KR100630447B1 - 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치에 관한 것이다. 이를 위해, 소정의 전류를 출력하는 메인 전류원(32); 일단이 메인 전류원(32)의 출력측과 연결된 부하저항(34); 미리 교정된 복수의 표준저항으로 이루어진 복수의 전류감지저항(42); 부하저항(34)에 의해 전압강하된 전류(IR)를 복수의 전류감지저항(42)중 하나로 전송하기 위한 선택스위치(36); 소정의 전압을 기준전압으로 출력하는 전압표준수단; PJVS 어레이(40)의 기준전압과 상기 부하저항(34)측 출력전압을 비교하여 전압차를 출력하는 디텍터(38); 및 디텍터(38)의 전압차를 피드백하여 소정의 전류로 변환한 뒤 상기 부하저항(34)의 일단으로 출력하는 전압-전류변환기(30); 으로 구성되고, 메인 전류원(32)의 입력측, 전류감지저항(42)의 타단 및 PJVS 어레이(40)의 입력측은 상호 전기적으로 연결되어 있는 것이 제공된다.
프로그램어블 조셉슨 전압표준, 고전류 기준원, 전압표준, 가역 열기전력, 피드백, 전류 안정화

Description

피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치{Stabilization device of a DC current source using a feedback}
도 1은 65 GHz의 마이크로파를 인가했을 때 213 SINIS 접합의 PJVS 어레이의 전형적인 I-V 특성을 나타내는 그래프,
도 2a 및 도 2b는 PJVS를 4-단자형 표준저항에 직접 병렬로 연결하기 위한 2가지 가능한 회로 구성의 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화 장치의 회로도,
도 4는 도 2a의 회로에 대해 1 Ω의 부하저항을 적용하여 측정한 결과 그래프로서, 도 4a는 저항을 가로지르는 전압이고, 도 4b는 PJVS의 연결없이 레퍼런스에 대해 측정된 동일 전압이고, 도 4c는 동일조건에서 10 Ω의 부하 및 ±0.1 mA의 인위적인 구형파 노이즈를 인가하여 측정한 결과이다.
도 5는 도 2b의 회로에 대해 ±0.1 mA의 인위적인 제곱 노이즈가 가해진 상태에 대한 측정결과 그래프로서, 도 5a는 10 Ω의 부하에 대한 전압이고, 도 5b는 10㏀의 부하에 대한 전압 차이(또 다른 PJVS에 대한)이고, 도 5c는 동일한 조건에서 저항없이 측정한 것이다. 단, 피크는 마이크로파 주파수 변환에 의해 의도적으 로 생성된 것이다.
도 6은 도 3의 회로도에 대한 측정결과 그래프로서, 도 6a는 피드백이 없는 측정그래프로서, 흰원은 PJVS에 대한 차이이고, 검은 사각형은 저항을 가로지르는 전압이다. 도 6b는 동일한 조건에서 피드백이 작용되는 것이고 도 6c는 PJVS 대신 1.018 V의 제너 전압표준이 사용되는 피드백이다.
<도면의 주요부분에 대한 설명>
10 : 외부전류원,
12 : 크라이요프로브 리드의 전체 직렬저항,
14 : 표준저항,
16 : DVM,
20 : PJVS 어레이,
30 : 전압/전류 변환기,
32 : 메인전류원,
34 : 부하저항,
36 : 선택 스위치,
38 : 디텍터,
40 : PJVS 어레이,
42 : 전류감지저항,
44 : 합류점,
본 발명은 직류전류원의 안정화장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치에 관한 것이다.
일반적으로, 프로그램어블 조셉슨 전압표준(PJVS)은 크고 잘 정의된 샤피로 스텝을 생성할 수 있다. 종래의 조셉슨 전압표준과 달리, PJVS의 출력전압(VJ)은 PJVS 조셉슨 접합의 직렬배열의 바이너리 분할부분에 대한 바이어스 라인의 선택에 의하여 확정적으로 제어될 수 있다.
Figure 112004052194054-pat00001
여기서, bk 는 바이어스 전류가 2k-1 조셉슨 접합을 포함하는 대응부분을 통하여 흐르는지 여부에 따른 값 k-번째 숫자의 이진수 값 0 또는 1, f는 구동 전자기파의 주파수, KJ 는 2e/h에 대응하는 조셉슨 상수이다.
도 1은 PTB에서 제작된 213 SINIS(초전도체-절연체-보통금속-절연체-초전도체) 접합의 PJVS 어레이의 전형적인 전류-전압특성을 나타내는 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 샤피로 스텝의 전류폭은 65 GHz 조사에서 약 1 mA 이다. 바이어스 전류를 최적(샤피로 스텝의 중간)으로 조정할 때, 외부 노이즈에 대해 출력전압 (VJ)의 최대 안정화를 얻을 수 있다. 이러한 외부 노이즈에 대한 고안정성과 임의전압의 제어용이성은 다양한 DC와 저주파 측정을 가능하게 한다. 그러나, 지금까지 PJVS는 0 또는 매우 작은 전류 응용분야에만 사용되어졌었다. 본원에서는 PJVS가 전류원의 안정에도 사용될 수 있음을 제안한다. 이하에서는 제안된 안정화방법의 원리, 구성 및 실험 등에 관하여 설명될 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은 종래의 조셉슨 전압표준과 달리, 프로그램어블 조셉슨 전압표준(PJVS)을 사용하여 수mA 범위이내로 전류를 안정시킬 수 있는 직류전류원의 안정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 더 높은 전류 범위에 대해서는 피드백 방법을 적용하여 상업적 전류원의 0.1A 출력전류를 2x 10-8 이내로 안정화시킬 수 있는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 소정의 전류를 출력하는 메인 전류원(32);
일단이 메인 전류원(32)의 출력측과 연결된 부하저항(34);
미리 교정된 복수의 표준저항으로 이루어진 복수의 전류감지저항(42);
부하저항(34)에 의해 전압강하된 전류(IR)를 복수의 전류감지저항(42)중 하나로 전송하기 위한 선택스위치(36);
소정의 전압을 기준전압으로 출력하는 전압표준수단;
PJVS 어레이(40)의 기준전압과 부하저항(34)측 출력전압을 비교하여 전압차를 출력하는 디텍터(38); 및
디텍터(38)의 전압차를 피드백하여 소정의 전류로 변환한 뒤 부하저항(34)의 일단으로 출력하는 전압-전류변환기(30); 으로 구성되고,
메인 전류원(32)의 입력측, 전류감지저항(42)의 타단 및 PJVS 어레이(40)의 입력측은 상호 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 전류감지저항(42)은 주어진 PJVS의 최대 출력전압값 나누기 안정화 전류의 값에 해당하는 저항값을 갖도록 선택하여야 하며, 여러 전류 범위별로 서로 다른 저항을 선택할 수 있도록 복수의 표준저항이 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 전압표준수단은 PJVS 어레이(40)인 것이 가장 바람직하고, 상기 PJVS 어레이(40)는 65 GHz의 전자기파를 가진 213 SINIS 접합인 것이 가능하다.
아울러, 전압표준수단은 제너 전압표준일 수도 있다. 여기서, 제너 전압표준은 10 V 또는 1.018 V의 제너 전압표준일 수 있다.
그리고, 디텍터(38)의 전압차 출력은 아날로그 신호인 것이 가능하다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하 본 발명에 따른 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치의 동작원리와 구성에 관하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2a 및 도 2b는 PJVS를 4-단자형 표준저항에 직접 병렬로 연결하기 위한 2가지 가능한 회로 구성의 회로도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 표준저항(14)을 중심으로 외부전류원(10)과 PJVS 어레이(20)가 각각 병렬로 연결되어 있다. 즉, 외부전류원(10)의 출력과 PJVS 어레이(20)의 출력 모두 표준저항(R)(14) 입력에 연결되었다. 도 2a에서 r(12a)은 바이어스 입력에 대한 크라이요프로브(극저온탐침) 리드의 전체 직렬저항(12b)이다.
반면 도 2b에서 외부전류원(10)의 출력이 우선 PJVS 어레이(20)의 입력을 향하고 그 다음 PJVS 어레이(20)의 출력 리드를 통해 표준저항(R)(14)입력으로 향한다. 도 2b에서, 표준저항(R)을 가로지르는 전압은 최적 바이어스(I0)에 대해 VJ + I0 r 이다. I0 r 항목은 바람직하지는 않지만 추가적인 전압강하를 유발하고, 따라서, r(12b)은 원하는 안정성을 얻기 위해 가능한 한 작아야만 한다. 이 때, 외부전류의 어떠한 변동(△Ib)이 일어나면, PJVS 어레이(20)의 샤피로 스텝은 0 의 차등저항을 갖기 때문에, 변동전류는 r/R의 비율로 나누어질 것이고, 결과적으로 전압 강하는 (△Ib)Rr/(r+R)이 된다. 따라서, 외부전류(Ib)의 변화에 따른 표준저항(14)을 통한 전류(IR)의 상대적 변화는 다음의 식으로 주어질 것이다.
Figure 112004052194054-pat00002
여기서, R이 r + VJ/I0 보다 충분히 적고, 대부분의 외부전류는 R을 향하게 될 것이고, 따라서 표준저항(R)(14)을 가로지르는 전압(VR)은 IbR에 접근할 것이다. 그러면 [수학식 2]는 △IR/IR ~ △Ib/Ib 가 될 것이다. 따라서 전류 안정성은 R/r의 비율이 클수록 개선된다. R 이 r + VJ/I0 보다 충분히 큰 경우, 외부 전류의 대부분은 r 로 향하게 될 것이고, 따라서 Ib 는 I0 에 접근할 것이다. 그러면 [수학식 2]는 VJ ≫I0r 이라면, △IR/IR ~ △Ibr/VJ ~ (△Ib/Ib)(I0r/VJ) 이 될 것이고, 따라서 전류안정도는 I0r/VJ의 비율만큼 크게 개선된다. 도 2b의 경우, 외부전류의 변동은 변동이 마진 ±△I0 를 넘지 않으면 어레이(20)의 출력전압에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 원래의 샤피로 스텝의 전압이 부하저항(R)에 이상적으로 전달될 수 있다. 단, 부하저항(R)(14)에 인가되는 전압이 출력에 대한 크라이요프로브 리드의 열기전력을 포함하고 있고, 더욱이 크라이요프로브 리드가 많은 전류를 운반한다면 열기전력은 톰슨효과에 의해 가역적인 것을 포함하게 된다. 여기서 극성 전환기술은 이를 보상하는데 도움이 되지 않는다. 이럼에도 불구하고, 만약 부하저항이 충분히 크고 그리고 크라이요프로브 리드가 소량의 전류를 취한다면, 도 2b의 열기전력 효 과는 도 2a의 경우에 비해 훨씬 더 작아질 수 있고, 이 경우 전류안정도는 크게 개선된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 PJVS 출력을 직접사용하는 테스트를 실험적으로 수행하였다. 외부 전류원(10)으로 교정기(Datron 4808)를, 8191 접합을 가진 PJVS 어레이(20)와 EIP 소스 록 카운터에 의한 원자시계로부터의 외부 주파수 기준으로 구속되어지는 65 GHz와 70 GHz 주파수의 건(Gunn) 다이오드 오실레이터를 사용하였다. 우선, 도 2a의 회로구성에 대해 1 A 전류의 안정성을 시험하였다. 4 시간 이상 예열한 뒤, 1 Ω저항을 가로지르는 전압강하가 8½디지트 디지털 전압계(DVM: Fluke 8508A)(16)에 의해 측정되었고, 이는 입력극성이 순차적으로 역전시켜 DVM의 내부 옵셋을 제거한 것이다.
도 4는 도 2a의 회로에 대해 1 Ω의 부하저항을 적용하여 측정한 결과 그래프로서, 도 4a는 저항을 가로지르는 전압이고, 도 4b는 PJVS의 연결없이 레퍼런스에 대해 측정된 동일 전압이고, 도 4c는 동일조건에서 10 Ω의 부하 및 ±0.1 mA의 인위적인 제곱 노이즈가 인가하여 측정한 결과이다. 도 4의 그래프들로부터 알 수 있는 바와 같이, 도 4a와 도 4c의 데이터는 각각 -1.11828 V 및 -0.99 V 시프트된다.
보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 즉, 도 4a에서 2시간에 대한 전형적인 표준편차는 0.40 ㎶ 이다. 도 4b는 PJVS를 저항에 연결하지 않은 것을 제외하고는 도 4a와 유사하다. 기준(PJVS)에 대해 측정된 전압차는 도 4a와 거의 같은 안정성(0.44㎶의 전형적인 표준편차 1σ)으로 보여준다. 따라서, 안정성을 말하는 논란 은 저저항 부하에 대해 뚜렷하게 개선되지 않았음을 확인한다. 도 4c는 10 Ω의 더 높은 부하 저항에 대한 0.1 A 의 안정화 효과를 나타내고, 여기서 인위적인 구형파 노이즈(±0.1 %)가 가산됐다. 관찰된 전압변동은 ±0.09 ㎷(~0.01%) 뿐이고, 따라서 전압안정도는 10배가 개선되었다. 이는 [수학식 2]에 의해 잘 설명된다.
이하에서는 도 2b의 회로에 대한 시험에 대해 설명하도록 한다. 도 2b의 회로구성에 대해 0.1 A 의 안정성을 시험하였다. 옵셋의 영향을 제거하기 위해 전류의 극성이 순차적으로 역전되었다. 그리고, 도 5는 도 2b의 회로에 대해 ±0.1 mA의 인위적인 제곱 노이즈가 가해진 상태에 대한 측정결과 그래프로서, 도 5a는 10 Ω의 부하에 대한 전압이고, 도 5b는 10㏀의 부하에 대한 전압 차이(또 다른 PJVS에 대한)이고, 도 5c는 동일한 조건에서 저항없이 측정한 것인데 마이크로파 주파수 변화에 의해 의도적으로 생성된 교정피크를 포함한 것이다. 도 5의 그래프에서, 도 5a, 도 5b, 도 5c용 데이터는 각각 -0.988 V, 139 ㎶ 및 -82.185 ㎷ 시프트된다.
이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 즉, 10 Ω의 표준저항(±0.1 %의 인위적 외부 노이즈로)을 가로지르는 측정된 전압강하가 도 5a에 도시되고, 이는 커다란 변화를 보인다. 변화는 0.1 A의 큰 전류에 기인하여 크라이요프로브 리드내의 톰슨 효과에 의해 유발되는 커다란 미보상 열기전력에 기여한다. 그러나, 10 ㏀ 의 더 큰 부하 저항에 대하여 0.1 mA 의 전류는 도 5b에 도시된 바와 같이 더 잘 안정화시키는 것을 알 수 있었다. 또 다른 PJVS(카운터 PJVS)에 대한 10 ㏀의 표준 저항(14)을 가로지르는 전압강하의 변화는 저전압 DVM(Keithley 2182)(16)에 의해 측정된다. 3개의 표준저항으로 만든 655 Ω짜리 합성저항이 140 ㎶ 정도로 전압차를 줄이기 위하여 10 ㏀의 저항과 PJVS 어레이 출력 사이에 직렬로 삽입된다. 옵셋을 제거하기 위해 전류 극성역전법으로 측정된 차이는 40 nV(1 σ)의 표준편차로 안정되는 것이 관찰되었다. 300 nV 이내의 느리고 커다란 변동은 도 5c에서 명백한 바와 같이 표준저항에 기인한다. 저항없이 측정된 2개의 PJVS 사이의 82 mV 차이는 10 시간에 걸쳐 ±50nV내의 관찰된 차이에 아무런 변화가 없음을 나타낸다. 도 5c에서 약 ±90 nV(1 σ)의 빠른 변동이 100 mV 범위에서 DVM(16)에 공헌했고, 피크는 전자기파 주파수의 변화에 의해 교정 피크로서 강하게 생성되었다. 이들 장비들은 충분히 작은 전류에 대해 도 2b에 도시된 안정화 방법을 지원한다.
미소한 전류 안정화에 대하여, 도 2a와 도 2b의 방법은 모두 가능하다. 그러나 도 2a의 방법은 리드 저항에서 원치않는 전압강하, 외부 전류 노이즈에 대한 줄일수 있으나 여전히 존재하는 취약성 및 가역적인 열효과와 같은 여러 단점들을 갖고 있고, 따라서 0.1 mA 수준의 전류에 대해서는 도 2b의 방법이 더 적합할 수 있다. PJVS 어레이(20)의 출력은 충분히 안정적이기 때문에, DVM(16)의 불안정성을 배제한다면, 도 2b의 방법의 전류 안정성의 불확실성은 크라이요프로브 리드의 열기전력의 안정성에만 의존하게 된다. 크라이요프로브 리드를 통한 전류가 증가할수록, 가역적 열기전력 및 그 변화는 생성된 주울열로 인해 크게 증가한다. 따라서, 더 나은 안정성을 달성하기 위해 더 두꺼운 크라이요프로브 리드를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 열전압 변환기형 교류-직류 전환표준의 평가에 대해 유사한 고려가 PJVS 어레이의 응용분야에 요구될 수 있다. 왜냐하면 변환기의 전형적인 입력 저항은 1 ㏀ 범위 이내이기 때문이다.
이하에서는 피드백을 이용한 직류전원 안정화에 대해 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명에 따른 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화 장치의 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 메인 전류원(32)은 소정의 전류를 출력하기 위하여 출력의 "-"단은 합류점(44)에 연결되고, 출력의 "+"단은 부하저항(34)의 일단에 연결된다. 또한, 부하저항(34)은 측정대상인 미지의 임의저항으로서 일단은 메인전류원(32)에 연결되고, 타단은 선택스위치(36)에 연결된다.
그리고, 4개의 전류감지저항(42)은 미리 교정된 4개의 표준저항으로 이루어졌으며, 일단은 선택스위치(36)에 연결되고, 타단은 각각 합류점(44)에 연결된다.
또한, 선택스위치(36)는 부하저항(34)에 의해 전압강하된 전류(IR)를 복수의 전류감지저항(42)중 하나로 전송하기 위한 것이다.
PJVS 어레이(40)는 입력단이 합류점(44)과 연결되고, 출력단이 디텍터(38)의 입력측과 연결된다. 이러한 PJVS 어레이(40)는 전압표준수단중 일예로서 제너 전압표준으로 대체될 수도 있다.
디텍터(38)는 2개의 입력과 1개의 출력단을 가지고 있으며, 입력중 하나는 부하저항(34)에 의해 전압강하된 전압이고, 또 다른 입력은 PJVS 어레이(40)로부터 출력되는 기준전압이다. 이를 위해 PJVS 어레이(40)가 카운터 레퍼런스의 기능을 한다. 또한, 디텍터(38)는 입력된 2개의 전압을 상호 비교하여 그 차이(전압차)를 아날로그 신호로서 출력한다. 출력된 전압차 신호는 전압-전류 변환기(30)의 입력 측으로 피드백된다.
전압-전류변환기(30)는 디텍터(38)의 전압차를 피드백하여 이를 소정의 전류로 변환한 뒤 부하저항(34)의 일단으로 출력한다.
이와 같은 회로의 동작은 다음과 같다. 즉, 부하 저항(34)에 대한 전류가 메인 전류원(32)에 의해 주로 공급되고, 그리고 디텍터(38) 판독에 따라 전류 감지저항(42)에서의 전압강하의 변화를 보상하는 방식으로 추가적인 미세 정밀-튜닝 전류가 전압-전류 변환기(30)에 의해 공급된다.
전압강하를 카운터 레퍼런스로부터의 기준전압과 비교하는 디텍터(38)는 그 아날로그 출력을 전압-전류 변환기(30)로 보낸다. 회로내에서 여러 범위의 전류 감지저항(42)을 사용하는 것은 전류-감지저항(42)을 레퍼런스의 출력전압과 옳바르게 결합하는 것을 촉진하고, 다단계 동작을 가능하게 하기 위함이다. PJVS 어레이(40)를 카운터 레퍼런스로 사용하고, 미리 교정된 표준 저항을 전류 감지저항(42)으로 사용함으로서, 임의의 부하 저항(34)을 통하는 어떠한 고전류도 정밀하게 제어할 수 있다. 부하에 대한 추종전압은 PJVS의 전압레벨과 무관하게 메인 전류원(32)과 전압-전류 변환기(30)의 추종전압에만 의존한다.
도 3과 같이 구성된 피드백회로를 이용하여 0.1 A의 안정화를 시험하기 위하여 단일 OP-앰프를 갖고 간단한 전압-전류 변환기(30)를 만들었다. 전류 감지저항(42)으로 10Ω의 표준저항, 부하 저항(34)으로 단축 케이블 그리고 디텍터(38)로 EM N11의 나노전압계가 선택되었다. 나쁜 전류원(32)을 가상하기 위하여 1 A 범위에서 의도적으로 교정기로부터 0.1 A를 공급하였다. 저항과 PJVS 사이의 전압차 및 나노전압계(10 ㎶ 범위 및 필터 4)를 가진 저항과 8½디지트 DVM(40)을 가진 저항을 가로지르는 전압강하를 각각 동시에 측정하였다.
상기와 같은 구성과 조건을 갖는 회로를 동작시켜 각 전압을 측정하면 다음과 같다. 즉, 도 6은 도 3의 회로도에 대한 측정결과 그래프로서, 도 6a는 피드백이 없는 측정그래프로서, 흰원은 PJVS에 대한 차이이고, 검은 사각형은 저항을 가로지르는 전압이다. 도 6b는 동일한 조건에서 피드백이 작용되는 것이고 도 6c는 PJVS 대신 1.018 V의 제너 전압표준이 사용되는 피드백이다. 도 6a, 도 6b, 도 6c는 각각 -1.189 V, -1.11458 V, -1.01814 V 만큼 시프트 된다.
이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 즉, 도 6a는 피드백 루프가 연결되지 않았을 때의 측정결과를 나타내고, 여기서 전압차(원) 및 전압(검은 사각형)가 도시되어 있다. 전압차와 전압의 전형적인 표준편차는 각각 1.4 ㎶ 과 1.5 ㎶ 이다. 도 6b는 동일한 구성에서 피드백 안정화가 동작될 때의 측정결과를 나타낸다. 전압차와 전압의 전형적인 표준편차는 각각 21 nV 와 70 nV 이다. 출력전압을 역전시키는 방법으로 PJVS 출력 1.1 V의 직접적인 판독은 또한 기록되었고(미도시), 이는 약 50 nV의 전형적인 표준편차로 나타낸다. 따라서, 70 nV의 표준편차는 2 V 범위에서 사용된 DVM에 주로 기인한다.
이러한 실험은 10-5 내지 10-6의 안정성을 가진 0.1 A 전류가 2 x 10-8 의 표준변차내에서 안정화될 수 있음을 보여준다. 비교를 위해, 도 6c는 PJVS 어레이(40) 대신 1.018 V의 제너 전압 표준을 사용하여 피드백 안정을 실행한 측정결과를 보여준다. 전압차와 전압의 전형적인 표준편차는 각각 21 nV 와 100 nV 이다. 도 6c에서 관찰된 차이의 불안정성은 도 6b의 그것과 유사하나, 전압의 불안정성은 제너 전압표준의 불안정성에 기인하여 더 크다.
패드백 방법은 조셉슨 효과의 확장된 사용을 달성할 수 있다. 한 예는 DC 전류계의 교정이고, 여기서 PJVS가 카운터 레퍼런스로, 사전 교정된 저항이 전류 감지저항으로 사용될 수 있다. 이러한 구성은 어떠한 임의의 부하를 통하는 전류에 대해서도 조셉슨 및 양자 홀 효과를 기초로 정확한 전류값을 줄 수 있다. 또 다른 예는 1 V의 PJVS와 10 : 1 분할기를 이용한 10 V의 교정이다. 피드백 방법은 1 V의 PJVS에 대해 10 : 1 분할기로의 안정된 전류를 허용하고, 분할기 섹션중 각 섹션을 전류 감지저항으로 사용한다면 분할기의 총 전압을 10 V로 만들수 있다. 10 : 1 분할기의 10 V 출력을 테스트중인 미지의 10 V 전원과 비교하면, 그리고 10개의 전류 감지저항 모두에 대해 비교를 반복하면, 10 V / 1 V 비율과 테스트중인 미지의 10 V 출력을 동시에 결정할 수 있다. 덧붙여, 제너 전압 표준을 이용한 피드백 방법이 합리적으로 양호하고, 많은 실제 응용분야에 유용할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 PJVS를 이용하여 전류 안정화를 시험하였다. PJVS의 출력을 부하저항에 직접 연결함으로서 4 x 10-8 의 안정성 이내에서 0.1 mA의 전류 안정화가 가능함을 알 수 있었다. 또한 카운터 레퍼런스를 사용함으로서 어떠한 고전류도 안정화시킬 수 있는 피드백 방법도 제안되었다. 그리고 교정기로부터 10-5 내지 10-6의 안정성을 가진 0.1 A의 전류가 2 x 10-8의 변동폭내에서 안정 될 수 있다. 본원에 따른 피드백 방법의 장점은 적당한 저항범위의 전류 감지저항이 사용되면 효과적으로 고전류 범위를 안정화시킬 수 있다는 것이고, 안정된 전류 출력의 추종전압은 PJVS 어레이의 출력레벨과 무관하게 메인 전류원 및 전압-전류 변환기의 준수전압에만 의존한다는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치에 의하면, 종래의 조셉슨 전압표준과 달리, 프로그램어블 조셉슨 전압표준(PJVS)을 사용하여 수mA 범위이내로 전류를 안정시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 더 높은 전류 범위에 대해서는 피드백 방법을 적용하여 상업적 전류원의 0.1A 출력전류를 2x 10-8 이내로 안정화시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명에 따른 PJVS 어레이를 이용한 전류 안정화 방법은 고전류범위를 포함하는 직류 및 저주파수 정밀측정에서 조셉슨 효과의 사용을 더 넓은 확장을 가능하게 한다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (7)

  1. 소정의 전류를 출력하는 메인 전류원(32);
    일단이 상기 메인 전류원(32)의 출력측과 연결된 부하저항(34);
    미리 교정된 복수의 표준저항으로 이루어진 복수의 전류감지저항(42);
    상기 부하저항(34)에 의해 전압강하된 전류(IR)를 상기 복수의 전류감지저항(42)중 하나로 전송하기 위한 선택스위치(36);
    소정의 전압을 기준전압으로 출력하는 전압표준수단;
    상기 PJVS 어레이(40)의 기준전압과 상기 부하저항(34)측 출력전압을 비교하여 전압차를 출력하는 디텍터(38); 및
    상기 디텍터(38)의 전압차를 피드백하여 소정의 전류로 변환한 뒤 상기 부하저항(34)의 일단으로 출력하는 전압-전류변환기(30); 으로 구성되고,
    상기 메인 전류원(32)의 입력측, 상기 전류감지저항(42)의 타단 및 상기 PJVS 어레이(40)의 입력측은 상호 전기적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류감지저항(42)은 복수 범위의 선택형 표준저항이 설치된 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전압표준수단은 PJVS 어레이(40)인 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 PJVS 어레이(40)은 수 GHz 이상 100 GHz 이하의 마이크로파를 인가하는 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전압표준수단은 제너 전압표준인 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제너 전압표준은 외부 제너 전압표준기 또는 내부 전압표준회로인 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 디텍터(38)의 전압차 출력은 아날로그 신호인 것을 특징으로 하는 피드백을 이용한 직류전류원의 안정화장치.
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