JP2009536357A - プロービング方法及び装置 - Google Patents

Abstract

プローブは、被試験回路に永久的に取り付けられた小さな「消耗」プローブ・サブストレートを具えている。プローブ・サブストレートは、被試験回路の導体に挿入される高忠実度信号経路と、被試験信号が信号経路に沿って伝搬する際の被試験信号を検知する高帯域幅検知回路とを含んでいる。プローブ・サブストレートは、測定機器に対して取り外し可能な相互接続を受けるプローブ・ソケットも含んでいる。被試験回路又は相互接続のいずれから電力がプローブに供給される。相互接続が取り付けられると、測定機器からの制御信号が検知回路に供給され、検知回路の出力が測定機器に供給される。一実施例において、検知回路は、受動減衰器の利用を避けるために、高ブレークダウン・トランジスタを用いる。別の実施例において、検知回路は、広帯域方向性検知回路を含んでいる。

Description

発明の分野

本発明は、一般に、測定機器用のプローブに関し、特に、被試験回路に取り付けられたプローブに関する。

発明の背景

プローブを用いて、被試験回路への接触を行う。例えば、電子技術者が回路基板トレースでの信号動作を観察したいならば、技術者は、オレゴン州ビーバートンのテクトロニクス社製Ｐ７２６０の如きアクティブ高インピーダンス・プローブを選択できる。技術者がプローブの細い先端をトレースに接触させるとき、プローブ先端内の高入力インピーダンス・プローブ増幅器は、この信号を検知し、緩衝した複製を表示用にオシロスコープに送る。

高速マイクロエレクトロニクス回路用のプローブの設計は、非常にチャレンジ的なものである。理想的なプローブは、被試験回路に接続しやすく、高入力インピーダンス（高抵抗、低インピーダンス及び低容量）である。残念なことに、プローブを被試験回路に容易に接続させるようにする最も一般的な技術は、インダクタンス及び容量が過度であるので、プローブの測定帯域幅及び忠実度を犠牲にする。さらに、ユーザがプローブ先端をトレースに接触する度に、ユーザがわずかに異なる角度からトレースにアプローチするかもしれないし、わずかに異なる力を用いるかもしれない。その結果、わずかに異なる接触抵抗、インダクタンス及び容量となって、繰り返しの測定ができない。プローブ先端をトレースに半田付けするか、又は機械的なプロービング・アームを用いることにより、これら問題がいくらか軽減するかもしれないが、完全ではない。マイクロエレクトロニクス回路がより小さく且つより高速になるにつれ、これらのチャレンジ対象が単に悪化する。

信号をプロービングする他のチャレンジは、プローブ増幅器の入力電圧レンジを被試験信号の電圧よりも小さくなるかもしれないことと、プローブ増幅器の入力容量を好ましくない程に高くなるかもしれないことである。これらの問題を軽減するために、プローブに能動減衰器を用いて、被試験信号を増幅する前に、この被試験信号を減衰させる。これにより、プローブ増幅器に供給される電圧が低下し、減衰比に等しい係数だけ、プローブ先端から見た入力容量が小さくなる。残念なことに、これら能動減衰器は、高価であり、複雑であり、入力でのノイズが同等である。

さらなるチャレンジ対象は、いくつかの場合において、特定の場所でトレースがプロービングされない限り、ユーザは、伝送された信号の真の表示を見られないことである。例えば、トレースが、信号源の終端された伝送線の場合、伝送線の最端部にて又は受信器の直接入力にてトレースがプロービングされなければ、プロービングされた真が歪むだろう。これは、次の事実に基づく。すなわち、信号源の終端された伝送線にて、伝送された信号（「順方向」又は「入射」波）が伝送線の遠い端部から反射し、送信器に向かって戻るように伝搬する（「逆方向」又は「反射」波）。しかし、伝送線の最端部を除き、順方向及び逆方向の波（プローブが実際に観察するもの）の和は、あらゆるところで歪むだろう。残念なことに、受信器への入力は、一般にプロービング用にアクセス可能ではなく、例えば、パッケージされた集積回路内に含まれるかもしれない。関連したチャレンジは、負荷終端された伝送線の出力端品質を確かめることである。ここでは、この目的は、受信器に伝送された総てのデータが吸収されたかを、又は、等価的にデータが反射していないかを確かめることである。それ自体では、ユーザは、入射波のない反射波を測定したいし、同じ理由のため、上述のように、従来のプローブでは不充分である。同様に、双方向性通信リンクの場合、ユーザが、リンクに跨る特定の方向にて伝送する信号のみを測定したならば、従来のプローブでは再び充分ではない。これは、両方向を伝送する信号の和を測定してしまうためである。

順方向波及び逆方向波を分離する１つの方法は、方向性結合器を用いることである。典型的な方向性結合器は、ニューヨーク州ブルックリンのミニ・サーキット社製ＢＤＣＡ１−７−３３の如き４ポート能動マイクロウェーブ回路である。ＢＤＣＡ１−７−３３のポート１及びポート２を被試験回路の導体に挿入すると、ポート１からポート２に伝送する順方向の波の一部がポート３に現れ、ポート２からポート１への逆方向の波の一部がポート４に現れる。残念なことに、これら形式の方向性結合器は、狭帯域幅であるので、広帯域幅データ信号を測定するのには適さない。例えば、ＢＤＣＡ１−７−３３は、１．６ＧＨｚ及び３．３ＧＨｚの間の信号に適するのみである。これでは、典型的には直流から３．１２５ＧＨｚを大幅における周波数の３．１２５Ｇｂ／ｓＸＡＵＩ（Extended Attachment Unit Interface）の如き最新の広帯域シリアル・データ信号を測定するのに充分ではない。

米国特許第３９３４２１３号は、他の形式の方向性結合器を記載しており、順方向及び逆方向の波を表示するために、増幅器を用いて伝送線上の電流及び電圧を測定し、これらを電流及び電圧を代数的に組合せる。このアプローチの利点は、順方向波における電圧及び電流が同相である一方、逆方向波の電圧及び電流に１８０度の位相差があることである。これら方向性結合器は、広帯域幅であり、直流から、使用する技術の帯域幅までで動作する。残念なことに、これらは、伝送線のいくつかの点からの測定が必要であり、いくつかの場合には、伝送線の切断により一連の測定を行う。よって、これらの形式の方向性結合器は、このままでは、従来のハンドヘルド・プロービング技術に適合しない。

マイクロエレクトロニクス・トレースへの接続が容易で、繰り返し測定ができる高帯域幅で高忠実度のプローブが望まれている。入力レンジが合理的で入力容量が低い一方、高価でなく、複雑でなく、受動減衰器に関連した入力ノイズの犠牲にならないプローブが更に望まれている。また、広帯域方向性検知能力を有するプローブが望まれている。

発明の概要

よって、本発明において、小さな「消耗」プローブ・サブストレートが被試験回路に永久的に取り付けられる。プローブ・サブストレートは、被試験回路の導体に挿入されるのに適する高忠実度の信号経路と、被試験信号が信号経路を伝搬する際にこの被試験信号を検知する高帯域幅の検知回路とを含んでいる。プローブ・サブストレートは、測定機器への取り外し可能な相互接続を受けるプローブ・ソケットも含んでいる。被試験回路又は相互接続のいずれかにより、電力をプローブに供給する。相互接続を取り付けたとき、測定機器からの制御信号を検知回路に供給し、検知回路の出力を測定機器に供給する。一実施例において、検知回路は、受動減衰器を避けるために、高ブレークダウン・トランジスタを用いる。別の実施例において、検知回路は、広帯域方向性検知回路を含む。

添付の図面及び特許請求の範囲に関連して説明する以下の詳細説明から、本発明の目的、利点及び他の新規な特徴は明らかであろう。

発明の詳細な説明

図１は、本発明によるプローブ１００の簡略化した図である。プローブ１００は、被試験回路１１５に永久的に取り付けられる小さな「消耗」プローブ・サブストレート１１０を具えている。プローブ・サブストレート１１０は、被試験回路１１５の導体１２０に挿入された高忠実度の信号経路１０６と、この信号経路１０６に沿って伝搬する被試験信号を検知する高帯域幅検知回路１０５とを含む。プローブ・サブストレート１１０は、測定機器（図示せず）への取り外し可能な相互接続１２５を受けるプローブ・ソケット１３０も具えている。被試験回路又は相互接続１２５のいずれかにより、電力が検知回路１０５に供給される。相互接続１２５が取り付けられると、測定機器からの制御信号が検知回路１０５に供給され、検知回路の出力が測定機器に供給される。

図２は、プローブ１００のより詳細な側面図である。検知回路１０５は、フリップ・チップ半田バンプ技術を用いてプローブ・サブストレート１１０上に、表を下にして取り付けられた集積回路であり、次に、半田バンプを用いて被試験回路１１５に取り付けられる。導体１２０は、プローブ・サブストレート１１０を受ける間隙２０５を有する。この間隙は、好ましくは、設計段階にて被試験回路１１５に設計されている。導体１２０に信号経路１０６を挿入させるために必要な半田バンプ２１０及び２０８の他に、機械的安定性及びインピーダンス制御のためには、追加の半田バンプ（簡略化のため図示せず）が必要かもしれない。プローブ・ソケット１３０（任意の適切な手段、例えば、エポキシによりプローブ・サブストレート１１０に結合される）は、相互接続１２５を固定するので、相互接続の先端２１５は、パッド２２０に接触し、次に、半田バンプ２０７に接続し、最終的には検知回路１０５に接続する。簡略化のため、側面図からは、半田バンプ２０７、パッド２２０及び先端２１５が１つの経路として示されているが、これらは、電力及び制御（例えば、利得及びオフセット）の如き通過の信号と適応するために、複数の経路から構成されてもよい。プローブ・サブストレート１１０及び被試験回路１１５の両方は、従来のガラス強化エポキシ（「ＦＲ−４」としても知られている）又はアルミナ（典型的には、高周波アプリケーションに使用される）の如き種々の誘電体材料で構成してもよい。他のパッキング技術（例えば、表面実装技術）を用いて、検知回路１０５をプローブ・サブストレート１１０に取り付け（即ち、物理的及び電気的接続）、同様に、プローブ・サブストレート１１０を被試験回路１１５に取り付けてもよい。また、プローブ・サブストレート１１０に直接取り付けられた個別コンポーネントにより、検知回路１０５を実現してもよい。

動作において、被試験信号は、導体１２０から半田バンプ２１０及び２０８並びにビア２２５を介して導体１２０に戻る。本発明の一実施例において、検知回路１０５は、相互接続１２５を介して測定機器からの電力及び制御信号を受ける。よって、相互接続１２５が取り付けられないとき、検知回路１０５に電力が供給されず、被試験信号が単に信号経路１０６に沿って流れる。相互接続１２５が取り付けられると、電力が検知回路１０５に供給され、これに応じて、検知回路１０５は、被試験信号を検知し、この被試験信号を表す信号を測定機器に送る。別の実施例において、検知回路１０５は、被試験回路１１５から電力及び制御信号を得る。すなわち、相互接続１２５がないときには、検知回路１０５は、必然的に電力が供給されないものではない。

信号経路１０６、半田バンプ２１０及び２０８並びにビア２２５は、導体１２０の特性インピーダンスを維持するように設計されているので、被試験回路１１５の負荷を最小とし、高忠実度の測定を提供する。さらに、プローブ・サブストレート１１０は、同じ方法で（例えば、半田リフロー）にて導体１２０に常に接続しているので、本発明は、より整合した一定抵抗、インダクタンス及び容量を提供する。よって、従来のハンドヘルド・プローブよりも測定を反復できる。

プローブ・サブストレート１１０及びプローブ・ソケット１３０は、「消耗品」である。すなわち、これらは、大量に購入され、被試験回路１１５の多くの予測される試験点に永久に取り付けられるように設計されている。ユーザがこれら試験点の１つにプロービングを望むとき、ユーザは、相互接続１２５を適切なプローブ・ソケット及びプローブ・サブストレートに単に取り付ければよい。この方法において、プローブ１００を被試験回路１１５に接続することが容易であるにもかかわらず、繰り返し可能で、高帯域幅で、高忠実度の測定を提供する。

本発明の更なる利点は、被試験回路１１５の固有の容量が検知回路１０５を、静電気の放電（ＥＳＤ）による破損から保護することである。すなわち、従来のハンドヘルド・プローブは、プローブ先端にＥＳＤ保護回路を含まなければならないが、容量を犠牲にして、プローブの測定帯域幅及び忠実度を損なう。しかし、プローブ・サブストレート１１０を被試験回路１１５に永久的に取り付けるので（取り付けは安定した制御環境で行われる）、検知回路１０５は、ＥＳＤからの保護のために、被試験回路１１５の固有の容量を当てにできる。その結果、検知回路１０５は、ＥＳＤ保護回路を用いずに、優れた測定帯域幅及び忠実度を提供できる。

本発明の１つの観点は、ある形式の最新の高性能トランジスタは、入力容量が充分に小さく、ブレークダウンが充分に高く、これらトランジスタをプローブ入力装置に利用できるという認識である。「高プルダウン」トランジスタは、典型的には帯域幅が貧弱であるが、ニューヨーク州ホワイト・プレインズのＩＢＭコーポレイション製シリコン・ゲルマニウム７ＨＰの如き最新の半導体プロセスは、抵抗入力インピーダンス、高ブレークダウン電圧、高帯域幅の高ブレークダウン・トランジスタを生み出す。よって、検知回路１０５は、入力として高ブレークダウン・トランジスタを用いてもよいので、受動減衰器の必要性がない。これにより、受動減衰器の複雑さ及び過度な容量を避けることができ、減衰器抵抗技術でない安価なパッキング技術を用いることが可能となり、プローブ先端での等化ノイズを減少できる。これらの総てにより、プローブ・サブストレート１１０を「消耗」製品とすることが実際的となる。

上述の説明において、導体１２０、半田バンプ２１０及び２０８、ビア２２５並びに信号経路１０６は簡略化ためにシングル・エンド・トレースとして示した。しかし、導体１２０は、差動又はマルチ・トレース・バスでもよい。かかる場合、半田バンプ２１０及び２０８、ビア２２５並びに信号経路１０６は、同様に、差動又はマルチ・トレース・バスでもよく、各トレースが専用の検知回路１０５を有する。

同様に、検知回路１０５は、高入力インピーダンスのシングル・エンド増幅器又は差動増幅器でもよい。かかる差動増幅器３００を図３に示す。入力ＩｎＰ及びＩｎＮがトランジスタＱ３０１及びＱ３０２を差動信号経路１０６に直接接続する。動作において、制御信号ＯＳＰ及びＯＳＮは、トランジスタＱ３０１及びＱ３０２のテール電流を予めバイアスしてオフセットを供給するので、利用可能な入力レンジを拡大する。抵抗器Ｒ３０１、Ｒ３０２、Ｒ３０３及びＲ３０４の組合せが、入力電圧の０．４倍の差動信号電圧をＲ３０３及びＲ３０４に生じる。この差動電圧は、レベル・シフトされ、トランジスタＱ３０９及びＱ３１０のベースに供給される。次に、この差動電圧は、抵抗器Ｒ３０９及びＲ３１０を介して出力ＯｕｔＰ及びＯｕｔＮを駆動する。ＯｕｔＰ及びＯｕｔＮが５０Ω伝送線を駆動するとき、出力電圧は、入力電圧の０．２倍である。入力の同相電圧レンジを許容するために、トランジスタＱ３０１、Ｑ３０２、Ｑ３８８及びＱ３８９は、高ブレークダウン・トランジスタである。レベル・シフトされた電圧がＱ３０９及びＱ３１０を介して出力に供給されている間、出力信号電流を供給するために、電流信号がコンデンサＣ３１９及びＣ３２０並びにトランジスタＱ３１４及びＱ３１５を介して実際に流れ、トランジスタＱ３１１及びＱ３１２の電流を変調する。エミッタ・フォロワＱ３０９及びＱ３１０は、小さなミスマッチ又はエラーにより、単にわずかな信号電流を流す。この分析は、５０Ω特性インピーダンス及び０．２減衰比を用いているが、この回路は、任意の特性インピーダンス又は減衰比に適するようにできることが当業者には理解できよう。

プローブ・サブストレート１１０は、被試験回路１１５に永久的に取り付けられるので、従来のハンドヘルド・プローブでは容易でない測定を実際的に行える。例えば、本発明の他の実施例において、検知回路１０５は、図４に示すように、広帯域方向性結合器４００を含んでいる。広帯域電力スプリッタ４０５（抵抗器Ｒ４３５、Ｒ４４０及びＲ４４５を具える）が信号経路１０６と直列接続されており、ポートが「順方向」ポートで、ポート２が「逆方向」ポートで、ポート３がＲ４１０により終端されている。増幅器Ａ４２５がポート３及び接地の間の差を２．５の利得で測定し（Ｖｐ）、増幅器Ａ４３０がポート１及び２の間の電圧差を利得２．５で測定する（Ｖｓ）。増幅器Ａ４２５及びＡ４３０の出力信号を加算し、且つ減算して、順方向波及び逆方向波を夫々求める。この加算及び減算は、検知回路１０５内の別の回路（図示せず）により実行できる。この場合、加算又は減算の結果の信号は、測定機器に伝送する。代わりに、これら両方の増幅器の出力信号を測定機器に伝送してもよい。この場合、これら出力信号を、測定機器内の回路により加算及び減算するか、又は、デジタル化して、ソフトウェアで加算又は減算してもよい。

回路動作を理解するため、電力スプリッタ４０５がポート１及び２に対して対称であり、電力スプリッタのポート１又は２の一方を５０Ωで出力端したときに他方を見たインピーダンスが５０Ωである。電流Ｉｆがポート１に流れるとき、電流０．８Ｉｆがポート２から流れ出て、電流０．２Ｉｆがポート３から流れ出る。同様に、対称性により、電流Ｉｒがポート２に流れるとき、電流０．８Ｉｒがポート１から流れ出て、電流０．２Ｉｒがポート３から流れ出る。
Vf=If×50Ω
及び
Vr=Ir×50Ω
と定義することにより、
ポート１からポート２への電圧差は、次のようになる。
Vs=0.2Vf-0.2Vr
ポート３の電圧は、次のようになる。
Vp=0.2Vf+0.2Vr
Ｖｆ及びＶｒについて解くと次のようになる。
Vf=2.5(Vp+Vs)
及び
Vr=2.5(Vp-Vs)
よって、増幅器Ａ４２５及びＡ４３０の出力信号の和及び差は、夫々順方向及び逆方向の信号となる。

上述の分析は、５０Ω特性インピーダンス及び０．８の減衰比を用いたが、この原理は、任意のインピーダンス又は減衰比に適用できる。さらに、電力スプリッタ４０５は、集積回路で形成してもよいし、サブストレート１１０に直接印刷してもよい。また、図５に示す等化「Ｙ」及び「Δ」回路５０５及び５１０の如く、種々の電力スプリッタ回路が適応可能である。

小さな「消耗」プローブ・サブストレート、プローブ・ソケット、及び測定機器に対して取り外し可能な相互接続について上述したが、これは、マイクロエレクトロニクス・トレースへの接続が容易であるが、高帯域幅、高忠実度の測定を提供できる。一実施例において、本発明によるプローブは、高ブレークダウン・トランジスタを用いて、合理的な入力電圧レンジ及び低入力容量を提供する一方、受動減衰器に関連した入力ノイズの犠牲にならず、複雑でもなく、高価でもない。別の実施例においては、プローブは、広帯域方向性結合器を含んでいる。

図１は、本発明によるプローブの簡略化した分解斜視図である。 図２は、本発明によるプローブの分解側面図である。 図３は、本発明によるプローブ用の高入力インピーダンス差動増幅器の簡略化した回路図である。 図４は、本発明によるプローブ用の方向性検知回路の簡略化した回路図である。 図５は、本発明によるプローブの「Ｙ」及び「Δ」等価回路の簡略化した回路図である。

Claims (10)

1. 被試験回路に取り付けるのに適合し、上記被試験回路の導体に挿入されるのに適合する信号経路を有するプローブ・サブストレートと、
   上記信号経路に結合され、上記導体からの被試験信号を検知する検知回路と、
   測定機器への取り外し可能な相互接続を受けるのに適合した上記プローブ・サブストレートに結合されたプローブ・ソケットとを具え、
   上記プローブ・ソケット及び相互接続は、上記被試験信号用に、上記検知回路及び上記測定機器の間に電気的インタフェースを設けることを特徴とするプローブ。
2. 上記取り外し可能な相互接続は、上記測定機器から上記検知回路に電力及び制御信号を伝達すると共に、上記検知回路の出力を上記測定機器に伝達することを特徴とする請求項１のプローブ。
3. 上記検知回路は、高ブレークダウン特性のトランジスタを具え、上記トランジスタの入力端子が上記信号経路にコンポーネントの介在なく直接結合されることを特徴とする請求項２のプローブ。
4. 上記検知回路は、方向性検知回路を具えることを特徴とする請求項２のプローブ。
5. 上記方向性検知回路は、
   第１ポート、第２ポート及び第３ポートを有し、上記第１及び第２ポートが上記信号経路に挿入され、上記第３ポートが終端された電力スプリッタと、
   上記電力スプリッタの上記第３ポート及び接地の間の電圧差を測定するための第１増幅器と、
   上記電力スプリッタの上記第１及び第２ポートの間の電圧差を測定するための第２増幅器とを具え、
   上記第１及び第２増幅器の出力の和が順方向被試験信号であり、
   上記第１増幅器の出力から上記第２増幅器の出力を減算したものが逆方向被試験信号であることを特徴とする請求項４のプローブ。
6. 検知回路及び信号経路を有するプローブ・サブストレートを被試験回路に取り付け、上記信号経路を上記被試験回路の導体に挿入し、
   上記検知回路により上記導体からの被試験信号を検知して上記被試験信号を上記信号経路に伝搬させ、
   取り外し可能な相互接続により測定機器を上記検知回路に結合し、
   上記プローブ・サブストレートに結合されたプローブ・ソケットが上記相互接続を受け、
   上記相互接続及びプローブ・ソケットが上記検知回路及び上記測定機器の間の電気的インタフェースを提供することを特徴とするプロービング方法。
7. 上記結合ステップは、
   上記測定機器から上記検知回路に電力及び制御信号を伝達し、
   上記検知回路からの出力を上記測定機器に伝達する
   ことを特徴とする請求項６のプロービング方法。
8. 上記検知ステップは、高ブレークダウン特性のトランジスタにより上記被試験信号を検知することを更に具え、上記トランジスタの入力端子がコンポーネントを介在することなく上記信号経路に直接結合されることを特徴とする請求項７のプロービング方法。
9. 上記検知ステップは、方向性を持って被試験信号を検知することを更に具えることを特徴とする請求項７のプロービング方法。
10. 上記方向制御をもった検知ステップは、
    ａ）第１ポート、第２ポート及び第３ポートを有し、上記第１及び第２ポートが上記信号経路と直列であり、上記第３ポートが終端された電力スプリッタを上記信号経路に挿入し、
    ｂ）上記電力スプリッタの上記第３ポート及び接地の間の電圧差を測定し、
    ｃ）上記電力スプリッタの上記第１及び第２ポートの間の電圧差を測定し、
    ｄ）上記ステップｂ及びｃの測定を加算して、順方向被試験信号を形成し、
    ｅ）上記ステップｂの測定から上記ステップｃの測定を減算して、逆方向被試験信号を形成する
    ステップを具えることを特徴とする請求項９の方法。

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