号を入力する場合は、第１信号入力部１０２Ａと第２信号入力部１０２Ｂとのうち何れか一方を使用し、差動信号を入力する場合は、第１信号入力部１０２Ａおよび第２信号入力部１０２Ｂの両方を使用する。
【０００６】
信号変換装置１０３はシングルエンド信号を入力した場合にはシングルエンド信号を出力し、差動信号を入力した場合にはシングルエンド信号に変換をして出力する。また、信号変換装置１０３は入力したシングルエンド信号、差動信号に対して所定の増幅率（ゲイン）で増幅したシングルエンド信号を出力する。
【０００７】
可変ゲインアンプ１０４は入力したシングルエンド信号または差動信号の振幅（レンジ）とＡＤＣが取り扱う振幅（レンジ）とが異なる場合に、レンジの調整を図る。ローパスフィルタ１０５（図中においてＬＰＦ）は不要な周波数帯域の信号を除去する。そして、ＡＤＣ１０６はシングルエンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
【０００８】
信号変換装置１０３は常にシングルエンド信号を出力する。シングルエンド信号は１本の信号線を使用するため、信号処理を行う機構を大幅に単純化し、且つ実装面積を小さくできる。従って、可変ゲインアンプ１０４およびローパスフィルタ１０５にシングルエンド信号を入力させることで、機構の単純化および実装面積の小規模化を図っている。
【０００９】
また、信号変換装置１０３は所定の増幅率で入力した信号を増幅している。このために、信号変換装置１０３は差動増幅回路で構成している。このための差動増幅回路としては、主に特許文献１に開示されるようなインスツルメンテーションアンプ（Instrumentation Amp）が用いられる。インスツルメンテーションアンプは複数のオペアンプを組み合わせたものである。
【００１０】
図６は信号変換装置１０３（インスツルメンテーションアンプ）の一例を示しており、オペアンプ１１１〜１１３と抵抗１２１〜１３０とリレー１３１、１３２とを備えて概略構成している。オペアンプ１１１は第１信号入力部１０２Ａからの信号を入力し、オペアンプ１１２は第２信号入力部１０２Ｂからの信号を入力している。オペアンプ１１１および１１２は高インピーダンスで信号入力を受けるために設けている。
【００１１】
オペアンプ１１３はオペアンプ１１１と１１２とのうち何れか一方から信号を入力した場合（シングルエンド信号を入力した場合）にはそのまま信号を出力し、両方から信号を入力した場合（差動信号を入力した場合）にはシングルエンド信号として信号を出力する。
【００１２】
従って、信号変換装置１０３から出力される信号はシングルエンド信号と差動信号との何れであっても、シングルエンド信号になる。信号変換装置１０３は差動増幅回路であり、所定の増幅率でシングルエンド信号を出力する。増幅率は抵抗１２１〜１２９の抵抗値で設定される。抵抗１３０はインピーダンス整合のために設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１５９４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
波形測定装置１０１が取り扱う信号は高速化の一途を辿っており、且つ信号の性能には高い品質が求められている。つまり、広帯域において低ノイズ、低歪みであることが要求されている。このため、ＡＤＣ１０６が高速且つ低ノイズ、低歪みで処理可能であったとしても、その前段に配置される各部を要因として、ノイズや歪みを発生させる。特に、信号変換装置１０３が信号の品質を低下させる要因となる。
【００１５】
前述したインスツルメンテーションアンプは複数のオペアンプを組み合わせて構成している。このときに使用されるオペアンプは能動部品であり、ノイズを発生させ、歪みを発生させる。能動部品は低い周波数帯域ではそれほど信号の品質（ノイズや歪み）が低下しないが、高い周波数帯域で信号の品質が急激に低下する。
【００１６】
図７はオペアンプを用いた場合のＳＮＲ（Signal Noise Ratio：信号対雑音）およびＳＩＮＡＤ（Signal to Noise And Distortion sensitivity：ノイズと歪みとの総和）を示している。横軸は信号の周波数を示しており、縦軸はＳＮＲおよびＳＩＮＡＤの値（デシベル）を示している。なお、縦軸の値が低いほどノイズ性能および歪み特性に優れ、高いほど低下する。
【００１７】
この図に示すように、２０ＭＨｚ程度までの低い周波数帯域ではＳＮＲおよびＳＩＮＡＤは比較的良好であるが、２０ＭＨｚを超過すると急激に信号の品質が低下する。つまり、高い周波数帯域であるほどノイズや歪みが発生する。このため、広帯域で高品質の信号処理を行うという上記要請を充足できなくなる。
【００１８】
そこで、本発明は、シングルエンド信号および差動信号を入力してシングルエンド信号を出力するときに、広帯域でノイズや歪みが少ない高品質なシングルエンド信号を出力することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の信号変換装置は、シングルエンド信号を入力したときにはシングルエンド信号を出力し、差動信号を入力したときにはシングルエンド信号に変換して出力する信号変換装置であって、前記シングルエンド信号および前記差動信号を入力するための第１信号入力部および第２の信号入力部と、１次入力側を前記第１信号入力部に接続し、２次入力側を前記第２信号入力部に接続し、１次出力側および２次出力側を信号出力部に接続したパルストランスと、シングルエンド信号を入力したときには、前記１次入力側と前記２次入力側とのうち前記シングルエンド信号を入力した入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続し、差動信号を入力したときには、前記１次入力側および前記２次入力側との両方の入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続する制御を行う接続制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
この信号変換装置によれば、受動素子であるパルストランスを用い、入力した信号に応じて接続制御を変えることで、所望の増幅率で増幅したシングルエンド信号を出力するようにしている。受動素子を用いているため、広帯域において高品質な信号処理を行うことが可能になる。
【００２１】
本発明の第２の信号変換装置は、第１の信号変換装置であって、前記接続制御部は、シングルエンド信号を入力したときに、前記パルストランスの特性に応じて、前記１次入力側と前記２次入力側とのうちシングルエンド信号を入力した入力側と同じ出力側を接続するか逆の出力側を接続するかの制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
この信号変換装置によれば、パルストランスの特性に応じて同相出力と逆相出力とを切り替えている。これにより、歪みのより少ないシングルエンド信号を出力することが可能になる。
【００２３】
本発明の第３の信号変換装置は、第２の信号変換装置であって、前記接続制御部は、前記１次入力側と前記２次入力側と前記１次出力側と前記２次出力側とのそれぞれに設けたリレーと、前記シングルエンド信号と前記パルストランスとのうち何れの信号を入力したか、および前記パルストランスの特性に応じて、前記リレーの制御を行うリレー制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
この信号変換装置によれば、パルストランスの１次入力側、２次入力側、１次出力側、２次出力側にリレーを設けて、各リレーの制御を行うことで、前述の第１の信号変換装置および第２の信号変換装置の動作を実現できる。
【００２５】
本発明の第４の波形測定装置は、第１乃至第３の何れかの信号変換装置を備えたことを特徴とする。また、本発明の第５の半導体試験装置は、第４の波形測定装置を備えたことを特徴とする。
【００２６】
前述した信号変換装置は波形測定装置に適用でき、この波形測定装置はさらに半導体試験装置に適用することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、パルストランスを用い、且つ１次入力側、２次入力側、１次出力側、２次出力側の接続制御を行うことで、差動信号とシングルエンド信号との何れを入力しても所望の増幅率で増幅したシングルエンド信号を出力できるようになる。受動素子であるパルストランスを用いることで、広帯域でノイズ性能や歪み特性に優れた高品質な信号処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】波形測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】信号変換装置の接続制御を説明した図である。
【図３】ノイズ性能および歪み特性の改善効果を説明した図である。
【図４】周波数帯域の改善効果を説明した図である。
【図５】従来の波形測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図６】インスツルメンテーションアンプの構成図である。
【図７】従来のＳＮＲおよびＳＩＮＡＤを説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下において、波形を測定する波形測定装置に信号変換装置を適用している場合について説明するが、信号変換装置はこれ以外の装置に適用してもよい。例えば、任意の通信システム等に使用するものであってもよい。また、波形測定装置は被試験デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）の試験を行う半導体試験装置に適用することを想定しているが、これ以外の装置に適用するものであってもよい。
【００３０】
図１は波形測定装置１の概略構成を示している。波形測定装置１は信号入力部２と信号変換装置３と可変ゲインアンプ４とローパスフィルタ５とＡＤＣ６とを備えて概略構成している。この波形測定装置１には図示しない波形を測定する測定対象（外部装置）から波形が入力される。
【００３１】
信号入力部２は外部装置から波形をアナログ信号として入力している。信号入力部２はシングルエンド信号（１本の信号線で伝達される信号：低速伝送の信号）と差動信号（２本の信号を用いて伝達される信号：高速伝送の信号）との両者を入力可能にしている。このため、第１信号入力部２Ａと第２信号入力部２Ｂとの２つを設けている。シングルエンド信号の場合には、２つのうち何れか一方に信号が入力され、差動信号の場合には、両方に信号が入力される。
【００３２】
信号変換装置３は２つの機能を有している。１つ目は、シングルエンド信号を入力した場合にはそのままシングルエンド信号を出力するが、差動信号を入力した場合にはシングルエンド信号に変換して出力する。つまり、必要に応じて（差動信号を入力した場合）信号を変換する機能を果たしている。２つ目は、出力するシングルエンド信号を所望の増幅率（ゲイン）で増幅して出力している。
【００３３】
このために、信号変換装置３はキャパシタ１１Ａ、１１Ｂとパルストランス１２とリレー１４Ａ〜１８Ａ、１４Ｂ〜１８Ｂと抵抗１９Ａ、１９Ｂと信号出力部２０とを備えて構成している。なお、図１においては、全てのリレー１４Ａ〜１８Ａ、１４Ｂ〜１８Ｂがオフになっているが、所定の制御によりオン・オフに切り替えられる。キャパシタ１１Ａ、１１Ｂは直流成分が流れないようにするために設けている（所謂、ＡＣカップリング）。
【００３４】
パルストランス１２は変圧器であり、１次側と２次側とを設けている。パルストランス１２の１次側に接続される経路を１次側経路ＬＡとし、２次側に接続される経路を２次側経路ＬＢとする。図１において、「Ａ」が付されている各部はパルストランス１２の１次側を構成しており、「Ｂ」が付されている各部は２次側を構成している。
【００３５】
また、パルストランス１２を挟んで１次側経路ＬＡの入力側（１次入力側）には第１信号入力部２Ａが接続され、２次側経路ＬＢの入力側（２次入力側）には第２信号入力部２Ｂが接続される。一方、パルストランス１２を挟んで１次側経路ＬＡの出力側（１次出力側）および２次側経路ＬＢの出力側（２次出力側）は合流されて、合流経路ＬＣとなって信号出力部２０に接続されている。
【００３６】
１次入力側、２次入力側にはリレー１４Ａ、１４Ｂが設けられており、当該経路をオンまたはオフに切り替えている。これにより、第１信号入力部２Ａ、第２信号入力部２Ｂからの信号を入力させるか否かを制御している。リレー１４Ａ、１４Ｂの後段側の経路は分岐して、グランドに接続されている。これら分岐された経路にそれぞれリレー１５Ａ、１５Ｂを設けて、グランドとの接続をオンまたはオフに切り替えている。
【００３７】
１次出力側、２次出力側は最終的に合流されており、合流箇所の手前にそれぞれリレー１６Ａ、１６Ｂを設けている。リレー１６Ａ、１６Ｂのオンまたはオフを切り替えることにより１次出力側、２次出力側からの信号出力を制御している。前述したように、必ずシングルエンド信号を出力させるために、リレー１６Ａと１６Ｂとの何れか一方がオンになり、他方がオフになる。
【００３８】
１次出力側、２次出力側はそれぞれ分岐している箇所が２箇所ある。パルストランス１２に近い方の分岐箇所で分岐した経路はそれぞれグランドに接続され、リレー１７Ａ、１７Ｂによりグランドとの接続をオンまたはオフに切り替えている。これにより、パルストランス１２から出力した信号をグランドに放出している。
【００３９】
また、パルストランス１２から遠い方の分岐箇所で分岐した経路はそれぞれリレー１８Ａ、１８Ｂおよび抵抗１９Ａ、１９Ｂを介してグランドに接続されている。抵抗１９Ａ、１９Ｂはインピーダンス整合のために用いており、リレー１６Ａ、１６Ｂのうちオンにされている側（１次側、２次側）と同じ側のリレー１８Ａ、１８Ｂがオンにされる。
【００４０】
可変ゲインアンプ４は入力したシングルエンド信号または差動信号の振幅（レンジ）とＡＤＣが取り扱う振幅（レンジ）とが異なる場合に、レンジの調整を図る。ローパスフィルタ５（図中においてＬＰＦ）は不要な周波数帯域の信号を除去する。ＡＤＣ６はアナログデジタルコンバータであり、シングルエンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力を行う。ＡＤＣ６には図示しない波形解析手段等が接続されており、出力されたデジタル信号に基づいて波形の解析を行う。
【００４１】
リレー制御部３０は各リレー１４Ａ〜１９Ａ、１４Ｂ〜１９Ｂのオン・オフ制御を行っている。なお、リレー制御部３０は波形測定装置１の内部に設けてもよいし、外部に設けてもよい。制御装置４０はリレー制御部３０に接続されており、各リレーのオン・オフ制御の内容を制御・設定する装置である。制御装置４０としては例えばコンピュータを用いることができる。リレー１４Ａ〜１９Ａ、１４Ｂ〜１９Ｂとリレー制御部３０と制御装置４０とによりパルストランス１２の１次入力側、２次入力側、１次出力側、２次出力側の接続制御を行っており、つまり接続制御部の機能を果たす。勿論、接続制御部としては、これら以外の手法を用いてもよい。
【００４２】
以上が概略構成である。次に動作について説明する。信号変換装置３は前述したように、１）シングルエンド信号を入力した場合にはシングルエンド信号のまま出力させ、差動信号を入力した場合にはシングルエンド信号に変換して出力させる機能、および２）出力するシングルエンド信号を所望の増幅率で増幅させる機能、の２つを有している。
【００４３】
このために、パルストランス１２を用い、且つ各リレーのオン・オフ制御を行う。各リレーのオン・オフ制御は入力する信号がシングルエンド信号であるか差動信号であるかによって異なる。また、シングルエンド信号を入力した場合、パルストランス１２の１次側（２次側）から入力した信号を同じ１次側（２次側）で出力するか（同相出力：ストレート型）、または逆側の２次側（１次側）で出力するか（逆相出力：クロス型）によってリレーのオン・オフ制御を異ならせている。
【００４４】
パルストランス１２はその特性によって同相出力と逆相出力とで信号の歪み特性が異なる。その特性によっては、同相出力の方が良好である場合もあり、逆相出力の方が良好である場合もある。いずれにしても、使用するパルストランス１２の特性は予め認識されており、従って同相出力と逆相出力とのうち何れを使用するかも予め認識されている。
【００４５】
そして、信号入力部２に入力される信号がシングルエンド信号であるか差動信号であるかについても予め認識されている。これは、波形測定装置１を用いて波形測定を行うときの設定・制御等によって認識される。従って、シングルエンド信号であるか差動信号であるかの情報、および同相出力と逆相出力とのうち何れを用いるかについての情報は、予め制御装置４０に設定されている。制御装置４０は当該情報に基づいて、リレー制御部３０を制御する。
【００４６】
図２（ａ）〜（ｃ）はリレー制御の態様を示している。同図（ａ）はシングルエンド信号を入力しており、且つ同相出力が良好な場合のリレー制御を示しており、同図（ｂ）はシングルエンド信号を入力しており、且つ逆相出力が良好な場合のリレー制御を示しており、同図（ｃ）は差動信号を入力した場合のリレー制御を示している。なお、図中において、太線で示した経路上のリレーはオンになっており、その他はオフになっている。
【００４７】
図２（ａ）および（ｂ）において、シングルエンド信号を第１信号入力部２Ａ（プラス側）に入力させているが、第２信号入力部２Ｂ（マイナス側）にシングルエンド信号を入力させるものであってもよい。また、図２（ｃ）において、１次出力側から信号を出力させるようにしているが、２次出力側から信号を出力させるようにしてもよい。
【００４８】
まず、図２（ａ）について説明する。この場合は、パルストランス１２の１次入力側を第１信号入力部２Ａに接続し、２次入力側はグランドに接続する。また、１次出力側を信号出力部２０に接続し、２次出力側をグランドに接続する。従って、リレー１４Ａ、１６Ａ、１８Ａ、１５Ｂ、１７Ｂをオンにして、その他をオフにする制御をリレー制御部３０は行う。
【００４９】
第１信号入力部２Ａにシングルエンド信号が入力される。このシングルエンド信号の電圧をＶＡとする。電圧ＶＡのシングルエンド信号はパルストランス１２に入力される。パルストランス１２は変圧器であり、電圧ＶＡは所望の電圧に変換されて出力される。つまり、所望の増幅率（ゲイン）Ｇ１で増幅されて電圧が出力される。当該増幅率Ｇ１はパルストランス１２の１次側の巻線数と２次側の巻線数との巻線比により決定される。従って、所望の増幅率Ｇ１を得るような巻線比でパルストランス１２を構成する。
【００５０】
このとき、パルストランス１２の２次入力側はグランドに接続されており、０（ゼロ）ボルトの電圧を入力している。よって、パルストランス１２の１次出力側から出力される電圧Ｖ１は「Ｖ１＝Ｇ１×（ＶＡ−０）＝Ｇ１×ＶＡ」になる。そして、１次出力側から出力される電圧Ｖ１は信号出力部２０に入力され、この信号出力部２０は可変ゲインアンプ４に電圧Ｖ１を出力する。
【００５１】
一方、パルストランス１２の２次出力側からも電圧が出力されるが、２次出力側はリレー１６Ｂがオフになっており、リレー１７Ｂがオンになっていることから、全てグランドに放出される。以上により、シングルエンド信号を入力したときには、そのままシングルエンド信号として出力し、且つ所望の増幅率Ｇ１により増幅した信号を出力できる。
【００５２】
次に、図２（ｂ）について説明する。この場合も、パルストランス１２の１次入力側を第１信号入力部２Ａに接続し、２次入力側をグランドに接続する。一方、１次出力側をグランドに接続し、２次出力側を信号出力部２０に接続する。従って、リレー１４Ａ、１７Ａ、１５Ｂ、１６Ｂ、１８Ｂをオンにして、その他をオフにする制御をリレー制御部３０は行う。
【００５３】
パルストランス１２の１次入力側から電圧ＶＡのシングルエンド信号が入力され、２次入力側から入力する電圧は０ボルトである点は前述したものと同じである。一方、パルストランス１２の１次出力側から出力される電圧をグランドに放出し、２次出力側から出力される電圧を信号出力部２０に出力させている。
【００５４】
このため、パルストランス１２の２次出力側から出力される電圧Ｖ２は前述した増幅率とは異なる。このときの増幅率をＧ２とすると、電圧Ｖ２は「Ｖ２＝Ｇ２×ＶＡ」となり、所望の増幅率Ｇ２で増幅されたシングルエンド信号を出力する。なお、増幅率Ｇ２は増幅率Ｇ１の逆数（Ｇ２×Ｇ１＝１）になる。
【００５５】
次に、図２（ｃ）について説明する。この場合は、パルストランス１２の１次入力側を第１信号入力部２Ａに接続し、２次入力側を第２信号入力部２Ｂに接続する。また、１次出力側を信号出力部２０に接続し、２次出力側をグランドに接続する。このために、リレー１４Ａ、１６Ａ、１８Ａ、１４Ｂ、１７Ｂをオンにして、その他をオフにする制御をリレー制御部３０は行う。
【００５６】
信号入力部２には差動信号が入力される。このため、第１信号入力部２Ａから電圧ＶＡの信号が入力され、第２信号入力部２Ｂから電圧ＶＢの信号が入力される。そして、それぞれパルストランス１２に入力される。パルストランス１２には所望の増幅率Ｇ３で増幅するように巻線比を構成しており、これにより所望の増幅率で信号が増幅される。
【００５７】
ここでは、１次出力側を用いて電圧を出力しており、この１次出力側の信号が所望の増幅率となるように増幅率Ｇ３を決定している。そして、１次出力側から出力される電圧をＶ３とすると、「Ｖ３＝Ｇ３×（ＶＡ−ＶＢ）」となる。この電圧Ｖ３が信号出力部２０から可変ゲインアンプ４に出力される。
【００５８】
一方、２次出力側から出力される電圧はリレー１６Ｂをオフにし、１７Ｂをオンにしていることから、グランドに放出される。これにより、差動信号が入力されたときにはシングルエンド信号に変換して出力し、且つ所望の増幅率で増幅して信号出力を行うことができる。
【００５９】
以上により、信号変換装置３は前述した２つの機能を果たすことができる。信号変換装置３にはパルストランス１２を用いており、且つリレー制御（接続制御）を行うことで、所望の機能を果たすようにしている。パルストランス１２は受動部品であり、ノイズや歪みに良好な性能を有する部品である。特に、高い周波数帯域において、オペアンプのような能動部品を用いた場合よりも、ノイズや歪みを少なくすることができる。つまり、広帯域において、高品質な信号処理を行うことができる。
【００６０】
パルストランス１２を用いることにより、ノイズや歪みを改善することができるが、さらにパルストランス１２の特性に応じて、同相出力と逆相出力とのうち歪み特性が良好な方を選択していることから、より高品質な信号処理が可能になる。
【００６１】
図３（ａ）および（ｂ）は入力信号を１００ＭＨｚとしたときに、１６０ＭＳａ（１６０MHz sample per second）でサンプリングを行い、測定後にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施したプロットを示している。同図（ａ）は背景技術で説明したインスツルメンテーションアンプを信号変換装置として用いた場合であり、同図（ｂ）は本発明の信号変換装置として用いた場合である。
【００６２】
この波形は波形測定装置１としてのサンプリング結果であり、信号変換装置３だけではなく、可変ゲインアンプ４やローパスフィルタ５を含めたトータルの波形測定のサンプリングである。ただし、信号変換装置３以外は背景技術と本発明とで同じ部品を用いているため、差異を生じるのは信号変換装置３になる。
【００６３】
同図（ａ）および（ｂ）では、基本波のプロットをＰ１、２次高調波成分のプロットをＰ２、３次高調波成分のプロットをＰ３としている。基本波においては、背景技術と本発明とで大きな差異はないが、２次高調波、３次高調波といった高い周波数では信号の歪みが大きく改善している（それぞれ１０ｄＢ程度）。ＴＨＤ（Total Harmonic Distortion：歪み性能）としては、同図（ａ）は−５７ｄＢであったのに対して、本発明は−６８ｄＢまで改善している。
【００６４】
同様に、ＳＮＲについては、同図（ａ）では５７ｄＢであったものが、同図（ｂ）では６０ｄＢまで改善している（波形がフラットになっている部分が３ｄＢ程度低くなっている）。従って、ＳＮＲについては３ｄＢ、ＴＨＤについては１１ｄＢの改善効果が得られ、高い品質の信号処理が可能になる。同図（ａ）で使用したオペアンプは最高速であり、ノイズ性能および歪み性能も最高のものであるため、オペアンプの限界よりも高い改善効果が得られている。
【００６５】
図４（ａ）および（ｂ）は波形測定装置１に入力させる信号の周波数を低域から高域にまで変化させた場合の周波数特性を示している。同図（ａ）は背景技術で説明したインスツルメンテーションアンプを信号変換装置に用いた場合を示しており、同図（ｂ）は本発明を用いた場合を示している。なお、横軸のスケールは同図（ａ）と同図（ｂ）とで異なっている。
【００６６】
信号のピークから３ｄＢ減衰するまでの周波数の範囲を帯域幅周波数としたときに、同図（ａ）の帯域幅周波数は３００ＭＨｚになり、同図（ｂ）の帯域幅周波数は５００ＭＨｚになる。つまり、帯域幅周波数は本発明の方が広がっていることになり、広帯域において高い品質の信号処理が可能になる。
【００６７】
帯域幅周波数が３００ＭＨｚから５００ＭＨｚに広がっていることになり、つまり帯域幅周波数が１．６倍以上広がっている。帯域幅周波数が１．６倍広いということは、ＳＮＲに換算すると、約２ｄＢ（＝２０×ｌｏｇ１０（１．６＾０・５））の性能劣化を本来的に招来する。つまり、帯域幅周波数が１．６倍広がることで、２ｄＢ分のＳＮＲが向上していることになる。
【００６８】
前述したように、ＳＮＲは５７ｄＢから６０ｄＢに改善しており、さらに帯域幅周波数の関係からＳＮＲは６２（＝６０＋２）ｄＢになり、つまり５ｄＢの改善効果が得られている。以上により、広帯域の周波数で高品質（低ノイズ・低歪み）の信号処理が可能になっている。
【００６９】
従って、本発明の信号変換装置は、パルストランスを用い、且つ接続制御を行うことで、シングルエンド信号および差動信号から所望の増幅率で増幅したシングルエンド信号を出力できるようになる。受動素子であるパルストランスを用いていることで、広帯域の周波数で高品質（低ノイズ、低歪み）の信号処理が可能になる。
【００７０】
また、背景技術で説明したインスツルメンテーションアンプを用いた場合には、複数の抵抗を組み合わせて増幅率をコントロールしているため、所望の増幅率を得るために複数の抵抗を設ける必要がある。これに対し、本発明ではパルストランスの巻線比（巻線数）をコントロールするだけで所望の増幅率が得られることから、極めて簡単な構成で所望の増幅率を得ることができる。
【００７１】
以上において、可変ゲインアンプ４はＡＤＣ６が取り扱う振幅のレンジ調整を図っているが、このレンジ調整機能を信号変換装置３に持たせることもできる。この場合には、巻線比の異なる複数のパルストランス１２を並列に接続して、必要な増幅率に応じて使用するパルストランスを選択的に切り替えて使用する。これにより、レンジ調整を行うことができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 波形測定装置
２Ａ 第１信号入力部
２Ｂ 第２信号入力部
３ 信号変換装置
４ 可変ゲインアンプ
５ ローパスフィルタ
１２ パルストランス
１４Ａ〜１９Ａ リレー
１４Ｂ〜１９Ｂ リレー
２０ 信号出力部
３０ リレー制御部
４０ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シングルエンド信号を入力したときはシングルエンド信号として出力し、差動信号を入力したときにはシングルエンド信号に変換して出力する信号変換装置、波形測定装置および半導体試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アナログ信号をデジタル信号に変換するアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）は種々の装置に用いられる。例えば、波形を測定するための波形測定装置や通信システム（人工衛星や無線基地局等に使用される通信システム）等に用いられる。
【０００３】
図５はＡＤＣを備えた波形測定装置１０１の一例を示しており、この波形測定装置１０１は信号入力部１０２（第１信号入力部１０２Ａおよび第２信号入力部１０２Ｂを有して構成される）と信号変換装置１０３と可変ゲインアンプ１０４とローパスフィルタ１０５とＡＤＣ１０６とを備えている。
【０００４】
波形測定装置１０１にはシングルエンド信号と差動信号との２種類の信号を入力することが可能になっている。シングルエンド信号は１本の信号線を使用して信号伝送を行うものであり、差動信号は２本の信号線を使用して信号伝送を行うものである。シングルエンド信号よりも差動信号の方が高速に信号伝送を行うことが可能になっているが、低速な信号伝送を行う場合もあり、シングルエンド信号と差動信号との両方の信号を入力可能にしている。
【０００５】
このために、第１信号入力部１０２Ａおよび第２信号入力部１０２Ｂの２つを設けている。シングルエンド信号を入力する場合は、第１信号入力部１０２Ａと第２信号入力部１０２Ｂとのうち何れか一方を使用し、差動信号を入力する場合は、第１信号入力部１０２Ａおよび第２信号入力部１０２Ｂの両方を使用する。
【０００６】
信号変換装置１０３はシングルエンド信号を入力した場合にはシングルエンド信号を出力し、差動信号を入力した場合にはシングルエンド信号に変換をして出力する。また、信号変換装置１０３は入力したシングルエンド信号、差動信号に対して所定の増幅率（ゲイン）で増幅したシングルエンド信号を出力する。
【０００７】
可変ゲインアンプ１０４は入力したシングルエンド信号または差動信号の振幅（レンジ）とＡＤＣが取り扱う振幅（レンジ）とが異なる場合に、レンジの調整を図る。ローパスフィルタ１０５（図中においてＬＰＦ）は不要な周波数帯域の信号を除去する。そして、ＡＤＣ１０６はシングルエンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
【０００８】
信号変換装置１０３は常にシングルエンド信号を出力する。シングルエンド信号は１本の信号線を使用するため、信号処理を行う機構を大幅に単純化し、且つ実装面積を小さくできる。従って、可変ゲインアンプ１０４およびローパスフィルタ１０５にシングルエンド信号を入力させることで、機構の単純化および実装面積の小規模化を図っている。
【０００９】
また、信号変換装置１０３は所定の増幅率で入力した信号を増幅している。このために、信号変換装置１０３は差動増幅回路で構成している。このための差動増幅回路としては、主に特許文献１に開示されるようなインスツルメンテーションアンプ（Instrumentation Amp）が用いられる。インスツルメンテーションアンプは複数のオペアンプを組み合わせたものである。
【００１０】
図６は信号変換装置１０３（インスツルメンテーションアンプ）の一例を示しており、オペアンプ１１１〜１１３と抵抗１２１〜１３０とリレー１３１、１３２とを備えて概略構成している。オペアンプ１１１は第１信号入力部１０２Ａからの信号を入力し、オペアンプ１１２は第２信号入力部１０２Ｂからの信号を入力している。オペアンプ１１１および１１２は高インピーダンスで信号入力を受けるために設けている。
【００１１】
オペアンプ１１３はオペアンプ１１１と１１２とのうち何れか一方から信号を入力した場合（シングルエンド信号を入力した場合）にはそのまま信号を出力し、両方から信号を入力した場合（差動信号を入力した場合）にはシングルエンド信号として信号を出力する。
【００１２】
従って、信号変換装置１０３から出力される信号はシングルエンド信号と差動信号との何れであっても、シングルエンド信号になる。信号変換装置１０３は差動増幅回路であり、所定の増幅率でシングルエンド信号を出力する。増幅率は抵抗１２１〜１２９の抵抗値で設定される。抵抗１３０はインピーダンス整合のために設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１５９４８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
波形測定装置１０１が取り扱う信号は高速化の一途を辿っており、且つ信号の性能には高い品質が求められている。つまり、広帯域において低ノイズ、低歪みであることが要求されている。このため、ＡＤＣ１０６が高速且つ低ノイズ、低歪みで処理可能であったとしても、その前段に配置される各部を要因として、ノイズや歪みを発生させる。特に、信号変換装置１０３が信号の品質を低下させる要因となる。
【００１５】
前述したインスツルメンテーションアンプは複数のオペアンプを組み合わせて構成している。このときに使用されるオペアンプは能動部品であり、ノイズを発生させ、歪みを発生させる。能動部品は低い周波数帯域ではそれほど信号の品質（ノイズや歪み）が低下しないが、高い周波数帯域で信号の品質が急激に低下する。
【００１６】
図７はオペアンプを用いた場合のＳＮＲ（Signal Noise Ratio：信号対雑音）およびＳＩＮＡＤ（Signal to Noise And Distortion sensitivity：ノイズと歪みとの総和）を示している。横軸は信号の周波数を示しており、縦軸はＳＮＲおよびＳＩＮＡＤの値（デシベル）を示している。なお、縦軸の値が低いほどノイズ性能および歪み特性に優れ、高いほど低下する。
【００１７】
この図に示すように、２０ＭＨｚ程度までの低い周波数帯域ではＳＮＲおよびＳＩＮＡＤは比較的良好であるが、２０ＭＨｚを超過すると急激に信号の品質が低下する。つまり、高い周波数帯域であるほどノイズや歪みが発生する。このため、広帯域で高品質の信号処理を行うという上記要請を充足できなくなる。
【００１８】
そこで、本発明は、シングルエンド信号および差動信号を入力してシングルエンド信号を出力するときに、広帯域でノイズや歪みが少ない高品質なシングルエンド信号を出力することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
以上の課題を解決するため、本発明の第１の信号変換装置は、シングルエンド信号を入力したときにはシングルエンド信号を出力し、差動信号を入力したときにはシングルエンド信号に変換して出力する信号変換装置であって、前記シングルエンド信号および前記差動信号を入力するための第１信号入力部および第２の信号入力部と、１次入力側を前記第１信号入力部に接続し、２次入力側を前記第２信号入力部に接続し、１次出力側および２次出力側を信号出力部に接続したパルストランスと、シングルエンド信号を入力したときには、前記１次入力側と前記２次入力側とのうち前記シングルエンド信号を入力した入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続し、差動信号を入力したときには、前記１次入力側および前記２次入力側との両方の入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続する制御を行う接続制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００２０】
この信号変換装置によれば、受動素子であるパルストランスを用い、入力した信号に応じて接続制御を変えることで、所望の増幅率で増幅したシングルエンド信号を出力するようにしている。受動素子を用いているため、広帯域において高品質な信号処理を行うことが可能になる。
【００２１】
本発明の第２の信号変換装置は、第１の信号変換装置であって、前記接続制御部は、シングルエンド信号を入力したときに、前記パルストランスの特性に応じて、前記１次入力側と前記２次入力側とのうちシングルエンド信号を入力した入力側と同じ出力側を接続するか逆の出力側を接続するかの制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
この信号変換装置によれば、パルストランスの特性に応じて同相出力と逆相出力とを切り替えている。これにより、歪みのより少ないシングルエンド信号を出力することが可能になる。
【００２３】
本発明の第３の信号変換装置は、第２の信号変換装置であって、前記接続制御部は、前記１次入力側と前記２次入力側と前記１次出力側と前記２次出力側とのそれぞれに設けたリレーと、前記シングルエンド信号と前記パルストランスとのうち何れの信号を入力したか、および前記パルストランスの特性に応じて、前記リレーの制御を行うリレー制御部と、を備えたことを特徴とする。
【００２４】
この信号変換装置によれば、パルストランスの１次入力側、２次入力側、１次出力側、２次出力側にリレーを設けて、各リレーの制御を行うことで、前述の第１の信号変換装置および第２の信号変換装置の動作を実現できる。
【００２５】
本発明の第４の波形測定装置は、第１乃至第３の何れかの信号変換装置を備えたことを特徴とする。また、本発明の第５の半導体試験装置は、第４の波形測定装置を備えたことを特徴とする。
【００２６】
前述した信号変換装置は波形測定装置に適用でき、この波形測定装置はさらに半導体試験装置に適用することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、パルストランスを用い、且つ１次入力側、２次入力側、１次出力側、２次出力側の接続制御を行うことで、差動信号とシングルエンド信号との何れを入力しても所望の増幅率で増幅したシングルエンド信号を出力できるようになる。受動素子であるパルストランスを用いることで、広帯域でノイズ性能や歪み特性に優れた高品質な信号処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】波形測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図２】信号変換装置の接続制御を説明した図である。
【図３】ノイズ性能および歪み特性の改善効果を説明した図である。
【図４】周波数帯域の改善効果を説明した図である。
【図５】従来の波形測定装置の概略構成を示したブロック図である。
【図６】インスツルメンテーションアンプの構成図である。
【図７】従来のＳＮＲおよびＳＩＮＡＤを説明した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下において、波形を測定する波形測定装置に信号変換装置を適用している場合について説明するが、信号変換装置はこれ以外の装置に適用してもよい。例えば、任意の通信システム等に使用するものであってもよい。また、波形測定装置は被試験デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）の試験を行う半導体試験装置に適用することを想定しているが、これ以外の装置に適用するものであってもよい。
【００３０】
図１は波形測定装置１の概略構成を示している。波形測定装置１は信号入力部２と信号変換装置３と可変ゲインアンプ４とローパスフィルタ５とＡＤＣ６とを備えて概略構成している。この波形測定装置１には図示しない波形を測定する測定対象（外部装置）から波形が入力される。
【００３１】
信号入力部２は外部装置から波形をアナログ信号として入力している。信号入力部２はシングルエンド信号（１本の信号線で伝達される信号：低速伝送の信号）と差動信号（２本の信号を用いて伝達される信号：高速伝送の信号）との両者を入力可能にしている。このため、第１信号入力部２Ａと第２信号入力部２Ｂとの２つを設けている。シングルエンド信号の場合には、２つのうち何れか一方に信号が入力され、差動信号の場合には、両方に信号が入力される。
【００３２】
信号変換装置３は２つの機能を有している。１つ目は、シングルエンド信号を入力した場合にはそのままシングルエンド信号を出力するが、差動信号を入力した場合にはシングルエンド信号に変換して出力する。つまり、必要に応じて（差動信号を入力した場合）信号を変換する機能を果たしている。２つ目は、出力するシングルエンド信号を所望の増幅率（ゲイン）で増幅して出力している。
【００３３】
このために、信号変換装置３はキャパシタ１１Ａ、１１Ｂとパルストランス１２とリレー１４Ａ〜１８Ａ、１４Ｂ〜１８Ｂと抵抗１９Ａ、１９Ｂと信号出力部２０とを備えて構成している。なお、図１においては、全てのリレー１４Ａ〜１８Ａ、１４Ｂ〜１８Ｂがオフになっているが、所定の制御によりオン・オフに切り替えられる。キャパシタ１１Ａ、１１Ｂは直流成分が流れないようにするために設けている（所謂、ＡＣカップリング）。
【００３４】
パルストランス１２は変圧器であり、１次側と２次側とを設けている。パルストランス１２の１次側に接続される経路を１次側経路ＬＡとし、２次側に接続される経路を２次側経路ＬＢとする。図１において、「Ａ」が付されている各部はパルストランス１２の１次側を構成しており、「Ｂ」が付されている各部は２次側を構成している。
【００３５】
また、パルストランス１２を挟んで１次側経路ＬＡの入力側（１次入力側）には第１信号入力部２Ａが接続され、２次側経路ＬＢの入力側（２次入力側）には第２信号入力部２Ｂが接続される。一方、パルストランス１２を挟んで１次側経路ＬＡの出力側（１次出力側）および２次側経路ＬＢの出力側（２次出力側）は合流されて、合流経路ＬＣとなって信号出力部２０に接続されている。
【００３６】
１次入力側、２次入力側にはリレー１４Ａ、１４Ｂが設けられており、当該経路をオンまたはオフに切り替えている。これにより、第１信号入力部２Ａ、第２信号入力部２Ｂからの信号を入力させるか否かを制御している。リレー１４Ａ、１４Ｂの後段側の経路は分岐して、グランドに接続されている。これら分岐された経路にそれぞれリレー１５Ａ、１５Ｂを設けて、グランドとの接続をオンまたはオフに切り替えている。
【００３７】
１次出力側、２次出力側は最終的に合流されており、合流箇所の手前にそれぞれリレー１６Ａ、１６Ｂを設けている。リレー１６Ａ、１６Ｂのオンまたはオフを切り替えることにより１次出力側、２次出力側からの信号出力を制御している。前述したように、必ずシングルエンド信号を出力させるために、リレー１６Ａと１６Ｂとの何れか一方がオンになり、他方がオフになる。
【００３８】
１次出力側、２次出力側はそれぞれ分岐している箇所が２箇所ある。パルストランス１２に近い方の分岐箇所で分岐した経路はそれぞれグランドに接続され、リレー１７Ａ、１７Ｂによりグランドとの接続をオンまたはオフに切り替えている。これにより、パルストランス１２から出力した信号をグランドに放出している。
【００３９】
また、パルストランス１２から遠い方の分岐箇所で分岐した経路はそれぞれリレー１８Ａ、１８Ｂおよび抵抗１９Ａ、１９Ｂを介してグランドに接続されている。抵抗１９Ａ、１９Ｂはインピーダンス整合のために用いており、リレー１６Ａ、１６Ｂのうちオンにされている側（１次側、２次側）と同じ側のリレー１８Ａ、１８Ｂがオンにされる。
【００４０】
可変ゲインアンプ４は入力したシングルエンド信号または差動信号の振幅（レンジ）とＡＤＣが取り扱う振幅（レンジ）とが異なる場合に、レンジの調整を図る。ローパスフィルタ５（図中においてＬＰＦ）は不要な周波数帯域の信号を除去する。ＡＤＣ６はアナログデジタルコンバータであり、シングルエンド信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して出力を行う。ＡＤＣ６には図示しない波形解析手段等が接続されており、出力されたデジタル信号に基づいて波形の解析を行う。
【００４１】
リレー制御部３０は各リレー１４Ａ〜１９Ａ、１４Ｂ〜１９Ｂのオン・オフ制御を行っている。なお、リレー制御部３０は波形測定装置１の内部に設けてもよいし、外部に設けてもよい。制御装置４０はリレー制御部３０に接続されており、各リレーのオン・オフ制御の内容を制御・設定する装置である。制御装置４０としては例えばコンピュータを用いることができる。リレー１４Ａ〜１９Ａ、１４Ｂ〜１９Ｂとリレー制御部３０と制御装置４０とによりパルストランス１２の１次入力側、２次入力側、１次出力側、２次出力側の接続制御を行っており、つまり接続制御部の機能を果たす。勿論、接続制御部としては、これら以外の手法を用いてもよい。
【００４２】
以上が概略構成である。次に動作について説明する。信号変換装置３は前述したように、１）シングルエンド信号を入力した場合にはシングルエンド信号のまま出力させ、差動信号を入力した場合にはシングルエンド信号に変換して出力させる機能、および２）出力するシングルエンド信号を所望の増幅率で増幅させる機能、の２つを有している。
【００４３】
このために、パルストランス１２を用い、且つ各リレーのオン・オフ制御を行う。各リレーのオン・オフ制御は入力する信号がシングルエンド信号であるか差動信号であるかによって異なる。また、シングルエンド信号を入力した場合、パルストランス１２の１次側（２次側）から入力した信号を同じ１次側（２次側）で出力するか（同相出力：ストレート型）、または逆側の２次側（１次側）で出力するか（逆相出力：クロス型）によってリレーのオン・オフ制御を異ならせている。
【００４４】
パルストランス１２はその特性によって同相出力と逆相出力とで信号の歪み特性が異なる。その特性によっては、同相出力の方が良好である場合もあり、逆相出力の方が良好である場合もある。いずれにしても、使用するパルストランス１２の特性は予め認識されており、従って同相出力と逆相出力とのうち何れを使用するかも予め認識されている。
【００４５】
そして、信号入力部２に入力される信号がシングルエンド信号であるか差動信号であるかについても予め認識されている。これは、波形測定装置１を用いて波形測定を行うときの設定・制御等によって認識される。従って、シングルエンド信号であるか差動信号であるかの情報、および同相出力と逆相出力とのうち何れを用いるかについての情報は、予め制御装置４０に設定されている。制御装置４０は当該情報に基づいて、リレー制御部３０を制御する。
【００４６】
図２（ａ）〜（ｃ）はリレー制御の態様を示している。同図（ａ）はシングルエンド信号を入力しており、且つ同相出力が良好な場合のリレー制御を示しており、同図（ｂ）はシングルエンド信号を入力しており、且つ逆相出力が良好な場合のリレー制御を示しており、同図（ｃ）は差動信号を入力した場合のリレー制御を示している。なお、図中において、太線で示した経路上のリレーはオンになっており、その他はオフになっている。
【００４７】
図２（ａ）および（ｂ）において、シングルエンド信号を第１信号入力部２Ａ（プラス側）に入力させているが、第２信号入力部２Ｂ（マイナス側）にシングルエンド信号を入力させるものであってもよい。また、図２（ｃ）において、１次出力側から信号を出力させるようにしているが、２次出力側から信号を出力させるようにしてもよい。
【００４８】
まず、図２（ａ）について説明する。この場合は、パルストランス１２の１次入力側を第１信号入力部２Ａに接続し、２次入力側はグランドに接続する。また、１次出力側を信号出力部２０に接続し、２次出力側をグランドに接続する。従って、リレー１４Ａ、１６Ａ、１８Ａ、１５Ｂ、１７Ｂをオンにして、その他をオフにする制御をリレー制御部３０は行う。
【００４９】
第１信号入力部２Ａにシングルエンド信号が入力される。このシングルエンド信号の電圧をＶＡとする。電圧ＶＡのシングルエンド信号はパルストランス１２に入力される。パルストランス１２は変圧器であり、電圧ＶＡは所望の電圧に変換されて出力される。つまり、所望の増幅率（ゲイン）Ｇ１で増幅されて電圧が出力される。当該増幅率Ｇ１はパルストランス１２の１次側の巻線数と２次側の巻線数との巻線比により決定される。従って、所望の増幅率Ｇ１を得るような巻線比でパルストランス１２を構成する。
【００５０】
このとき、パルストランス１２の２次入力側はグランドに接続されており、０（ゼロ）ボルトの電圧を入力している。よって、パルストランス１２の１次出力側から出力される電圧Ｖ１は「Ｖ１＝Ｇ１×（ＶＡ−０）＝Ｇ１×ＶＡ」になる。そして、１次出力側から出力される電圧Ｖ１は信号出力部２０に入力され、この信号出力部２０は可変ゲインアンプ４に電圧Ｖ１を出力する。
【００５１】
一方、パルストランス１２の２次出力側からも電圧が出力されるが、２次出力側はリレー１６Ｂがオフになっており、リレー１７Ｂがオンになっていることから、全てグランドに放出される。以上により、シングルエンド信号を入力したときには、そのままシングルエンド信号として出力し、且つ所望の増幅率Ｇ１により増幅した信号を出力できる。
【００５２】
次に、図２（ｂ）について説明する。この場合も、パルストランス１２の１次入力側を第１信号入力部２Ａに接続し、２次入力側をグランドに接続する。一方、１次出力側をグランドに接続し、２次出力側を信号出力部２０に接続する。従って、リレー１４Ａ、１７Ａ、１５Ｂ、１６Ｂ、１８Ｂをオンにして、その他をオフにする制御をリレー制御部３０は行う。
【００５３】
パルストランス１２の１次入力側から電圧ＶＡのシングルエンド信号が入力され、２次入力側から入力する電圧は０ボルトである点は前述したものと同じである。一方、パルストランス１２の１次出力側から出力される電圧をグランドに放出し、２次出力側から出力される電圧を信号出力部２０に出力させている。
【００５４】
このため、パルストランス１２の２次出力側から出力される電圧Ｖ２は前述した増幅率とは異なる。このときの増幅率をＧ２とすると、電圧Ｖ２は「Ｖ２＝Ｇ２×ＶＡ」となり、所望の増幅率Ｇ２で増幅されたシングルエンド信号を出力する。なお、増幅率Ｇ２は増幅率Ｇ１の逆数（Ｇ２×Ｇ１＝１）になる。
【００５５】
次に、図２（ｃ）について説明する。この場合は、パルストランス１２の１次入力側を第１信号入力部２Ａに接続し、２次入力側を第２信号入力部２Ｂに接続する。また、１次出力側を信号出力部２０に接続し、２次出力側をグランドに接続する。このために、リレー１４Ａ、１６Ａ、１８Ａ、１４Ｂ、１７Ｂをオンにして、その他をオフにする制御をリレー制御部３０は行う。
【００５６】
信号入力部２には差動信号が入力される。このため、第１信号入力部２Ａから電圧ＶＡの信号が入力され、第２信号入力部２Ｂから電圧ＶＢの信号が入力される。そして、それぞれパルストランス１２に入力される。パルストランス１２には所望の増幅率Ｇ３で増幅するように巻線比を構成しており、これにより所望の増幅率で信号が増幅される。
【００５７】
ここでは、１次出力側を用いて電圧を出力しており、この１次出力側の信号が所望の増幅率となるように増幅率Ｇ３を決定している。そして、１次出力側から出力される電圧をＶ３とすると、「Ｖ３＝Ｇ３×（ＶＡ−ＶＢ）」となる。この電圧Ｖ３が信号出力部２０から可変ゲインアンプ４に出力される。
【００５８】
一方、２次出力側から出力される電圧はリレー１６Ｂをオフにし、１７Ｂをオンにしていることから、グランドに放出される。これにより、差動信号が入力されたときにはシングルエンド信号に変換して出力し、且つ所望の増幅率で増幅して信号出力を行うことができる。
【００５９】
以上により、信号変換装置３は前述した２つの機能を果たすことができる。信号変換装置３にはパルストランス１２を用いており、且つリレー制御（接続制御）を行うことで、所望の機能を果たすようにしている。パルストランス１２は受動部品であり、ノイズや歪みに良好な性能を有する部品である。特に、高い周波数帯域において、オペアンプのような能動部品を用いた場合よりも、ノイズや歪みを少なくすることができる。つまり、広帯域において、高品質な信号処理を行うことができる。
【００６０】
パルストランス１２を用いることにより、ノイズや歪みを改善することができるが、さらにパルストランス１２の特性に応じて、同相出力と逆相出力とのうち歪み特性が良好な方を選択していることから、より高品質な信号処理が可能になる。
【００６１】
図３（ａ）および（ｂ）は入力信号を１００ＭＨｚとしたときに、１６０ＭＳａ（１６０MHz sample per second）でサンプリングを行い、測定後にＦＦＴ（高速フーリエ変換）を施したプロットを示している。同図（ａ）は背景技術で説明したインスツルメンテーションアンプを信号変換装置として用いた場合であり、同図（ｂ）は本発明の信号変換装置として用いた場合である。
【００６２】
この波形は波形測定装置１としてのサンプリング結果であり、信号変換装置３だけではなく、可変ゲインアンプ４やローパスフィルタ５を含めたトータルの波形測定のサンプリングである。ただし、信号変換装置３以外は背景技術と本発明とで同じ部品を用いているため、差異を生じるのは信号変換装置３になる。
【００６３】
同図（ａ）および（ｂ）では、基本波のプロットをＰ１、２次高調波成分のプロットをＰ２、３次高調波成分のプロットをＰ３としている。基本波においては、背景技術と本発明とで大きな差異はないが、２次高調波、３次高調波といった高い周波数では信号の歪みが大きく改善している（それぞれ１０ｄＢ程度）。ＴＨＤ（Total Harmonic Distortion：歪み性能）としては、同図（ａ）は−５７ｄＢであったのに対して、本発明は−６８ｄＢまで改善している。
【００６４】
同様に、ＳＮＲについては、同図（ａ）では５７ｄＢであったものが、同図（ｂ）では６０ｄＢまで改善している（波形がフラットになっている部分が３ｄＢ程度低くなっている）。従って、ＳＮＲについては３ｄＢ、ＴＨＤについては１１ｄＢの改善効果が得られ、高い品質の信号処理が可能になる。同図（ａ）で使用したオペアンプは最高速であり、ノイズ性能および歪み性能も最高のものであるため、オペアンプの限界よりも高い改善効果が得られている。
【００６５】
図４（ａ）および（ｂ）は波形測定装置１に入力させる信号の周波数を低域から高域にまで変化させた場合の周波数特性を示している。同図（ａ）は背景技術で説明したインスツルメンテーションアンプを信号変換装置に用いた場合を示しており、同図（ｂ）は本発明を用いた場合を示している。なお、横軸のスケールは同図（ａ）と同図（ｂ）とで異なっている。
【００６６】
信号のピークから３ｄＢ減衰するまでの周波数の範囲を帯域幅周波数としたときに、同図（ａ）の帯域幅周波数は３００ＭＨｚになり、同図（ｂ）の帯域幅周波数は５００ＭＨｚになる。つまり、帯域幅周波数は本発明の方が広がっていることになり、広帯域において高い品質の信号処理が可能になる。
【００６７】
帯域幅周波数が３００ＭＨｚから５００ＭＨｚに広がっていることになり、つまり帯域幅周波数が１．６倍以上広がっている。帯域幅周波数が１．６倍広いということは、ＳＮＲに換算すると、約２ｄＢ（＝２０×ｌｏｇ１０（１．６＾０・５））の性能劣化を本来的に招来する。つまり、帯域幅周波数が１．６倍広がることで、２ｄＢ分のＳＮＲが向上していることになる。
【００６８】
前述したように、ＳＮＲは５７ｄＢから６０ｄＢに改善しており、さらに帯域幅周波数の関係からＳＮＲは６２（＝６０＋２）ｄＢになり、つまり５ｄＢの改善効果が得られている。以上により、広帯域の周波数で高品質（低ノイズ・低歪み）の信号処理が可能になっている。
【００６９】
従って、本発明の信号変換装置は、パルストランスを用い、且つ接続制御を行うことで、シングルエンド信号および差動信号から所望の増幅率で増幅したシングルエンド信号を出力できるようになる。受動素子であるパルストランスを用いていることで、広帯域の周波数で高品質（低ノイズ、低歪み）の信号処理が可能になる。
【００７０】
また、背景技術で説明したインスツルメンテーションアンプを用いた場合には、複数の抵抗を組み合わせて増幅率をコントロールしているため、所望の増幅率を得るために複数の抵抗を設ける必要がある。これに対し、本発明ではパルストランスの巻線比（巻線数）をコントロールするだけで所望の増幅率が得られることから、極めて簡単な構成で所望の増幅率を得ることができる。
【００７１】
以上において、可変ゲインアンプ４はＡＤＣ６が取り扱う振幅のレンジ調整を図っているが、このレンジ調整機能を信号変換装置３に持たせることもできる。この場合には、巻線比の異なる複数のパルストランス１２を並列に接続して、必要な増幅率に応じて使用するパルストランスを選択的に切り替えて使用する。これにより、レンジ調整を行うことができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 波形測定装置
２Ａ 第１信号入力部
２Ｂ 第２信号入力部
３ 信号変換装置
４ 可変ゲインアンプ
５ ローパスフィルタ
１２ パルストランス
１４Ａ〜１９Ａ リレー
１４Ｂ〜１９Ｂ リレー
２０ 信号出力部
３０ リレー制御部
４０ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルエンド信号を入力したときにはシングルエンド信号を出力し、差動信号を入力したときにはシングルエンド信号に変換して出力する信号変換装置であって、
前記シングルエンド信号および前記差動信号を入力するための第１信号入力部および第２の信号入力部と、
１次入力側を前記第１信号入力部に接続し、２次入力側を前記第２信号入力部に接続し、１次出力側および２次出力側を信号出力部に接続したパルストランスと、
シングルエンド信号を入力したときには、前記１次入力側と前記２次入力側とのうち前記シングルエンド信号を入力した入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続し、差動信号を入力したときには、前記１次入力側および前記２次入力側との両方の入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続する制御を行う接続制御部と、
を備えたことを特徴とする信号変換装置。
【請求項２】
前記接続制御部は、シングルエンド信号を入力したときに、前記パルストランスの特性に応じて、前記１次入力側と前記２次入力側とのうちシングルエンド信号を入力した入力側と同じ出力側を接続するか逆の出力側を接続するかの制御を行うこと
を特徴とする請求項１記載の信号変換装置。
【請求項３】
前記接続制御部は、
前記１次入力側と前記２次入力側と前記１次出力側と前記２次出力側とのそれぞれに設けたリレーと、
前記シングルエンド信号と前記パルストランスとのうち何れの信号を入力したか、および前記パルストランスの特性に応じて、前記リレーの制御を行うリレー制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の信号変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の信号変換装置を備えたこと
を特徴とする波形測定装置。
【請求項５】
請求項４記載の波形測定装置を備えたこと
を特徴とする半導体試験装置。
【請求項１】
シングルエンド信号を入力したときにはシングルエンド信号を出力し、差動信号を入力したときにはシングルエンド信号に変換して出力する信号変換装置であって、
前記シングルエンド信号および前記差動信号を入力するための第１信号入力部および第２の信号入力部と、
１次入力側を前記第１信号入力部に接続し、２次入力側を前記第２信号入力部に接続し、１次出力側および２次出力側を信号出力部に接続したパルストランスと、
シングルエンド信号を入力したときには、前記１次入力側と前記２次入力側とのうち前記シングルエンド信号を入力した入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続し、差動信号を入力したときには、前記１次入力側および前記２次入力側との両方の入力側および前記１次出力側と前記２次出力側とのうち何れか一方の出力側を前記パルストランスに接続する制御を行う接続制御部と、
を備えたことを特徴とする信号変換装置。
【請求項２】
前記接続制御部は、シングルエンド信号を入力したときに、前記パルストランスの特性に応じて、前記１次入力側と前記２次入力側とのうちシングルエンド信号を入力した入力側と同じ出力側を接続するか逆の出力側を接続するかの制御を行うこと
を特徴とする請求項１記載の信号変換装置。
【請求項３】
前記接続制御部は、
前記１次入力側と前記２次入力側と前記１次出力側と前記２次出力側とのそれぞれに設けたリレーと、
前記シングルエンド信号と前記パルストランスとのうち何れの信号を入力したか、および前記パルストランスの特性に応じて、前記リレーの制御を行うリレー制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項２記載の信号変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の信号変換装置を備えたこと
を特徴とする波形測定装置。
【請求項５】
請求項４記載の波形測定装置を備えたこと
を特徴とする半導体試験装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１００６７（Ｐ２０１２−１００６７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４３６６１（Ｐ２０１０−１４３６６１）
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【Ｆターム（参考）】
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