JP2023524215A - ハイブリッドデジタルおよびアナログ信号発生システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

アナログ信号発生源は、１つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるように組み合わせられる、２つまたはそれを上回るデジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）を備える。アナログ信号源は、略低周波数信号を発生させるための第１の経路であって、第１の経路は、ＤＡＣのうちの第１のものを備える、第１の経路と、略高周波数信号を発生させるための第２の経路であって、第２の経路は、ＤＡＣのうちの第２のものを備える、第２の経路とを備える。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、そのそれぞれが、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０２０年４月２８日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０１６，７４７号「ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＡＮＡＬＯＧ－ＴＯ－ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」、２０２０年６月３日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０３４，０５２号「ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＤＩＧＩＴＡＬ－ＴＯ－ＡＮＡＬＯＧ ＳＩＧＮＡＬ ＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」、および２０２０年７月２８日に出願されたＦｏｒｔｎｅｙへの米国仮特許出願第６３／０５７，７４５号「ＳＹＮＣＨＲＯＮＯＵＳ ＳＯＵＲＣＥ ＭＥＡＳＵＲＥ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」の優先権を主張する。

本開示は、ハイブリッド交流（ＡＣ）および直流（ＤＣ）システムおよび方法によるものを含む、電圧および電流アナログ源発生に関する。より一般的には、これは、信号供給および信号測定のための電子機器、分析器具類、ソフトウェア、およびインフラストラクチャに関する。本開示はまた、高レベルの雑音および干渉を引き起こし得る困難な実験条件下で材料およびデバイス特性評価および他の用途のために信号を測定するシステムに関する。これらの文脈では、これは、デジタル－アナログ変換（逆もまた同様である）に関する。

材料およびデバイス性質測定（例えば、ホール、移動度、およびキャリア濃度等の電子輸送性質等）は、多くの場合、雑音、干渉、および迷走信号に非常に敏感である。例えば、超伝導性質は、典型的には、過剰な雑音を伴わずにそれらの性質を観察するために必要な極めて低い温度（例えば、４Ｋよりも低い）において測定される。これらの測定はまた、非常に高い磁場強度（例えば、５Ｔを超える）を要求し得、これは、実験設定を複雑にし得る。これらの損なわせる条件下で雑音、干渉、および迷走信号を取り扱うことが、信頼性のある正確なデータを取得するために重要である。

入力または源信号を介して導入されるいずれかの雑音または不規則性が、サンプルにおいて、および測定システム全体を通して現れ得る。このため、入力または源信号の問題が、広く存在している。それらは、測定自体を劣化させる。それらはまた、それらが横断する任意の電子機器および機器に悪影響を及ぼし、それによってより悪化され得る。これを取り扱うための最良の方法は、可能な限り少ない雑音または曖昧性を導入する源信号を発生させることである。

ディザリング、サブレンジング、パルス幅変調、最小有効ビット／最大有効ビット（ＬＳＢ／ＭＳＢ）二重デジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）アーキテクチャ等の技法は全て、分解能および信頼性を改良することができる。安定した成分を低ドリフト基準、温度制御要素、チョッパ増幅器方法、シグマ－デルタブロック、逐次近似レジスタアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）技法等と組み合わせることは、正確度を改良することができる。

これらの技法は、有用であるが、それらは、損なわせる条件下で実施される極めて敏感な材料測定に関して不適正であり得る。特に、それらは、源信号を介して測定システムに導入される雑音、グリッチ、および他の曖昧性に対処する際に限定された柔軟性を有する。材料測定システムは、多くの場合、動的である。それらは、種々の異なる種類の測定に適応するために、再構成および再構成するステップを定期的に要求する。それらの源信号発生器は、組み込まれた柔軟性を有する必要がある。現在のシステムは、多くの場合、源処理（例えば、信号利得）を源の異なる不適合の側面に均一に適用する。多くのものは、ＤＣおよびＡＣ源成分を異なるように独立して取り扱うことができない。ＤＣおよびＡＣ成分は、多くの場合、スケールおよび範囲が非常に異なるため、これは、問題を生じさせ、柔軟性を限定する。

したがって、柔軟な様式で信号処理および利得を適用し得る、堅牢で高品質な低雑音源または出力信号を提供するための新しい改良された解決策の重大な必要性が、存在する。実質的に範囲が異なるＤＣおよびＡＣ成分から構築された源信号に対してこれを行うであろうシステムの必要性が、存在する。

アナログ信号発生源は、１つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるように組み合わせられる、２つまたはそれを上回るデジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）を備える。アナログ信号源は、略低周波数信号を発生させるための第１の経路を備え、第１の経路は、ＤＡＣのうちの第１のものを備える。アナログ信号源は、略高周波数信号を発生させるための第２の経路を備え、第２の経路は、ＤＡＣのうちの第２のものを備える。アナログ信号源はまた、入力信号を処理し、処理された入力信号を第１および第２の経路に提供するためのデータプロセッサを備える。アナログ信号源は、第１および第２の経路の出力を源信号に組み合わせるように構成される、組み合わせ回路を備える。アナログ信号源は、源信号を感知するように構成される、フィードバック部分を備える。アナログ信号源は、感知された源信号を使用し、必要に応じて調節し、入力信号と実質的に一致させるように源信号を維持するように構成される、サーボループを備える。

いくつかの実施形態では、データプロセッサが処理された入力信号を第１および第２の経路に提供するステップは、ＤＣ入力を第１の経路にフィードするステップと、低周波数入力を第１の経路および第２の経路のうちの少なくとも１つにフィードするステップと、高周波数入力を第１の経路および第２の経路のうちの少なくとも１つにフィードするステップとのうちの少なくとも１つを含む。サーボループが入力信号と実質的に一致させるように源信号を維持するステップは、ＤＣ誤差を除去するステップと、低周波数誤差を除去するステップと、高周波数信号の完全性を維持するステップとのうちの少なくとも１つを含んでもよい。フィードバック部分の帯域幅は、第１の経路の帯域幅よりも実質的に高くてもよい。フィードバック部分が源信号を感知するステップは、入力信号を出力信号と比較するステップを含んでもよい。データプロセッサが入力信号を処理するステップは、第１の経路の帯域幅よりも高いが、フィードバック部分の帯域幅以内である高周波数信号を除去するステップと、フィードバック部分の帯域幅よりも高く、第１の経路の帯域幅よりも高い高周波数信号を除去するステップとのうちの少なくとも１つを含んでもよい。

第１の経路は、直流（ＤＣ）のために構成されてもよい。フィードバック部分は、少なくとも１つのアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を備えてもよい。データプロセッサは、ＡＤＣフィードバックを備えてもよく、データプロセッサが入力信号を処理するステップは、入力信号を源信号と比較するステップと、入力信号から、第１の経路の帯域幅よりも高いが、フィードバック部分の帯域幅以内である高周波数信号を除去するステップとを含んでもよい。第２の経路は、１つを上回る周波数と、複数の周波数成分によって特徴付けられる複合波形とのうちの少なくとも１つを適応させるように構成されてもよい。第１の経路は、積分器を備えてもよい。第１の経路は、第２の経路と組み合わせられることに先立って、第１の経路にレンジングするように構成される、第１の利得を備えてもよい。第２の経路は、第１の経路と組み合わせられることに先立って、第２の経路にレンジングするように構成される、第２の利得を備えてもよい。第１および第２の利得は、相互から独立して動作するように構成されてもよい。フィードバック部分は、信号源の外部からの信号を備えてもよい。第１の経路は、第２の経路の出力と直列にディザリング機能、サブレンジング機能、およびパルス幅変調のうちの少なくとも１つを備えてもよい。第２の経路は、サーボループの低周波数応答時間よりも速く低周波数信号のＤＣオフセットを変化させることと、サーボループの低周波数応答時間よりも速く低周波数過渡情報のＤＣオフセットを変化させることとのうちの少なくとも１つを行うように構成されてもよい。

信号源における全てのデバイスは、同一のクロックを共有してもよい。第１および第２の経路およびフィードバック部分のうちの少なくとも１つは、位相偏移および群遅延のうちの少なくとも１つを備えてもよい。信号源は、略高周波数信号を発生させるための第３の経路を備えてもよく、組み合わせ回路は、第１、第２、および第３の経路の出力を源信号に組み合わせるように構成されてもよい。第１の経路、第２の経路、およびフィードバック部分の出力は、データプロセッサを介してユーザにアクセス可能であってもよい。源信号は、電圧源、電流源、電力供給源、源測定ユニット、温度コントローラ、測定システム、および無線周波数（ＲＦ）源のうちの少なくとも１つにフィードされてもよい。信号源は、組み合わせ回路によって提供される源信号から独立した付加的源信号を提供するように構成されてもよい。源信号は、源測定ユニットを制御してもよい。第１の経路は、小さいＡＣ信号を大きいＤＣ信号および低周波数ランプ信号のうちの少なくとも１つに追加し、第１の経路出力を生成するように構成されてもよい。第２の経路は、高周波数信号を受け取るように構成されてもよく、第１の経路は、高周波数信号に関する周波数情報を受け取るように構成されてもよい。第１の経路は、フィルタリングを備えてもよい。第２の経路は、フィルタリングを備えてもよい。信号源は、フィルタリングを備える第３の経路を備えてもよい。フィルタリングは、２つまたはそれを上回るＤＡＣの後の第１、第２、および第３の経路のうちの少なくとも１つにおいて実装されてもよい。第１の経路は、高調波信号を発生させるように構成されてもよい。第２の経路は、高調波信号を発生させるように構成されてもよい。信号源は、高調波信号を発生させるように構成される第３の経路を備えてもよい。

信号源は、電圧源、電流源、電力供給源、源測定ユニット、温度コントローラ、材料パラメータ測定システム、および無線周波数（ＲＦ）源のうちの少なくとも１つと併せて使用されてもよい。組み合わせ回路は、第１および第２の経路の出力を１つを上回る源信号に組み合わせるように構成されてもよい。信号源は、源測定ユニットのためのコントローラとして動作するように構成されてもよい。組み合わせ回路は、第１および第２の経路の出力を少なくとも１つの高調波信号に組み合わせるように構成されてもよい。

本開示の側面はまた、信号を供給する方法を含み、本方法は、入力信号をデータプロセッサに提供するステップと、データプロセッサを介して入力信号を処理するステップとを含む。本方法はまた、処理された入力信号をデータプロセッサを介して第１および第２の経路に送信するステップを含み、第１および第２の経路は、それぞれ、２つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるために、２つまたはそれを上回るＤＡＣを備える。本方法はまた、第１の経路を介して、略低周波数信号の第１の経路出力を発生させるステップと、第２の経路を介して、略高周波数信号の第２の経路出力を発生させるステップと、組み合わせ回路を介して、第１および第２の経路出力を源信号に組み合わせるステップと、フィードバック部分を介して、源信号を感知するステップとを含む。本方法はさらに、フィードバック部分を介して、感知された源信号をサーボループに提供するステップと、感知された源信号を使用し、サーボループを介して、入力信号と実質的に一致させるように源信号を維持するステップとを含む。

図１Ａは、同一の利得チェーンをＡＣおよびＤＣ成分の両方に適用する、非ハイブリッド源信号チェーン１００を図示する。

図１Ｂは、５Ｖ ＤＣ信号上に重畳される１００ｍＶ ＡＣ信号を示し、両方の信号に関する信号チェーン１００における利得を構成する困難さを図示する。

図１Ｃは、図１Ｂに示される１００ｍＶ ＡＣ信号の挿入図である。

図１Ｄは、５Ｖ ＤＣ信号上に重畳される１ｍＶ ＡＣ信号を示し、両方の信号に関する信号チェーン１００における利得を構成する困難さを図示する。

図１Ｅは、図１Ｄに示される１ｍＶ ＡＣ信号の挿入図である。

図１Ｆは、５Ｖ ＤＣ信号上に重畳される１００μＶ ＡＣ信号を示し、両方の信号に関する信号チェーン１００における利得を構成する困難さを図示する。

図１Ｇは、図１Ｆに示される１００μＶ ＡＣ信号の挿入図である。

図２は、例示的源信号チェーン２００の形態におけるハイブリッドシステムを図示する。

図３は、ＡＣ回路がＤＣ回路の正確度に影響を及ぼさないように防止される、別の例示的源信号チェーン３００を図示する。

図４は、信号チェーン３００に関するフィルタ構成考慮事項を図示する、例示的回路４００である。

図５は、回路４００を表す、信号フロー図５００である。

図６は、ハイパスフィルタ３１２の遷移周波数が小さく、ローパスフィルタ３１４の遷移周波数が大きいときの回路４００の応答６００を示す。

図７は、ハイパスフィルタ３１２の遷移周波数およびローパスフィルタ３１４の遷移周波数が両方とも１に等しいときの回路４００の応答７００を示す。

図８は、ハイパスフィルタ３１２の遷移周波数が０．０１であり、ローパスフィルタ３１４の遷移周波数が１００であるときの回路４００の応答８００を示す。

図９は、フィルタ３１２および３１４の二次極がそれぞれ一次極から１００倍変位されるときの回路４００の応答９００を示す。

図１０は、低周波数二次極が１００倍変位され、高周波数二次極が省略されるときの回路４００の応答１０００を示す。

図１１は、高周波数二次極が１００倍変位され、低周波数二次極が省略されるときの回路４００の応答１１００を示す。

図１２は、フィルタ３１２および３１４の両方の二次極が１ｘ１０^－４倍変位されるときの回路４００の応答１２００を示す。

図１３は、ＤＣフィードバックループを有する、例示的源信号チェーン１３００を図示する。

図１４は、ＤＣフィードバックがＡＤＣを使用するデジタル化されたフィードバックである、別の例示的源信号チェーン１４００を図示する。

図１５は、デジタル的に合成された源チャネル１５００の一例示的変形例を図示する。

図１６は、本開示の文脈内のデジタル源チャネル１５００と併せて使用され得る、源波表１６００の例示的変形例を示す。

図１７は、本開示の文脈内のデジタル源チャネル１５００と併せて使用され得る、源波表１６００をプロットすることによって発生される波形１７００である。

図１８Ａは、図１７Ａの波形をローパスフィルタリングすることからの段階的波形を示す。

図１８Ｂは、図１８Ａの波形の平滑化バージョンを示す。

図１８Ｃは、本開示の側面に従って使用され得る、一般化されたＤＡＣ伝達関数１８５０である。

図１９は、本開示の側面による、例示的ヘッドユニット１９６０と例示的源ポッド１９５０との間の源信号チェーン１９００を図示する。

図２０は、本開示の側面に従って使用され得る、例示的測定システムを示す。

詳細な説明
ハイブリッド供給

概観

本開示は、「ハイブリッド供給」と呼ばれる方法論を用いて源信号品質を改良する問題に対処する。ハイブリッド供給は、ＡＣおよびＤＣ成分の両方から高品質アナログ源信号を生成する。これは、ＡＣおよびＤＣ供給電子機器の異なる利点を活用するために、ＡＣおよびＤＣに関する利得経路を異なるように調整する。その源信号は、極めて低レベルの雑音およびグリッチングを有する。それらは、従来の単一の範囲供給を上回る柔軟性および範囲を有する。本開示の変形例は、概して、本明細書では「ハイブリッドＤＡＣシステム」と称される、ＤＡＣを使用するハイブリッド供給を含む。これらの解決策は、高度な再現性および信頼性を伴う低雑音信号を要求する用途に関して特に有用である。米国仮特許出願第６３／０５７，７４５号は、ハイブリッド供給の材料測定用途をより詳細に議論している。

ハイブリッドＤＡＣシステムは、他のコンポーネントの中でもとりわけ、ＤＡＣ、ＡＤＣ、フィルタリング要素、組み合わせ手段（例えば、合計要素および積分器）、フィードバック要素等を含んでもよい。ハイブリッドＤＡＣは、ソフトウェア実行プロセッサまたは処理手段を含んでもよい。これはまた、アナログハードウェアおよび／またはデジタルハードウェアを含んでもよい。処理アルゴリズムは、動作を精密に制御し、極めて正確な出力信号をもたらすことができる。

ハイブリッドＤＡＣシステムは、異なる要件に関して源信号を構成する際の柔軟性をもたらす。それらは、成分、利得、および他の変数の微調整および／または具体的成分の選択を通していくつかの性質を制御し得る。構成可能な性質は、分解能、量子化、更新レート、オフセット誤差、利得誤差、微分非線形性誤差、積分非線形性誤差、較正誤差、出力雑音、動的範囲、出力帯域幅、源インピーダンス、出力駆動能力、スイッチング雑音、位相誤差、ドリフト対時間および温度等を含む。これらおよび他の概念が、下記に探求される。

本開示の文脈内で使用され得る例示的コンバータシステムは、任意の好適なＤＡＣまたはＡＤＣを含む。具体的実施例は、２０ビット性能を実現するために、デジタル補正されたループにおけるフィードバック要素としてＡＤＣ（例えば、Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２４－ｂｉｔ ＬＴＣ２４００）を使用するＤＡＣを含む。本変形例では、ＤＣ ＤＡＣは、ＡＤＣフィードバックへのスレーブであり得る。比較器が、本システムの意図される出力と実際の出力との間の差異を決定することができる。補正されたコードが、発生され、例えば、ＤＡＣに提示されることができる。これは、ＤＡＣのドリフトおよび非線形性を所望の正確度に補正し得る。ＡＤＣは、いくつかの変形例では、正確度を設定してもよい。これは、ＡＤＣを負荷に設置することによって、フィードバックをデジタル的に感知してもよい。ＤＡＣを使用するためのこれらおよび多くの他の方法（例えば、ＬＳＢ／ＭＳＢサブレンジング、パルス幅変調（ＰＷＭ）、および高速積分）は、本開示の範囲内である。

非ハイブリッド供給との比較

比較のために、図１Ａは、同一の利得チェーンをＡＣおよびＤＣ成分の両方に適用する、非ハイブリッド源信号チェーン１００を図示する。本明細書では、信号供給を説明するとき、単語「チェーン」および「経路」は、同義的に使用されるであろう。チェーン１００の使用は、典型的には、ＡＣ１０２およびＤＣ１０４入力が、概して、同一または類似する範囲内である状況に限定される。ここでは、ＤＣ信号に対して小さいＡＣ信号は、数ビットのみの分解能を有する。状況の本狭いセットでは、ＡＣおよびＤＣ信号の両方は、ともに増幅されることができる。しかしながら、そのような単一の利得チェーンは、柔軟性を有していない。いずれかの変動性を伴うチェーン１００における唯一のパラメータは、可変増幅器１２０の利得であり、これは、ＡＣおよびＤＣ成分の両方に同時に適用される。また、コンポーネントは全て、両方の信号タイプを搬送するため、本トポロジは、源信号のＡＣおよびＤＣ部分の独立した構成を妨げる。

チェーン１００において、要素１０６は、任意の利得を適用する前に、ＡＣ１０２およびＤＣ１０４信号をともに加算する。ＤＡＣ１０８は、ＡＤ／ＤＣ組み合わせ信号をアナログに変換する。これは、次いで、組み合わせ信号を可変増幅器１２０に提供する。増幅器１２０の利得は、ユーザによって選択されてもよい。これはまた、自動的に、および／またはサンプル１１０における「アナログ出力」信号からのフィードバックに従って（例えば、フィードバックループ（図示せず）を介して）レンジングされてもよい。可変増幅器１２０から、組み合わせ信号は、第２の増幅器１１２を介してサンプル１１０に送信される。

本明細書では、用語「サンプル」は、語句「試験中のデバイス（ＤＵＴ）」と同義的に使用されるであろう。ＤＵＴまたは「サンプル」のいずれかが、デバイスまたは材料のサンプルであり得ることを理解されたい。多くの場合、本明細書に開示される材料測定の文脈では、デバイス（例えば、トランジスタ）は、作成されたデバイスにおける材料（例えば、半導体材料）を試験する明確な目的のために作成される。

図１Ｂ－１Ｇは、より大きいＤＣ信号上に重畳される小さいＡＣ信号の効果を示す。それらは、ＡＣ信号がこれらの場合においてノイズフロアよりも小さいが、これが（例えば、ロックイン増幅器を用いて）検出可能であり得ることを示す。ユーザは、より高い分解能（例えば、２または３と対照的に、１６ビット）を用いてＡＣ信号の振幅を設定することができる。

図１Ｂおよび１Ｃは、３つの事例のうちの最も高いＡＣ振幅、すなわち、５Ｖ ＤＣオフセット１３０上に重畳される１００ｍＶ ＡＣ正弦波１４０を示す。図１Ｂは、デジタルマルチメータによって測定されるような波１４０のいくつかのサイクルを示す。図１Ｂは、それらのサイクルのうちのいくつかの引き伸ばしである。

図１Ｂおよび１Ｃから、波１４０が、ＤＣ信号１３０を視認するために適切なスケールで重畳されるときに殆ど可視ではないことが容易に分かる。しかし、小さいＡＣ信号１４０を構成するために好適な大きい利得はまた、より大きいＤＣ信号１３０における誤差および雑音を拡大するであろう。同時に、大きいＤＣ信号１３０のためにより適切なより小さい利得は、ＡＣ信号１４０を適正に増幅しないであろう。したがって、ＤＣ１３０およびＡＣ１４０信号の両方を同時に適応させるように単一の利得チェーン（例えば、１００）を構成することは、困難であり、誤差が生じやすいであろう。

図１Ｄおよび１Ｅはさらに、さらに小さい振幅１ｍＶを伴うＡＣ信号１５０に関する点を図示する。ＡＣ信号１５０は、５Ｖ ＤＣオフセット１３０上に重畳される。挿入図１Ｅによって最も詳細に示されるように、波１５０の振幅は、ＤＣオフセット１３０に関して適切なスケールで視認されるときに知覚できない。図１Ｆおよび１Ｇは、材料特性評価実験において典型的な源振幅である、なおもより小さい１００μＶ信号を伴う同一の点を作製する。挿入図１Ｇに示されるように、波１６０の１００μＶ振幅は、ＤＣオフセット１３０および器具類（オシロスコープ）の雑音内に埋もれ、それによって支配される。材料用途に関して一般的な本状況では、両方の信号を構成するために単一の利得チェーン１００にレンジングすることは、実践的なコンバータの分解能に起因して、実践において非実践的または不可能である。

ハイブリッド源変形例

続く変形例は、例示的ハイブリッド信号発生システム／源の特徴および動作を非ハイブリッドチェーン１００のものと対比させる。ハイブリッドシステムは、低周波数および高周波数発生経路を分離し、ある範囲の周波数にわたるそれぞれの別個かつ独立した構成を可能にする。別個の構成は、高品質ＡＣ信号および非常に正確な高分解能ＤＣ信号を同時に発生させる。別個に構成された信号を組み合わせることは、単一の経路（例えば、チェーン１００）を使用して達成されるものに対して、優れた範囲の周波数および信頼性を伴うアナログ出力信号を提供する。

図２は、例示的源信号チェーン２００の形態における比較的に単純なハイブリッドシステムを図示する。チェーン２００は、別個のＤＡＣ２０６および２０８および増幅器２２０ａおよび２２０ｂを、専らＡＣおよびＤＣ経路を別個に構成するためのものにする。別個の構成経路は、それぞれ、図２に「ＡＣ／高周波数経路」および「ＤＣ／低周波数経路」として標識化される。要素２１０は、両方の経路の出力を合計し、それらを増幅器２１２に送信する。増幅後、アナログ出力信号は、サンプル１１０にルーティングされる。

より具体的には、チェーン２００は、ＡＣ入力２０２を「ＡＣ／高周波数経路」にフィードする。その経路は、最初に、ＤＡＣ２０６を使用して信号を変換し、次いで、可変利得２２０ａを使用してこれを増幅する。別個に、ＤＣ入力２０４は、「ＤＣ／低周波数経路」にフィードされる。その経路は、ＤＡＣ２０８を使用して信号を変換し、次いで、可変利得２２０ｂを使用してこれを増幅する。両方の経路は、２１０において合計され、次いで、増幅器２１２を介してサンプル１１０に提供される。可変利得２２０ａおよび２２０ｂは、範囲および他の設定によって、またはユーザ選好、プロトコルによって設定されてもよい、またはプリセットされてもよい。別個のレンジングは、ハイブリッド発生技法に関して特に重要である。別個のレンジングを含有する高周波数ＡＣ発生は、ハイブリッドＤＡＣが大きいＤＣ出力上に乗る小さいＡＣ信号を生成することを可能にする（例えば、図１Ｂ－１Ｇ参照）。

図３は、ＡＣおよびＤＣ構成が別個かつ並列である、別の例示的源信号チェーン３００を図示する。チェーン３００は、ＡＣ入力３０２をアナログ出力信号へのＤＣ寄与の構成内に含めることによって、ＡＣ経路（「ＡＣ／高周波数経路」）がＤＣ経路（「ＤＣ／低周波数経路」）の正確度に影響を及ぼさないように防止する。チェーン３００は、多くのハイブリッドシステムよりも少ない回路（すなわち、より複雑な変形例よりも少ないコンポーネント）を使用しながら、合理的な正確度を遂行することができる。

より具体的には、図３に示されるように、チェーン３００は、３０６におけるＡＣ３０２およびＤＣ３０４入力の合計をＤＣ／低周波数経路内のＤＡＣ３０８に送信する。これは、ＡＣ３０２入力をＡＣ／高周波数経路内のＤＡＣ３１０に並行してルーティングする。チェーン３００は、次いで、可変増幅器（それぞれ、２２０ａおよび２２０ｂ）によってＡＣ信号および複合ＤＣ／ＡＣ信号の両方を増幅する。ＤＣおよびＡＣ回路に関する利得２２０ａおよび２２０ｂは、異なり、それぞれ構成されることができる。それらは、図２の文脈における利得２２０ａおよび２２０ｂに関して上記に説明される同一の様式で設定されてもよい。

次に、ＡＣ構成信号は、低周波数成分を除去するために、ハイパスフィルタリングされる（３１２）。ＤＣ構成信号は、高周波数成分を除去するために、ローパスフィルタリングされる（３１４）。フィルタリングされたＡＣおよびＤＣ信号は、次いで、３１６において合計される。合計された信号は、３１８において増幅され、サンプル１１０に送信される。

チェーン３００は、ＡＣ ＤＡＣ３１０およびＤＣ ＤＡＣ３０８、それらの関連付けられる経路コンポーネントの並列構成を可能にするとともに、（例えば、図１Ｂ－１Ｇに示されるレンジング問題に対処するために）各経路における別個のレンジング能力を促進する。これは、フィルタ３１２および３１４を介して、ＡＣ発生経路からＤＣ誤差を除去し、逆もまた同様である。具体的には、ハイパスフィルタ／ＡＣ３１２は、ＡＣ／高周波数経路からＤＣ／低周波数を除去する。言い換えると、ＡＣ ＤＡＣ３１０および増幅器２２０ａによって発生され得るＤＣ誤差は、それらがアナログ出力信号におけるＤＣ出力性能に影響を及ぼさないように、フィルタ３１２によって排除される。ローパスフィルタ／ＤＣ３１４は、ＤＣ／低周波数経路からＡＣ誤差を同様に除去する。

チェーン３００の３０６におけるＤＣ／低周波数経路へのＡＣ（高周波数）の加算は、別個のＡＣおよびＤＣ経路が構成され、次いで、出力において組み合わせられることを可能にする。

しかしながら、チェーン３００のＡＣ／高周波数経路およびＤＣ／低周波数経路の周波数限界は、全体的性能に影響を及ぼし得る。フィルタ３１２および３１４のクロスオーバー周波数における変動性および／またはドリフトは、初期コンポーネント公差、温度ドリフト、および経時的に生じるドリフトに起因して、周波数誤差を引き起こし得る。これらの効果は、ＡＣおよびＤＣ経路の帯域幅を、サンプル１１０において平坦な周波数応答を提供するフィルタ遷移周波数と実質的に異なるものにさせ得る。出力は、経路の寄生または固有周波数性能が、フィルタ３１２および３１４の遷移周波数に接近するとき、有意に低下し得る。

フィルタ３１２および３１４（一次）極およびそれらの二次特性を選択することは、ＤＣから高周波数までの比較的に平坦な出力スペクトルを生成することができる。フィルタ３１２および３１４、より具体的には、それらの個別の遷移周波数および極は、これらの考慮事項を念頭に置いて選定されるべきである。

図４－１２は、これらのフィルタ考慮事項を探求することに役立つ。図４は、チェーン３００に関するフィルタ考慮事項を図示する、例示的回路４００を示す。高周波数信号は、上側経路４０２を横断する。低周波数は、下側経路４０４を横断する。高および低周波数信号は、一連のＲＣ回路４０６によって組み合わせられる。ＲＣ回路４０６以外の回路もまた、再結合を提供し得ることに留意されたい。要素４０８は、ＡＣ信号源である。図５は、回路４００を表す、信号フロー図５００である。単純に提示するために、図５の値は、正規化される。

図６－１２は、４００におけるハイパスフィルタ３１２およびローパスフィルタ３１４の遷移周波数が回路の周波数応答を変化させる効果を探求する。それらは、システム３００における平坦な周波数応答が、これらの周波数のいくつかの実践的値に関して達成され得ない様子を示す。特に、フィルタ３１２および３１４の異なる遷移周波数に基づく異なる変形例６００－１２００は、劇的に異なる周波数性能を呈する。それらは、フィルタ３１２および３１４における変化が、チェーン３００の周波数性能を調整し得る方法を示す。

図６は、ω１およびω２が正規化された周波数から非常に遠くに離れており、周波数応答においていかなる知覚可能なディップも存在しない、回路４００の極端な周波数応答６００を示す。変形例６００では、ハイパスフィルタ３１２の遷移周波数ω１は、小さく（相対的単位において１×１０^－１８）、ローパスフィルタ３１４の遷移周波数ω２は、大きい（相対的単位において１×１０^１８）。これらの条件は、回路４００からフィルタ３１２および３１４を効果的に除去する。それらは、ハイパスフィルタ３１２のために十分に低い遷移を設定し、したがって、これは、本質的に全ての周波数を通過させる。それらはまた、ローパスフィルタ３１４のために十分に高い遷移を設定し、したがって、これもまた、実質的に全ての周波数を通過させる。図６に示されるように、これらの条件下の回路４００の応答６００は、周波数に伴って変動しない。

図７は、別の極端な事例７００を示す。７００において、ハイパスフィルタ３１２の遷移周波数およびローパスフィルタ３１４の遷移周波数は両方とも、１に等しい。本構成では、両方のフィルタ３１２および３１４の二次および一次フィルタ極は、一致する。配列は、多くの場合、緩衝されたツインティーフィルタと呼ばれる。全体的応答は、１Ｈｚにおいて「窪み」７０２である。

図８および９は、中間の事例を示す。図８は、ハイパスフィルタ３１２の遷移周波数ω１が０．０１であり、ローパスフィルタ３１４の遷移周波数ω２が１００であるときの回路４００の応答８００を示す。本構成では、２つのフィルタ３１２および３１４のそれぞれの二次極は、それらの一次極から１０倍変位される。これは、７００の狭いノッチ７０２を、周波数において２ディケードにわたって延在するより広い「谷」８０２に変化させる。深さは、最大値の約１％である。図９は、対称的に、フィルタ３１２および３１４の二次極がそれぞれ一次極から１００倍変位されるときの応答９００を示す。これは、フィルタ３１２の遷移周波数ω１が０．１であり、フィルタ３１４のものω２が１０であるときに起こる。図９に示されるように、応答８００は、深さが約１０％であり、幅が周波数において約４ディケードである谷９０２を呈する。図７－９の各場合では、周波数応答は、１Ｈｚを中心として対称である。

図１０および１１は、応答が１Ｈｚ中心からオフセットされる事例を示す。具体的には、図１０は、低周波数二次極が１００倍変位され、高周波数二次極が本質的に省略されるときの回路４００の応答を示す。これは、フィルタ３１２の遷移周波数ω１が１×１０^－１８であり、フィルタ３１４のものω２が１００であるときに起こる。応答１０００は、１０Ｈｚにおいて中心合わせされる谷１００２を呈し、深さは、約１％である。谷１００２の幅は、周波数において約２ディケードに及ぶ。図１１は、高周波数二次極が１００倍変位され、低周波数二次極が省略されるときの回路４００の応答１１００を示す。これは、フィルタ３１２の遷移周波数ω１が０．０１であり、フィルタ３１４のものω２が１×１０^－１８であるときに起こる。応答１１００は、０．１Ｈｚにおいて中心合わせされる谷１１０２を呈し、深さは、約１％であり、幅は、周波数において約２ディケードである。

６００－１１００によって表される回路４００における変形例は、フィルタ３１２および３１４の二次極が、クロスオーバーにおける谷を最小限にするために実質的に変位され得ることを示す。例えば、二次極を１×１０^－４倍（０．０００１のフィルタ３１２の遷移周波数ω１および１０，０００のフィルタ３１４の遷移周波数ω２に対応する）変位させることは、図１２に示されるように、深さ１×１０^－４および幅１×１０^８の谷１２０２をもたらす。二重経路アプローチが負のフィードバックループ（例えば、チョッパ安定化動作増幅器）を含む用途では、谷１２０２は、殆ど重要ではない場合があり、１０倍または１００倍等の変位が、十分であり得る。変形例では、谷１２０２は、６００－１２００において仮定される単一の極よりも複雑である二次伝達関数を使用して排除されてもよい。

図１３は、ＤＣフィードバックループを有する、別の例示的ハイブリッドＤＡＣ源信号チェーン１３００を図示する。ＤＣフィードバックループは、アナログ出力信号における誤差を補正することができる。これは、高周波数応答からＤＣまでの平坦な応答を可能にしながら、ＡＣおよびＤＣ経路を別個に維持することができる。

チェーン１３００において、それぞれ、ＡＣおよびＤＣ入力１３０２および１３０４は、合計され（１３０６）、ＤＡＣ１３０８を介してＤＣ構成経路に送信される。ＡＣ入力１３０２は、ＤＡＣ１３１０を介してＡＣ構成経路にフィードされる。ＡＣ構成経路は、次いで、可変増幅器２２０ａを通して通過し、その後、これは、これが２２０ｂによって増幅された後、ＤＣ構成経路からの信号と合計される（１３１２）。利得２２０ａおよび２２０ｂは、図９および１０の文脈において、上記に議論されるように設定されてもよい。合計１３１２は、次いで、増幅器１３１４を介してサンプル１３０にフィードされる。

ＤＣフィードバックは、以下のように遂行される。ＤＡＣ１３０８からのＤＣ構成経路は、ＤＡＣ１３０８処理後にＤＣ入力信号と合計され（１３１６）、次いで、１３１８を介して可変増幅器２２０ｃに送られる。利得２２０ｃは、２２０ａおよび２２０ｂに関して上記に議論されるように設定されてもよい。続けて、ＤＣ構成信号は、１３１２においてＡＣ構成信号と合計される。本フィードバックループは、本質的に、ＡＣ経路をＤＣ経路への擾乱として取り扱い、サンプル１３０への平坦な周波数出力を可能にする。

チェーン１３００において、ＡＣ／高周波数経路およびＤＣ／低周波数経路は、別個であり、コンポーネント構成および別個の経路レンジングを可能にする。１３００のＤＣ／低周波数経路は、ＤＣのために（例えば、ＤＡＣ１３０８および／または利得２２０ｂを介して）構成されることができる。特に、ＤＡＣ１３０８は、低ＤＣオフセットを伴って構成されることができる。加えて、出力合計要素１３１２は、増幅器１３１４への出力およびサンプル１１０への最終的なアナログ出力におけるＤＣ誤差を低減させるように選定されることができる。また、フィードバック要素（すなわち、増幅器２２０および合計１３１６）は、低ＤＣオフセットおよび温度および時間に伴う低ドリフトを伴って選定されることができる。

これらの調節は、図７－１１に示される周波数応答の非線形側面を除去することができる。１３００におけるフィードバック経路は、応答１２００（図１２）における谷１２０１を除去することができる。フィードバック経路はまた、チェーン１３００の他の部分によって引き起こされるＤＣ性能に対する負の効果を補償することができる。例えば、これは、他のコンポーネントの中でもとりわけ、増幅器１３１４、ＡＣ経路ＤＡＣ１３１０、および増幅器２２０ａ等のコンポーネントから発するもの等のＤＣオフセット誤差を補償することができる。ＡＣおよびＤＣ経路を、ＡＣ経路がＤＣ経路にとっての擾乱であるフィードバック経路と組み合わせること（ＤＣ経路に送信される、１３０６におけるＡＣおよびＤＣ信号の加算参照）は、測定システムにおけるレンジングおよび他の変動の間のほぼシームレスな遷移を可能にすることができる。加えて、これは、低周波数（例えば、ＤＣ構成）のみに応答するフィードバックラインを導入することができる。

ＤＣ／低周波数経路コンポーネントは、概して、ＡＣに関して設計されるコンポーネントと比較して、帯域幅性能のためにあまり構成されない。これは、ＤＣ／低周波数「サーボループ」１３３０におけるコンポーネントの大部分を包含し、これは、ＤＣ ＤＡＣおよびフィードバック機構（すなわち、チェーン１３００における要素１３０４、１３０６、１３０８、１３１６、１３１８、２２０ｂ、１３１２、１３１４、２２０ｃ、および１３１６によって包含されるループ１３３０）を指す。これは、典型的には、ＤＣ／低周波数サーボループ１３３０が、規定された周波数限界までの周波数にのみ効果的に応答し得ることを意味する。その上限を上回ると、スプリアスオフセット、ラグ、誤差、および他の問題が、現れ得る。これを下回ると、ＤＣ／低周波数経路は、比較的に殆ど問題を伴わない信号を取り扱うことができる。チェーン１３００は、１３０６を介して全ての周波数をＤＣ／低周波数経路に送信し、これは、ＡＣ１３０２およびＤＣ１３０４入力をともに加算する。フィードバック経路は、ＤＡＣ１３０８の後のＤＣ／低周波数経路から出力周波数を減算することができる。ＤＣ／低周波数サーボループ１３３０は、フィードバック経路およびＤＣ ＤＡＣ１３０８出力が等しくなるまで、アナログ出力信号を調節することができる。アナログ出力の変化は、連続的に補償され、ＤＣ／低周波数出力を構成することができる。

チェーン１３００において、サーボループ１３３０は、限定された帯域幅を有してもよい。ループ１３３０は、その帯域幅の外側の周波数に影響を及ぼさないであろう。この場合では、フィードバック経路およびＤＣ／低周波数ＤＡＣ１３０８出力応答の帯域幅は、サーボループ１３３０のものよりも有意に高い必要があり得る。フィードバック信号およびＤＣ／低周波数ＤＡＣは、ＤＣ／低周波数経路の残りの部分に送信される前に、高周波数を除去するように設計されることができる。これは、サーボループ１３３０が、誤差を引き起こし得る少量の高周波数信号を除去しないように防止することができる。ＡＣ／高周波数経路にフィードされる周波数は、サーボループ１３３０後の出力に１３１２において直接合計されることができる。フィードバック経路の帯域幅よりも高い周波数は、フィードバック経路を通して入力にフィードバックされず、サーボループ１３３０によって影響を受けない。

チェーン１３００のＤＣおよび低周波数性能は、ＤＣ寄生誤差とともに、ＤＣ／低周波数ＤＡＣ１３０８、フィードバックループの減算要素１３１６、フィードバック利得要素２２０ｃによって定義されることができる。これらのＤＣ規制誤差は、とりわけ、熱電誤差、低周波数クロストーク、ループ寄生容量を含むことができる。１３００が搭載される回路基板（例えば、印刷回路基板（ＰＣＢ））の適切なレイアウトは、そのようなＤＣ寄生誤差を低減させることができる。

チェーン１３００の改良されたＤＣ／低周波数性能は、ＡＣ／高周波数ＤＡＣ１３１０またはＤＣ／低周波数ＤＡＣ１３０８のいずれかによって発生される低周波数信号のために達成されることができる。信号は、１３０６においてサーボループ１３３０の入力に合計され、フィードバック経路を通してフィードバックされることができる。これは、サーボループ１３３０がこれらの信号を構成することを可能にすることができる。サーボループ１３３０の周波数応答を上回って発生された周波数は、影響を受けないため、これは、ＡＣ／高周波数の性能特性を維持する。

ＡＣおよびＤＣ経路のいずれかにおいて低周波数信号を生成することに対する利点が、存在する。サーボループ１３３０の帯域幅を上回る周波数は、ＡＣ／高周波数経路を通して供給される必要があるが、低周波数信号は、いずれかの経路（または同時に両方）を通して供給されることができる。ＡＣ／高周波数経路において全ての周波数を発生させることは、特に、一貫する振幅を伴う信号に関して有利であり得る。この場合では、ＡＣ利得性能は、本システムの帯域幅を横断して一定に保持されることができる。本モードにおけるレンジングはまた、小さい振幅のＡＣ信号がいずれかの経路において発生されることを可能にすることができる。これは、ＤＣ（または低周波数ＡＣ）オフセット上の小さいＡＣ信号の発生重畳を可能にする。本技法は、非常に小さいＡＣ周波数を有する信号がランプ上に乗る、正確な高分解能ランプを生成することができる。

チェーン１３００におけるように、ＡＣおよび低周波数信号に別個にレンジングすることは、他のシナリオにおいて有用であり得る。例えば、別個のレンジングは、二重周波数を伴う高調波測定のための源信号を発生させることを支援することができる。高調波周波数を伴う信号を正確に発生させることは、材料特性評価測定の正確度、信頼性、および再現性を大幅に改良することができる。

チェーン１３００におけるＤＣ／低周波数経路を介して低周波数信号を発生させることもまた、有利であり得る。サーボループ１３００のフィードバック経路は、その性能特性を支配するため、ＤＣ／低周波数経路は、レンジングを伴わずに非常に微細な分解能の信号を発生させることができる。ループ１３００積分と組み合わせてそうすることは、正確な高分解能信号を生成することができる。レンジングは、範囲変化誤差を潜在的に犠牲にして、分解能または雑音における付加的改良を提供することができる。チェーン１３００のアーキテクチャはまた、ＤＣ／低周波数経路の分解能の増加を促進する。チェーン１３００は、部分的に、本目的のために、積分器１３１８を使用する。変形例は、ディザリングＤＡＣ、パルス幅変調等の他の方法を含む。

図１４は、別の例示的源信号チェーン１４００を示す。１４００において、ＤＣフィードバックは、ＡＤＣを使用してデジタル化される。これは、フィードック構成を上記に説明されるハイブリッド技法にもたらす。これは、より少ないＤＣ不正確度を導入し、ＤＣ ＤＡＣ分解能を強化する。これは、ＡＤＣが、典型的には、ＤＡＣよりも正確であり、より良好な制御をもたらす事実を活用する。

チェーン１４００におけるＡＣ／高周波数経路は、図１３のチェーン１３００におけるものと同じである。チェーン１４００のＤＣ／低周波数経路は、主として、そのサーボループ１４３０の一部としてＤＣフィードバック内にＡＤＣ１４０２を含めることによって、チェーン１３００のものと異なる。しかしながら、いくつかの他の微妙な差異が、存在する。具体的には、サンプル１１０からのＤＣフィードバックは、可変増幅器７２０ｃを介してＡＤＣ１４０２にフィードされ、そこで、これは、アナログ信号に変換される。その信号は、次いで、１３０６からの組み合わせられたＤＣ入力／ＡＣ入力信号であるＤＣと合計される（１４０４）。続けて、組み合わせ信号は、ＤＡＣ１３０８、１４０６を介して、増幅器７２０ｂにフィードされ、次いで、１３１２においてＡＣ構成信号と合計される。利得７２０ａ、７２０ｂ、および７２０ｃは全て、図１３に関して上記に説明されるように設定されることができる。

低周波数ＡＤＣを最良に実施することは、ＤＡＣよりも良好な性能を有することができるため、チェーン１４００におけるＡＤＣ１４０２フィードバックは、より良好な正確度および分解能を提供することができる。１４００におけるフィードバック経路はまた、デジタル領域において（すなわち、１４０４と）組み合わせられる。これは、アナログ組み合わせからの誤差を低減させることができる。フィードバックをデジタル化することは、アナログフィードバックを用いて発生させることが極めて困難であろう複合波形の生成を可能にすることができる。デジタルフィードバックはまた、ＤＣ ＤＡＣ１３０８の分解能を強化することができる。正確度は、ＡＤＣフィードバック経路によって決定されるため、これは、低品質の安価なＤＡＣ１３０８の使用を可能にする。ＤＣ ＤＡＣ１３０８の正確度は、アナログ出力信号の正確度に影響を及ぼさない。ＤＣ／低周波数経路における積分器１４０６もまた、経路の分解能を強化する。分解能および正確度は、主として、フィードバック経路を通して達成されるため、良好な線形性および雑音を伴う高ビットＡＤＣ１４０２を平均化することは、全体的分解能を本システムの雑音仕様を明確に下回るまで容易に増加させることができる。

チェーン１４００の改良された正確度はまた、遠隔場所から戻るようなアナログ出力信号のフィードを可能にする。チェーン１４００におけるフィードバック経路は、ケーブル配線および相互接続において生じる多くの誤差およびオフセットを除去することができる。

チェーン１３００および１４００は、過渡的応答を改良することができる。迅速に変化するＤＣ信号は、デジタルドメインにおいて処理されることができる。ＤＣ信号の急激な変化は、ＡＣ／高周波数経路に送信されることができる。ＡＣ／高周波数経路は、その出力を迅速に変化させることができるため、ＤＣ信号における大きいスパイクが、予想されることができる。信号は、大きい高速の過渡事象をＡＣ経路において生じさせるように処理されることができる。いったんＤＣ信号がその新しいレベルに到達すると、サーボループ１３３０／１４３０は、再びＤＣ信号をサーボすることができる。本技法は、高速の変化、迅速な安定化時間を可能にし、ＤＣ積分器の全分解能を保ち、ＤＣループの正確度を保つ。

チェーン２００、３００、１３００、および１４００は全て、２つの発生経路、すなわち、ＤＣ／低周波数およびＡＣ／高周波数とともに示される。しかしながら、２つを上回る発生経路が、可能性として考えられ、有利であり得ることを理解されたい。３つまたはそれを上回る発生経路が、例えば、増加されたシグナリング帯域幅を取り扱ってもよい。それらは、より多くのＤＡＣを信号処理に追加し、正確度を改良することができる。非常に高い周波数を発生させ、出力を組み合わせることは、幅広い帯域幅を伴う高品質の出力を提供することができる。

デジタル源合成

開示されるシステムの変形例は、直接デジタル合成を使用して源信号を生成することができる。直接デジタル信号は、源信号に対するさらなる一貫性および制御を与える。デジタル信号はまた、より少ない干渉および雑音を有する傾向がある。これらの問題は、最終的に、出力信号における雑音または曖昧性をもたらすため、直接デジタル合成を使用することは、測定の正確度および再現性を改良することができる。ある具体的実施例が、下記に説明されるが、デジタル源信号を提供するための任意の好適な機構が、本明細書に説明される変形例のうちのいずれかと併せて使用され得ることを理解されたい。

図１５は、デジタル的に合成された源チャネル１５００の一例示的変形例を図示する。デジタル的に合成された源チャネル１５００は、上記のアナログ信号入力１０２、２０２、３０２、１３０２、および１４０２を提供してもよい。図１５に示される源処理１５０２は、チェーン２００、３００、１３００、および１４００を含む、本明細書に開示される信号チェーンのうちのいずれかを含んでもよい。

源は、主として、波形表１５０２から導出されてもよい。表１５０２は、入力１５０４に基づいて波形を発生させるアルゴリズム（ソフトウェアまたはファームウェア）であり得る。入力１５０４は、供給するべき特定の波形を選択するように表１５０２に指示してもよい。入力１５０４は、とりわけ、周波数、位相偏移、およびラグを選択してもよい。入力１５０４はそれぞれ、必ずしも全ての変形例において使用されるわけではない。それらは、ローカルで記憶されてもよく、ユーザによって直接入力されてもよく、他のソフトウェアによって、および／または測定または診断プロトコルに従って発生されてもよい。

基準信号１５０６もまた、表１５０２に入力されてもよい。基準１５０６は、ロックイン増幅器（例えば、チャネル１－３からの源ロックイン基準）および位相固定ループ（ＰＬＬ）基準からの源基準を含む。基準１５０６は、マックス１５０８によって選択され、マルチプレクサ（マックス）１５１０に送信されてもよく、そこで、それらは、波形設定１５０４および付加的基準１５１６と組み合わせられる。基準１５０６は、ユーザ、他のソフトウェアによって、および／または測定または診断プロトコルに従って選定されてもよい。それらは、次いで、源信号として出力するべき具体的波形の選択のために、表１５０２に送信される。表１５０２からの出力波形は、次いで、本明細書に説明される任意の信号処理方法によってさらに処理され（１５０２）、源ポッド１０４に提供されてもよい。チャネル１５００はまた、入力１５０４を介して直接選定されるのではなく、随意の位相偏移１５０４を伴うロックイン基準を使用することができる。この場合では、源の周波数および位相は、ロックイン基準信号（例えば、基準１５１２）によって決定されることができる。随意の位相偏移１５０４は、基準１５１２との位相関係を設定することができる。外部位相関係は、チャネル毎に異なるように構成されることができる。

図１６および１７は、デジタル源１５００の要素１５０２によって提供され得る、源波表１６００の例示的変形例を示す。図１７の波形１７００は、表１６００におけるデータをプロットすることによって発生される。図１７は、相対的単位において波形１７００の単一の周期をプロットする。

一変形例では、源信号供給アルゴリズムは、波形の１つまたはそれを上回る周期を表す表１６００を通して反復的に増分することができる。表１６００は、両方とも正規化された単位において波形振幅（出力）対時間（位置）を提供する。正規化された単位を使用することは、要件ではない。入力１３０４に基づいて、波形の電圧または時間依存性のいずれかをスケーリングすることが、便宜的である。このように、表１６００は、波形１７００の形状を決定する。位相増分（要素１５０４、図１５）と呼ばれる、アルゴリズムが表１６００を通して循環する率は、波形１７００の周波数を決定する。

表１６００の「位置」は、整数だけ変化する必要はない。ある変形例では、例えば、より高い分解能の位相アキュムレータ（要素１５０４、図１５）が、波形１７００の位相を追跡するために使用されることができる。位相アキュムレータ１５０４は、非整数量だけ増分し、本位相を表１６００における位置に変換することができる。

図１７の波形１７００は、表自体１５０２によって、またはローパスフィルタを使用する源処理１５１０においてのいずれかで、平滑化される、および／または連続的にされることができる。ローパス平滑化に関して、時間ｔ_ｗにおける非ゼロ幅を伴う離散的出力値が、図１６の表における値に取って代わることができる。表１６００が、長さおよび複雑さにおいて実質的に変動し得ることに留意されたい。いくつかの変形例では、これは、数千（例えば、４，０００またはそれを上回る）エントリを有することができる。図１８Ａに示されるように、これは、「段階的」出力波形１８０２を生成する。アナログローパスフィルタを１８０２（例えば、ＡＣ ＤＡＣ出力）に適用することは、図１８Ｂに示される平滑な波形１８０４を生成する。ＡＣ波形１８０４は、ＤＣオフセット設定（図示せず）と組み合わせられ、源処理１５１０における閉ループＤＣ供給システムにフィードされることができる。これは、図２－１４の文脈において上記に議論されるハイブリッド供給変形例の一部であり得る。

伝達関数

図１８Ｃは、本開示のチェーン１４００と併せて使用され得る、例示的伝達関数１８５０の一般化された形態を示す。１８５０および関連付けられる伝達関数によって実施される分析の意図は、１４００のシステムの平坦な周波数応答を実証することである。図１８は、回路を伝達関数の分析のためのより一般的な信号要素に縮小する。

伝達関数１８５０は、その出力Ｖ_ｏｕｔを支配する源、すなわち、ＡＣ（Ｖ_２）またはＤＣ（Ｖ_１）を統御する。

一般化されたハイブリッドＤＡＣ伝達関数のＶ_ｏｕｔ１８５２は、以下によって与えられる。

内側ループが外側ループよりも速いと仮定されることができる。利得ｋは、遷移周波数を確立する。本周波数を下回ると、Ｖ_１（ｓ）が、支配的である。本周波数を上回ると、Ｖ_１（ｓ）＋が、支配的である。Ａ_１Ｖ_１（ｓ）＝Ａ_２Ｖ_２（ｓ）である場合、外側ループは、透明になり、内側ループの伝達関数を残す。電圧源の場合では、Ｇ（ｓ）は、オペアンプの開ループ伝達関数であり、Ｈ（ｓ）は、ユニティである。電流源の場合では、Ｇ（ｓ）は、オペアンプの開ループ伝達関数であり、Ｈ（ｓ）は、感知抵抗器および増幅器である。

いずれの場合も、利得Ａ_１は、Ａ_２を超えるはずである。すなわち、ＤＣ範囲は、ＡＣ範囲に等しい、またはそれを上回るはずである。電流源に関して、感知抵抗器は、より高い範囲のために選択される。

測定システム統合

測定システムの概観

図１９は、「源ポッド」１９５０構成を伴う例示的源１９００構成を示す。源構成１９００は、「ヘッド」または制御ユニット１９６０によって源ポッド１９５０に接続し、それを制御する。図１９は、特定のハイブリッドＤＡＣを伴うシステム１９００を示すが、システム１９００が、本明細書に開示される任意のそのようなシステムを適応させ得ることを理解されたい。特に、システム１９００は、チェーン１００、２００、３００、１３００、および１４００を適応させてもよい。

サンプル源信号（すなわち、チェーン１９００によってサンプル１１０に送信される信号）は、ＡＣ信号（「ＡＣ構成信号」）およびＤＣ信号（「ＤＣ構成信号」）の組み合わせである。これらの信号は、信号におけるグリッチングを回避するために動的にレンジングされ得る可変利得２２０を介して、サンプル源信号を生成するように組み合わせられる。ＤＣ構成信号は、ＡＣ構成信号およびＤＣ構成信号の組み合わせからのＤＣフィードバックに基づいて発生される。

より具体的には、ＡＣ構成ＤＡＣ１９１４は、ＡＣ構成源信号を源ポット１９５０における増幅器１９１６に提供し、そこで、これは、１９１８によってＤＣ構成源信号と組み合わせられ、レンジングされる増幅器２２０に、次いで、サンプル１１０上に提供される。ＡＣ構成ＤＡＣ１９１４に提供される源の波形形状、振幅、周波数、および位相は、事前プログラムされる、ユーザによって選択される、および／またはユーザ選好および／またはプロトコル（例えば、測定または診断）に従って、ヘッド１９６０によって選択肢の中から選択されてもよい。１９１８の出力はまた、増幅器１９２４を介してＤＣフィードバックとしてヘッド１０２のＤＣ構成ＡＤＣ１９２６に提供される。ＤＣフィードバック信号は、次いで、オフセット１９２８を介してＤＣ構成ＤＡＣ１９３０に送信され、次いで、増幅器１９３２を介して１９１８にルーティングされる。

図１９に示されるように、レンジングされる増幅器２２０の範囲は、他の設定とともに、ヘッド１０２の範囲および他の設定要素１９２２を介して送信される「範囲および他の設定」信号を介して選択されることができる。範囲および他の設定は、事前プログラムされる、ユーザによって選択される、および／またはユーザ選好および／またはプロトコル（例えば、測定または診断）に従って、ヘッド１９６０によって選択肢の中から選択されてもよい。

源ポッド１９５０はさらに、分析、データの通信、コマンド情報、電力調整、計時、および外部デバイスとの通信を含む、種々の機能を実施することが可能なデジタル（非アナログ）回路を含んでもよい。変形例では、源ポッド１９５０は、その源信号を提供する、または測定を実施する間に本非アナログ回路を非アクティブ化する能力を有する。そうすることは、信号または測定における干渉および雑音の量を減少させる。同一の理由から、源ポッド１９５０におけるデジタル信号は、測定ポッド１９５０およびヘッド１０２から分離されてもよい。

システム１９００の他の変形例は、任意の好適な数のヘッド１９６０、源ポッドおよび測定ポッド１９５０を含む。例えば、図２０は、ヘッドユニット１９６０が３つの測定タイプポッド１９５０ａおよび３つの源タイプポッド１９５０ｂをサポートし得る６つのチャネルを有し得る、別の例示的変形例２０００を示す。本変形例では、ヘッド１９６０はまた、随意のコンピュータ２００２および３つの例示的なサンプリングされた、または試験中のデバイス（ＤＵＴ）１１０に接続されて示される。再び、本構成は、単に例示的である。等しい数の測定ポッド１９５０ａおよび源ポッド１９５０ｂに関するいかなる要件も、存在しない。１つの源１９５０ａが、例えば、全ての３つのＤＵＴ１１０に関する励起信号を提供し得る。

平衡化電流供給

図１９に示されるように、源ポッド１９５０はさらに、平衡化電流供給（ＢＣＳ）能力１９３２を含んでもよい。ＢＣＳ１９３２は、「ＤＩＦＦＥＲＥＮＴＩＡＬ ＣＵＲＲＥＮＴ ＳＯＵＲＣＥ ＷＩＴＨ ＡＣＴＩＶＥ ＣＯＭＭＯＮ ＭＯＤＥ ＲＥＤＵＣＴＩＯＮ」と題され、２００１年１０月４日に出願された、Ｐｏｍｅｒｏｙへの米国特許第６，５０１，２５５号（第’２５５号特許）（その全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）により詳細に解説されている。

簡潔に言えば、源システム（例えば、１９００）は、電流スパイクおよび／または入力／出力の間の非対称性を引き起こす一貫していない負荷に脆弱であり得る。これらのスパイクは、それらのシステムのコンポーネントに害を及ぼし得る。浮遊負荷および接地負荷の両方が、回路を実質的に改変または再配線することなく対処され得る、材料測定文脈における電流平衡化の必要性が、存在する。ＢＣＳ１９３２は、本必要性に対処する。

第’２５５号特許に議論されるように、ＢＣＳ１９３２は、相互と位相外れである２つの修正されたＨｏｗｌａｎｄ電流源を用いて負荷を駆動する。システム１９００の文脈では、ＢＣＳ１９３２は、感知抵抗器を使用し、源ポッド１９５０からサンプルに送信される源信号（図１９の「サンプル源信号」）と関連付けられる源電流を測定する。これは、次いで、測定された源電流の大きさに従って、感知抵抗器の抵抗範囲を変動させる。ＢＣＳ１９３２はまた、本源信号測定値に基づいて、源および測定ポッド１９５０の一方（または両方）の抵抗を改変することによって、負荷を平衡化させることができる。例えば、測定された源電流が、ある閾値を超えるとき、ＢＣＳ１９３２は、一方または両方のポッド１９５０の抵抗を増加または減少させ、電流をその閾値を下回るまで低下させることができる。閾値電流は、例えば、それを上回ると損傷がシステム１９００のコンポーネントのうちの１つまたはそれを上回るものに生じるであろう電流を表し得る。

システム１９００およびその他を含む変形例は、上記に説明されるもの以外の付加的目的のためにチェーン１００、２００、３００、１３００、および１４００を採用してもよい。例えば、チェーン１００、２００、３００、１３００、および１４００は、（例えば、電圧または電流出力を調整するために）電流または電圧源と併せて、またはその一部として採用されてもよい。それらは、温度コントローラ、他のパラメータコントローラ、電力供給源、または源測定ユニット（例えば、電流または電圧源の出力を測定するデバイス）において採用されてもよい。それらは、例えば、源測定ユニットと併せて、またはそのためのコントローラとして動作してもよい。それらは、他の測定システム（例えば、材料パラメータを測定するシステム、すなわち、電流／電圧（Ｉ－Ｖ）特性、抵抗率、超伝導輸送、印加電流、電圧、電流、トランスコンダクタンス、破壊／漏出等を測定するシステム）において採用されてもよい。チェーン１００、２００、３００、１３００、および１４００はまた、無線周波数（ＲＦ）エネルギーおよび／または通信および／または他の通信を伝送、受信、および／または供給するデバイスに組み込まれてもよい。

チェーン２００、３００、１３００、および１４００は、単一のアナログ出力のみを提供するものとして上記に議論されたが、それらが、複数のアナログ出力を提供し得ることを理解されたい。例えば、チェーン３００の合計３１６は、これがＡＣ／高周波数経路およびＤＣ／低周波数経路からの信号の２つまたはそれを上回る組み合わせを生成するように改変されてもよい。類似する改変が、２１０および１３１２に行われることができる。上記に議論されるように、それらは、１つまたはそれを上回る高調波信号を発生させることができる。

本発明の種々の発明的側面、概念、および特徴が、例示的実施形態において組み合わせて具現化されるように、本明細書に説明および例証され得るが、これらの種々の側面、概念、および特徴は、個々に、またはその種々の組み合わせおよび副次的組み合わせにおいてのいずれかで、多くの代替実施形態において使用され得る。本明細書で明確に除外されない限り、全てのそのような組み合わせおよび副次的組み合わせは、本発明の範囲内であることを意図している。なおもさらに、代替材料、構造、構成、方法、回路、デバイスおよびコンポーネント、ソフトウェア、ハードウェア、制御論理、形態、適合性、および機能に関する代替等、本発明の種々の側面、概念、および特徴に関する種々の代替実施形態が、本明細書に説明され得るが、そのような説明は、現在公知または後に開発されるかどうかにかかわらず、利用可能な代替実施形態の完全または網羅的リストであることを意図していない。当業者は、発明的側面、概念、または特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを、そのような実施形態が本明細書に明確に開示されない場合であっても、本発明の範囲内の付加的実施形態および使用に容易に採用し得る。

加えて、本発明のいくつかの特徴、概念、または側面が、好ましい配列または方法であるとして本明細書に説明され得るが、そのような説明は、明確にそのように記載されない限り、そのような特徴が要求される、または必要であることを示唆することを意図していない。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。なおもさらに、例示的または代表的値および範囲が、本開示を理解することを補助するために含まれ得るが、しかしながら、そのような値および範囲は、限定的意味で解釈されるものではなく、そのように明確に記載される場合のみ、臨界値または範囲であることを意図している。「およそ」または「約」規定された値として識別されるパラメータは、別様に明確に記載されない限り、規定された値および規定された値の１０％以内の値の両方を含むことを意図している。さらに、本願に付随する図面が、そうである必要はないが、縮尺通りであり得、したがって、図面に明白な種々の比率および割合を教示するものとして理解され得ることを理解されたい。また、種々の側面、特徴、および概念が、発明的である、または本発明の一部を形成するものとして本明細書に明確に識別され得るが、そのような識別は、排他的であることを意図しておらず、むしろ、そのように、または具体的発明の一部として明確に識別されることなく、本明細書に完全に説明される発明的側面、概念、および特徴が、存在し、本発明は、代わりに、添付される請求項に記載され得る。例示的方法またはプロセスの説明は、全ての場合に要求されるものとしての全てのステップの包含に限定されない、またはステップが提示される順序は、明確にそのように記載されない限り、要求される、または必要なものとして解釈されるものではない。

Claims (22)

1. アナログ信号源であって、
   １つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるように組み合わせられる２つまたはそれを上回るデジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）と、
   略低周波数信号を発生させるための第１の経路であって、前記第１の経路は、前記ＤＡＣのうちの第１のものを備える、第１の経路と、
   略高周波数信号を発生させるための第２の経路であって、前記第２の経路は、前記ＤＡＣのうちの第２のものを備える、第２の経路と、
   入力信号を処理し、前記処理された入力信号を前記第１および第２の経路に提供するためのデータプロセッサと、
   前記第１および第２の経路の出力を前記源信号に組み合わせるように構成される組み合わせ回路と、
   前記源信号を感知するように構成されるフィードバック部分と、
   前記感知された源信号を使用し、必要に応じて調節し、前記入力信号と実質的に一致させるように前記源信号を維持するように構成されるサーボループと
   を備える、アナログ信号源。
2. 前記処理された入力信号を前記第１および第２の経路に提供することは、
   ＤＣ入力を前記第１の経路にフィードすることと、
   低周波数入力を前記第１の経路および前記第２の経路のうちの少なくとも１つにフィードすることと、
   高周波数入力を前記第１の経路および前記第２の経路のうちの少なくとも１つにフィードすることと
   のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の信号源。
3. 前記入力信号と実質的に一致させるように前記源信号を維持することは、
   ＤＣ誤差を除去することと、
   低周波数誤差を除去することと、
   前記高周波数信号の完全性を維持することと
   のうちの少なくとも１つを含む、請求項１および２のいずれか１項に記載の信号源。
4. 前記フィードバック部分の帯域幅は、前記第１の経路の帯域幅よりも実質的に高い、請求項１－３のいずれか１項に記載の信号源。
5. 前記源信号を感知することは、前記入力信号を前記出力信号と比較することを含む、請求項１－４のいずれか１項に記載の信号源。
6. 前記データプロセッサによる前記入力信号の処理は、
   前記第１の経路の帯域幅よりも高いが、前記フィードバック部分の帯域幅以内である高周波数信号を除去することと、
   前記フィードバック部分の帯域幅よりも高く、前記第１の経路の帯域幅よりも高い高周波数信号を除去することと
   のうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の信号源。
7. 前記第１の経路は、直流（ＤＣ）のために構成される、請求項１－６のいずれか１項に記載の信号源。
8. 前記フィードバック部分は、少なくとも１つのアナログ－デジタルコンバータ（ＡＤＣ）を備える、請求項１－８のいずれか１項に記載の信号源。
9. 前記データプロセッサは、ＡＤＣフィードバックを備え、前記データプロセッサによる前記入力信号の処理は、
   前記入力信号を源信号と比較することと、
   前記入力信号から、前記第１の経路の帯域幅よりも高いが、前記フィードバック部分の帯域幅以内である高周波数信号を除去することと
   を含む、請求項７に記載の信号源。
10. 前記第２の経路は、
    １つを上回る周波数と、
    複数の周波数成分によって特徴付けられる複合波形と
    のうちの少なくとも１つを適応させるように構成される、請求項１－９のいずれか１項に記載の信号源。
11. 前記第１の経路は、積分器を備える、請求項１－１０のいずれか１項に記載の信号源。
12. 前記第１の経路は、前記第２の経路と組み合わせられることに先立って、前記第１の経路にレンジングするように構成される第１の利得を備え、
    前記第２の経路は、前記第１の経路と組み合わせられることに先立って、前記第２の経路にレンジングするように構成される第２の利得を備え、
    前記第１および第２の利得は、相互から独立して動作するように構成される、
    請求項１－１１のいずれか１項に記載の信号源。
13. 前記フィードバック部分は、前記信号源の外部からの信号を備える、請求項１－１２のいずれか１項に記載の信号源。
14. 前記第１の経路は、前記第２の経路の出力と直列にディザリング機能、サブレンジング機能、およびパルス幅変調のうちの少なくとも１つを備える、請求項１－１３のいずれか１項に記載の信号源。
15. 前記第２の経路は、
    前記サーボループの低周波数応答時間よりも速く前記低周波数信号のＤＣオフセットを変化させることと、
    前記サーボループの低周波数応答時間よりも速く低周波数過渡情報のＤＣオフセットを変化させることと
    のうちの少なくとも１つを行うように構成される、請求項１－１４のいずれか１項に記載の信号源。
16. 前記信号源における全てのデバイスは、同一のクロックを共有する、請求項１－１５のいずれか１項に記載の信号源。
17. 前記第１および第２の経路および前記フィードバック部分のうちの少なくとも１つは、位相偏移および群遅延のうちの少なくとも１つを備える、請求項１－１６のいずれか１項に記載の信号源。
18. 略高周波数信号を発生させるための第３の経路をさらに備え、前記組み合わせ回路は、前記第１、第２、および第３の経路の出力を前記源信号に組み合わせるように構成される、請求項１－１７のいずれか１項に記載の信号源。
19. 前記第１の経路、第２の経路、およびフィードバック部分の出力は、前記データプロセッサを介してユーザにアクセス可能である、請求項１－１８のいずれか１項に記載の信号源。
20. 前記信号源は、電圧源、電流源、電力供給源、源測定ユニット、温度コントローラ、材料パラメータ測定システム、および無線周波数（ＲＦ）源のうちの少なくとも１つと併せて使用される、請求項１－１９のいずれか１項に記載の信号源。
21. 前記組み合わせ回路は、前記第１および第２の経路の出力を１つを上回る源信号に組み合わせるように構成される、
    前記信号源は、源測定ユニットのためのコントローラとして動作するように構成される、および、
    前記組み合わせ回路は、前記第１および第２の経路の出力を少なくとも１つの高調波信号に組み合わせるように構成される
    のうちの少なくとも１つである、請求項１－２０のいずれか１項に記載の信号源。
22. 信号を供給する方法であって、
    入力信号をデータプロセッサに提供することと、
    前記データプロセッサを介して前記入力信号を処理することと、
    前記処理された入力信号を前記データプロセッサを介して第１および第２の経路に送信することであって、前記第１および第２の経路は、２つまたはそれを上回る周波数成分を発生させるために、２つまたはそれを上回るデジタル－アナログコンバータ（ＤＡＣ）を備える、ことと、
    前記第１の経路を介して、略低周波数信号の第１の経路出力を発生させることと、
    前記第２の経路を介して、略高周波数信号の第２の経路出力を発生させることと、
    組み合わせ回路を介して、前記第１および第２の経路出力を源信号に組み合わせることと、
    フィードバック部分を介して、前記源信号を感知することと、
    前記フィードバック部分を介して、前記感知された源信号をサーボループに提供することと、
    前記感知された源信号を使用し、前記サーボループを介して、前記入力信号と実質的に一致させるように前記源信号を維持することと
    を含む、方法。

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