KR102442809B1 - Lock-in amplifier, integrated circuit and portable measurement device including the same - Google Patents
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Abstract
록인 증폭기는, 클록 신호 발생부 및 검출부를 포함한다. 상기 클록 신호 발생부는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생한다. 상기 검출부는 입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공한다. 상기 록인 증폭기는 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있으며, 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.The lock-in amplifier includes a clock signal generating unit and a detecting unit. The clock signal generator generates a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency. The detection unit provides an offset voltage corresponding to an offset of an internal circuit in a first operation mode, based on an input signal, the first demodulated clock signal, and the second demodulated clock signal, and demodulates the input signal in a second operation mode A first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude of the frequency component are provided. The lock-in amplifier can be implemented with a simplified configuration and a reduced size by eliminating the phase adjustment circuit and the feedback circuit for the conventional phase lock-in, and extracting the offset voltage representing the offset of the internal circuit of the demodulation frequency component of the input signal. You can provide the exact size.
Description
본 발명은 반도체 집적 회로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly, to a lock-in amplifier, an integrated circuit including the same, and a portable measurement device.
크기가 매우 작은 진폭을 갖는 교류 신호의 경우에는 측정을 위해 증폭이 요구된다. 교류의 미소 신호(small signal)를 증폭하더라도 노이즈의 크기도 같이 커지기 때문에 통상적으로 증폭과 함께 노이즈의 필터링이 수반된다. 특정 주파수 성분의 검출을 위해 대역 통과 필터(BPF: band pass filter)가 사용될 수 있다. 이 경우 통과대역(pass band)에서는 노이즈 또한 그대로 존재하기 때문에 미소 신호는 여전히 노이즈 속에 묻히게 된다. 또한 대역 통과 필터는 충분히 협소한 통과대역으로 설계하는 것은 사실상 불가능하다.For AC signals with very small amplitudes, amplification is required for measurement. Even if the small signal of alternating current is amplified, the noise level also increases. Therefore, noise filtering is usually accompanied with amplification. A band pass filter (BPF) may be used to detect a specific frequency component. In this case, since the noise also exists in the pass band, the minute signal is still buried in the noise. In addition, it is virtually impossible to design a bandpass filter with a sufficiently narrow passband.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은, 미소 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 효율적이고도 정확하게 검출할 수 있는 록인 증폭기를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION One object of the present invention to solve the above problems is to provide a lock-in amplifier capable of efficiently and accurately detecting the magnitude of a demodulation frequency component of a minute signal.
또한 본 발명의 일 목적은, 상기 록인 증폭기를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치를 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide an integrated circuit including the lock-in amplifier and a portable measuring device.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는, 클록 신호 발생부 및 검출부를 포함한다. 상기 클록 신호 발생부는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생한다. 상기 검출부는 입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공한다.In order to achieve the above object, a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention includes a clock signal generator and a detector. The clock signal generator generates a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency. The detection unit provides an offset voltage corresponding to an offset of an internal circuit in a first operation mode, based on an input signal, the first demodulated clock signal, and the second demodulated clock signal, and demodulates the input signal in a second operation mode A first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude of the frequency component are provided.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 하나의 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생할 수 있다.In an embodiment, the detector may sequentially generate the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage for each operation mode using a single mixer.
일 실시예에 있어서, 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기는 하기의 수학식에 의해 결정될 수 있다.In an embodiment, the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal may be determined by the following equation.
Vo=[(VOX-VOS)2+(VOY-VOS)2]1/2 Vo=[(VOX-VOS) 2 +(VOY-VOS) 2 ] 1/2
여기서 Vo은 상기 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 록인 증폭기의 출력, VOX는 상기 제1 출력 전압, VOY는 상기 제2 출력 전압, VOS는 상기 오프셋 전압.where Vo is the output of the lock-in amplifier corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component, VOX is the first output voltage, VOY is the second output voltage, and VOS is the offset voltage.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 제1 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 제1 오프셋 전압 및 상기 제1 출력 전압을 순차적으로 발생하고 제2 믹서를 이용하여 제2 오프셋 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생할 수 있다.In an embodiment, the detector sequentially generates a first offset voltage and the first output voltage for each operation mode using a first mixer, and uses a second mixer to generate a second offset voltage and the second output voltage may occur sequentially.
일 실시예에 있어서, 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기는 하기의 수학식에 의해 결정될 수 있다.In an embodiment, the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal may be determined by the following equation.
Vo=[(VOX-VOSX)2+(VOY-VOSY)2]1/2 Vo=[(VOX-VOSX) 2 +(VOY-VOSY) 2 ] 1/2
여기서 Vo은 상기 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 록인 증폭기의 출력, VOX는 상기 제1 출력 전압, VOY는 상기 제2 출력 전압, VOSX는 상기 제1 오프셋 전압, VOSY는 상기 제2 오프셋 전압.where Vo is the output of the lock-in amplifier corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component, VOX is the first output voltage, VOY is the second output voltage, VOSX is the first offset voltage, and VOSY is the second offset voltage.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 상기 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호를 증폭하여 증폭 신호를 출력하는 증폭부, 상기 제2 동작 모드에서 상기 증폭 신호를 상기 제1 복조 클록 신호와 승산하여 제1 정류 신호를 발생하고 상기 증폭 신호를 상기 제2 복조 클록 신호와 승산하여 제2 정류 신호를 발생하는 믹서부 및 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 정류 신호를 필터링하여 상기 제1 출력 전압을 발생하고 상기 제2 정류 신호를 필터링하여 상기 제2 출력 전압을 발생하는 필터부를 포함할 수 있다.In an embodiment, the detection unit comprises: an amplifying unit amplifying the input signal to output an amplified signal in the second operation mode; multiplying the amplified signal by the first demodulated clock signal in the second operation mode A mixer unit that generates a rectified signal and multiplies the amplified signal with the second demodulated clock signal to generate a second rectified signal, and filters the first rectified signal in the second operation mode to generate the first output voltage and a filter unit configured to generate the second output voltage by filtering the second rectified signal.
일 실시예에 있어서, 상기 믹서부는, 상기 증폭 신호를 수신하는 제1 입력 단자, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 복조 클록 신호와 상기 제2 복조 클록 신호를 순차적으로 수신하는 제2 입력 단자 및 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 정류 신호와 상기 제2 정류 신호를 순차적으로 출력하는 출력 단자를 갖는 믹서를 포함할 수 있다.In an embodiment, the mixer unit comprises: a first input terminal for receiving the amplified signal, a second input terminal for sequentially receiving the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal in the second operation mode; and a mixer having an output terminal for sequentially outputting the first rectified signal and the second rectified signal in the second operation mode.
일 실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 믹서의 상기 출력 단자에 연결되어 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하는 저역 통과 필터를 포함할 수 있다.In an embodiment, the filter unit may include a low-pass filter connected to the output terminal of the mixer to sequentially generate the first output voltage and the second output voltage in the second operation mode.
일 실시예에 있어서, 상기 록인 증폭기는 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호 중 하나를 선택하여 상기 믹서의 상기 제2 입력 단자에 제공하는 클록 선택부를 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the lock-in amplifier may further include a clock selector that selects one of the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal and provides it to the second input terminal of the mixer.
일 실시예에 있어서, 상기 믹서부는, 상기 증폭 신호를 수신하는 제1 입력 단자, 상기 제1 복조 클록 신호를 수신하는 제2 입력 단자 및 상기 제1 정류 신호를 출력하는 제1 출력 단자를 갖는 제1 믹서 및 상기 증폭 신호를 수신하는 제3 입력 단자, 상기 제2 복조 클록 신호를 수신하는 제4 입력 단자 및 상기 제2 정류 신호를 출력하는 제2 출력 단자를 갖는 제2 믹서를 포함할 수 있다.In an embodiment, the mixer unit includes a first input terminal for receiving the amplified signal, a second input terminal for receiving the first demodulated clock signal, and a first output terminal for outputting the first rectified signal. a second mixer having a first mixer and a third input terminal receiving the amplified signal, a fourth input terminal receiving the second demodulated clock signal, and a second output terminal outputting the second rectified signal .
일 실시예에 있어서, 상기 필터부는, 상기 제1 믹서의 상기 제1 출력 단자에 연결되어 상기 제1 동작 모드에서 제1 오프셋 전압을 발생하고 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 출력 전압을 발생하는 제1 저역 통과 필터 및 상기 제2 믹서의 상기 제2 출력 단자에 연결되어 상기 제1 동작 모드에서 제2 오프셋 전압을 발생하고 상기 제2 동작 모드에서 상기 제2 출력 전압을 발생하는 제2 저역 통과 필터를 포함할 수 있다.In one embodiment, the filter unit is connected to the first output terminal of the first mixer to generate a first offset voltage in the first operation mode and generate the first output voltage in the second operation mode a first low pass filter and a second low pass connected to the second output terminal of the second mixer to generate a second offset voltage in the first mode of operation and to generate the second output voltage in the second mode of operation Filters may be included.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 모드 신호에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서 상기 증폭부에 인가되는 상기 입력 신호를 차단하는 입력부를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the detection unit may further include an input unit configured to block the input signal applied to the amplifier unit in the first operation mode in response to a mode signal.
일 실시예에 있어서, 상기 모드 신호가 활성화되어 상기 증폭부에 인가되는 상기 입력 신호가 상기 입력부에 의해 차단하는 동안에 상기 필터부는 상기 오프셋 전압을 발생할 수 있다.In an embodiment, the filter unit may generate the offset voltage while the mode signal is activated and the input signal applied to the amplifier is blocked by the input unit.
일 실시예에 있어서, 상기 클록 신호 발생부는, 상기 복조 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호에 기초하여 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 복수의 플립 플롭들을 포함할 수 있다.In an embodiment, the clock signal generator may include a plurality of flip-flops that generate the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal based on a reference clock signal having a frequency that is an integer multiple of the demodulation frequency. can
일 실시예에 있어서, 상기 클록 신호 발생부는, 클록 단자로 기준 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 제1 클록 신호를 발생하고, 상기 반전 출력 단자로 제2 클록 신호를 발생하는 제1 플립 플롭, 클록 단자로 상기 제1 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제1 복조 클록 신호를 발생하는 제2 플립 플롭 및 클록 단자로 상기 제2 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 제3 플립 플롭을 포함할 수 있다.In an embodiment, the clock signal generator receives a reference clock signal through a clock terminal, a data terminal is connected to an inverted output terminal, and generates a first clock signal through a non-inverted output terminal, and to the inverted output terminal a first flip-flop generating a second clock signal, receiving the first clock signal through a clock terminal, a data terminal coupled to an inverting output terminal, and a second generating the first demodulated clock signal through a non-inverting output terminal and a flip-flop and a third flip-flop receiving the second clock signal through a clock terminal, a data terminal connected to an inverting output terminal, and generating the second demodulated clock signal through a non-inverting output terminal.
일 실시예에 있어서, 상기 기준 클록 신호의 주파수는 상기 복조 주파수의 네 배일 수 있다.In an embodiment, the frequency of the reference clock signal may be four times the demodulation frequency.
일 실시예에 있어서, 상기 클록 신호 발생부는, 클록 단자로 기준 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제1 복조 클록 신호를 발생하는 제1 플립 플롭 및 클록 단자로 상기 기준 클록 신호의 반전 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 제2 플립 플롭을 포함할 수 있다.In an embodiment, the clock signal generator includes: a first flip-flop that receives a reference clock signal through a clock terminal, a data terminal is connected to an inverted output terminal, and generates the first demodulated clock signal through a non-inverted output terminal and a second flip-flop that receives an inverted signal of the reference clock signal through a clock terminal, a data terminal is connected to an inverted output terminal, and generates the second demodulated clock signal through a non-inverted output terminal.
일 실시예에 있어서, 상기 기준 클록 신호의 주파수는 상기 복조 주파수의 두 배일 수 있다.In an embodiment, the frequency of the reference clock signal may be twice the demodulation frequency.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 집적 회로는, 클록 신호 발생부, 검출부, 아날로그-디지털 컨버터 및 제어부를 포함한다. 상기 클록 신호 발생부는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생한다. 상기 검출부는 입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공한다. 상기 아날로그-디지털 컨버터는 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 각각 디지털 값들로 변환한다. 상기 제어부는 상기 클록 신호 발생부, 상기 검출부 및 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하고 상기 디지털 값들에 기초하여 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산한다.In order to achieve the above object, an integrated circuit according to embodiments of the present invention includes a clock signal generator, a detector, an analog-to-digital converter, and a controller. The clock signal generator generates a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency. The detection unit provides an offset voltage corresponding to an offset of an internal circuit in a first operation mode, based on an input signal, the first demodulated clock signal, and the second demodulated clock signal, and demodulates the input signal in a second operation mode A first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude of the frequency component are provided. The analog-to-digital converter converts the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage into digital values, respectively. The controller controls the clock signal generator, the detector, and the analog-to-digital converter, and calculates the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal based on the digital values.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 하나의 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하고, 상기 제어부는, 하기의 수학식에 의해 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산할 수 있다.In an embodiment, the detection unit sequentially generates the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage for each operation mode using a single mixer, and the control unit is configured by the following equation The magnitude of the demodulation frequency component of the input signal may be calculated.
Vo=[(VOX-VOS)2+(VOY-VOS)2]1/2 Vo=[(VOX-VOS) 2 +(VOY-VOS) 2 ] 1/2
여기서 Vo은 상기 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 록인 증폭기의 출력, VOX는 상기 제1 출력 전압, VOY는 상기 제2 출력 전압, VOS는 상기 오프셋 전압.where Vo is the output of the lock-in amplifier corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component, VOX is the first output voltage, VOY is the second output voltage, and VOS is the offset voltage.
일 실시예에 있어서, 상기 검출부는, 제1 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 제1 오프셋 전압 및 상기 제1 출력 전압을 순차적으로 발생하고 제2 믹서를 이용하여 제2 오프셋 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하고,In an embodiment, the detector sequentially generates a first offset voltage and the first output voltage for each operation mode using a first mixer, and uses a second mixer to generate a second offset voltage and the second output voltage occurs sequentially,
상기 제어부는, 하기의 수학식에 의해 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산할 수 있다.The controller may calculate the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal by the following equation.
Vo=[(VOX-VOSX)2+(VOY-VOSY)2]1/2 Vo=[(VOX-VOSX) 2 +(VOY-VOSY) 2 ] 1/2
여기서 Vo은 상기 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 록인 증폭기의 출력, VOX는 상기 제1 출력 전압, VOY는 상기 제2 출력 전압, VOSX는 상기 제1 오프셋 전압, VOSY는 상기 제2 오프셋 전압.where Vo is the output of the lock-in amplifier corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component, VOX is the first output voltage, VOY is the second output voltage, VOSX is the first offset voltage, and VOSY is the second offset voltage.
상기 일 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 휴대용 측정 장치는 변조 클록 신호에 기초하여 변조 신호를 발생하는 변조기, 상기 변조 신호와 피검사체의 상호 반응에 의해 발생된 신호를 센싱하여 입력 신호를 발생하는 센서, 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생하는 클록 신호 발생부, 입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공하는 검출부, 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 각각 디지털 값들로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터 및 상기 클록 신호 발생부, 상기 검출부 및 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하고 상기 디지털 값들에 기초하여 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산하는 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, a portable measuring device according to embodiments of the present invention senses a signal generated by a modulator generating a modulated signal based on a modulated clock signal, and a signal generated by a mutual reaction between the modulated signal and an object under test. A sensor for generating an input signal, a clock signal generator generating a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency, an input signal, the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal Based on the clock signal, providing an offset voltage corresponding to the offset of the internal circuit in a first operation mode and generating a first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude of a demodulation frequency component of the input signal in a second operation mode A detection unit that provides, an analog-to-digital converter that converts the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage into digital values, respectively, and controls the clock signal generator, the detection unit, and the analog-to-digital converter, and controls the digital and a controller configured to calculate a magnitude of the demodulation frequency component of the input signal based on the values.
일 실시예에 있어서, 상기 클록 신호 발생부는, 상기 복조 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호에 기초하여 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 복수의 플립 플롭들을 포함할 수 있다.In an embodiment, the clock signal generator may include a plurality of flip-flops that generate the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal based on a reference clock signal having a frequency that is an integer multiple of the demodulation frequency. can
일 실시예에 있어서, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호 중 적어도 하나는 상기 변조기에 상기 변조 클록 신호로서 제공될 수 있다.In an embodiment, at least one of the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal may be provided to the modulator as the modulated clock signal.
본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖는 2개의 복조 클록 신호들을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들(In-Phase 성분과 Quadrature 성분)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는 복수의 플립 플롭들을 이용하여 90도의 위상차를 갖는 복조 클록 신호들을 제공함으로써 더욱 감소된 크기 및 전력 소모를 가질 수 있고, 휴대용 장치에 효율적으로 이용될 수 있다.A lock-in amplifier according to embodiments of the present invention, an integrated circuit including the same, and a portable measurement device include two orthogonal components (In) using two demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees regardless of the phase of an input signal. - By detecting the phase component and quadrature component) and using it to calculate the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal, the phase adjustment circuit and the feedback circuit for the conventional phase lock-in are eliminated, and can be implemented with a simplified configuration and reduced size. have. In addition, the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention provides demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees using a plurality of flip-flops, so that the size and power consumption can be further reduced, and can be efficiently used in portable devices. have.
본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 록인 증폭기의 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.A lock-in amplifier, an integrated circuit including the same, and a portable measurement device according to embodiments of the present invention may extract an offset voltage representing an offset of an internal circuit of the lock-in amplifier to accurately provide the magnitude of a demodulation frequency component of an input signal .
본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 하나의 믹서를 포함하는 단일 신호 채널을 이용하여 동작 모드 별로 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 순차적으로 발생함으로써, 종래의 채널들 간의 미스매치를 방지하고 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.A lock-in amplifier, an integrated circuit including the same, and a portable measurement device according to embodiments of the present invention sequentially generate a first output voltage and a second output voltage for each operation mode using a single signal channel including one mixer By doing so, it is possible to prevent mismatch between the conventional channels and accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 록인 증폭기에 포함되는 검출부의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2의 검출부에 포함되는 입력부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 도 2의 검출부에 포함되는 증폭부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 공통 모드 전압 발생기의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2의 검출부에 포함되는 믹서부 및 필터부의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 믹서부에 포함되는 믹서의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 8은 도 7의 믹서에 포함되는 논오버랩 클록 신호 발생부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 도 6의 믹서부 및 필터부를 포함하는 록인 검출기의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 믹서로부터 출력되는 정류 신호의 일 예를 나타내는 파형도이다.
도 11은 도 2의 검출부에 포함되는 믹서부 및 필터부의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11의 믹서부 및 필터부를 포함하는 록인 검출기의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 13 및 도 14는 도 1의 록인 증폭기에 포함되는 클록 신호 발생부의 실시예들을 나타내는 도면들이다.
도 15는 도 13 및 도 14의 클록 신호 발생부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 16은 도 1의 록인 증폭기에 포함되는 클록 신호 발생부의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 클록 신호 발생부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 18은 클록 신호 발생부에 포함되는 플립 플롭의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함하는 집적 회로를 나타내는 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 신호 측정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함하는 휴대용 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 23은 도 22의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다. 1 is a block diagram illustrating a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating an embodiment of a detection unit included in the lock-in amplifier of FIG. 1 .
3 is a circuit diagram illustrating an embodiment of an input unit included in the detection unit of FIG. 2 .
4 is a circuit diagram illustrating an embodiment of an amplifying unit included in the detection unit of FIG. 2 .
5 is a diagram illustrating an example of a common mode voltage generator.
6 is a diagram illustrating an embodiment of a mixer unit and a filter unit included in the detection unit of FIG. 2 .
7 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a mixer included in the mixer unit of FIG. 6 .
8 is a timing diagram illustrating an operation of a non-overlapping clock signal generator included in the mixer of FIG. 7 .
9 is a timing diagram illustrating an operation of the lock-in detector including the mixer unit and the filter unit of FIG. 6 .
10 is a waveform diagram illustrating an example of a rectified signal output from a mixer.
11 is a diagram illustrating an embodiment of a mixer unit and a filter unit included in the detection unit of FIG. 2 .
12 is a timing diagram illustrating an operation of the lock-in detector including the mixer unit and the filter unit of FIG. 11 .
13 and 14 are diagrams illustrating embodiments of a clock signal generator included in the lock-in amplifier of FIG. 1 .
15 is a timing diagram illustrating an operation of the clock signal generator of FIGS. 13 and 14 .
16 is a diagram illustrating an embodiment of a clock signal generator included in the lock-in amplifier of FIG. 1 .
17 is a timing diagram illustrating an operation of the clock signal generator of FIG. 16 .
18 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a flip-flop included in a clock signal generator.
19 is a block diagram illustrating an integrated circuit including a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention.
20 is a flowchart illustrating a signal measuring method according to embodiments of the present invention.
21 is a block diagram illustrating a portable measurement device including a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention.
22 is a block diagram illustrating a computing system including a measurement device according to an embodiment of the present invention.
23 is a block diagram illustrating an example of an interface used in the computing system of FIG. 22 .
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다.With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural or functional descriptions are only exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention, and the embodiments of the present invention may be embodied in various forms. It should not be construed as being limited to the embodiments described in .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms may be used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but it is understood that other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "immediately between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", etc., should be interpreted similarly.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the described feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof exists, and is intended to indicate that one or more other features or numbers are present. , it is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they are not to be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. .
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 나타내는 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 록인 증폭기(lock-in amplifier)(10)는 검출부(DET)(20) 및 클록 신호 발생부(CKGEN)(30)을 포함한다.Referring to FIG. 1 , a lock-in
클록 신호 발생부(30)는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다. 일 실시예에서, 클록 신호 발생부(30)는 복수의 플립 플롭들을 이용하여 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생할 수 있다. 클록 신호 발생부(30)의 실시예들은 도 13 내지 도 18을 참조하여 후술한다.The
검출부(20)는 입력 신호(SI), 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)에 기초하여 출력 신호(SO)를 발생한다. 검출부(20)는 출력 신호(SO)를 통하여 오프셋 전압(VOS), 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)를 제공할 수 있다. 검출부(20)는 제1 동작 모드(OM1)에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압(VOS)을 제공하고 제2 동작 모드(OM2)에서 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)을 제공할 수 있다.The
일 실시예에서, 도 6 및 도 9를 참조하여 후술하는 바와 같이, 검출부(20)는 하나의 믹서를 포함하는 싱글 신호 채널을 이용하여 오프셋 전압(VOS), 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)를 순차적으로 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 도 11 및 도 12를 참조하여 후술하는 바와 같이, 검출부(20)는 제1 믹서를 포함하는 제1 신호 채널을 이용하여 제1 오프셋 전압(VOSX) 및 제1 출력 전압(VOX)를 순차적으로 제공하고 제2 믹서를 포함하는 제2 신호 채널을 이용하여 제2 오프셋 전압(VOSY) 및 제2 출력 전압(VOY)를 순차적으로 제공할 수 있다.In an embodiment, as will be described later with reference to FIGS. 6 and 9 , the
종래의 록인 증폭기는 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분과의 위상 록인을 위하여 정교한 위상 조정 회로(tunable phase shifting circuit) 및 피드백 회로를 포함하고, 이러한 회로들은 하드웨어의 복잡성(complexity) 및 록인 증폭기의 사이즈를 증가시킨다. 또한 종래의 록인 증폭기는 제공 공정상의 변동, 동작 조건의 변동 등에 따라서 록인 증폭기마다의 트리밍이 요구되므로 테스트 시간 및 비용을 증가시킨다. 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖는 2개의 복조 클록 신호들을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들(In-Phase 성분과 Quadrature 성분)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는 복수의 플립 플롭들을 이용하여 90도의 위상차를 갖는 복조 클록 신호들을 제공함으로써 더욱 감소된 크기 및 전력 소모를 가질 수 있고, 휴대용 장치에 효율적으로 이용될 수 있다. 나아가 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.A conventional lock-in amplifier includes a sophisticated tunable phase shifting circuit and a feedback circuit for phase lock-in with the demodulation frequency component of the input signal SI, and these circuits are complicated by the complexity of hardware and the lock-in amplifier. increase the size. In addition, since the conventional lock-in amplifier requires trimming for each lock-in amplifier according to variations in the provision process, variations in operating conditions, and the like, test time and cost increase. The lock-in amplifier according to embodiments of the present invention detects two orthogonal components (in-phase component and quadrature component) using two demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees irrespective of the phase of the input signal. By calculating the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal by using it, the phase adjustment circuit and the feedback circuit for the conventional phase lock-in can be eliminated and implemented with a simplified configuration and a reduced size. In addition, the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention provides demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees using a plurality of flip-flops, so that the size and power consumption can be further reduced, and can be efficiently used in portable devices. have. Furthermore, the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention can accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal by extracting the offset voltage representing the offset of the internal circuit.
도 2는 도 1의 록인 증폭기에 포함되는 검출부의 일 실시예를 나타내는 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram illustrating an embodiment of a detection unit included in the lock-in amplifier of FIG. 1 .
도 2를 참조하면, 검출부(20)는 입력부(100), 증폭부(AMP)(200), 믹서부(MX)(300) 및 필터부(FLT)(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the
입력부(100)는 모드 신호(MD)에 응답하여 제1 동작 모드(OM1)에서 상기 증폭부(200)에 인가되는 입력 신호(SI)를 차단할 수 있다. 입력부(100)는 모드 신호(MD)가 제1 논리 레벨(예를 들어, 논리 로우 레벨)일 때 열리고(opened) 제2 논리 레벨(예를 들어, 논리 하이 레벨)일 때 닫히는(closed) 스위치(SW)를 포함할 수 있다. 모드 신호(MD)가 제1 논리 레벨일 때 제1 동작 모드(OM1)에 해당하고 제2 논리 레벨일 때 제2 동작 모드(OM2)에 해당할 수 있다. 제1 동작 모드(OM1)에서는 입력 신호(SI)가 차단되고 검출부(20)는 출력 신호(SO)를 통하여 오프셋 전압(VOS)를 제공할 수 있다. 제2 동작 모드(OM2)에서는 입력 신호(SI)가 전달되고 검출부(20)는 출력 신호(S0)를 통하여 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)를 제공할 수 있다. 도 2에는 입력부(100)가 별개의 구성요소로서 증폭부(200)의 전단에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 입력부(100)는 증폭부(200)에 포함될 수도 있다.The
증폭부(200)는 제2 동작 모드(OM2)에서 입력 신호(SI)를 증폭하여 증폭 신호(SA)를 출력한다. 증폭부(200)의 이득 및 구성은 록인 증폭기(10)에 따라서 다양하게 구현될 수 있다. The
믹서부(300)는 제2 동작 모드(OM2)에서 증폭 신호(SA)를 제1 복조 클록 신호(CKX)와 승산하여 제1 정류 신호(SRX)를 발생하고 증폭 신호(SA)를 제2 복조 클록 신호(CKY)와 승산하여 제2 정류 신호(SRY)를 발생한다. 필터부(400)는 제1 정류 신호(SRX)를 필터링하여 제1 출력 전압(VOX)을 발생하고 제2 정류 신호(SRY)를 필터링하여 제2 출력 전압(VOY)을 발생할 수 있다. 일 실시예에서, 도 6 및 도 9를 참조하여 후술하는 바와 같이, 믹서부(300)는 제2 동작 모드(OM2)에서 하나의 믹서를 이용하여 제1 정류 신호(SRX) 및 제2 정류 신호(SRY)를 순차적으로 제공하고 필터부(400)는 하나의 저역 통과 필터를 이용하여 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)를 순차적으로 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 도 11 및 도 12를 참조하여 후술하는 바와 같이, 믹서부(300)는 제2 동작 모드(OM2)에서 두 개의 믹서들을 이용하여 제1 정류 신호(SRX) 및 제2 정류 신호(SRY)를 각각 제공하고, 필터부(400)는 두 개의 저역 통과 필터들을 이용하여 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)를 각각 제공할 수 있다.The
도 3은 도 2의 검출부에 포함되는 입력부의 일 실시예를 나타내는 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating an embodiment of an input unit included in the detection unit of FIG. 2 .
도 3을 참조하면, 입력부(100)는 입력 신호(SI)가 인가되는 제1 노드(N1)와 증폭부(200)의 입력에 해당하는 제2 노드 사이에 연결된 커패시터(Cd) 및 트랜지스터(TN)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the
커패시터(Cd)는 입력 신호(SI)의 교류 성분만을 후단으로 전달하고 직류 성분을 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 트랜지스터(TN)는 모드 신호(MD)에 응답하여 턴온되는 스위치로서의 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(TN)는 엔모스(NMOS) 트랜지스터로 구현될 수 있다. 이 경우, 모드 신호(MD)가 논리 로우 레벨일 때 트랜지스터(TN)가 턴오프되어 제1 동작 모드(OM1)를 나타낼 수 있고, 모드 신호(MD)가 논리 하일 레벨일 때 트랜지스터(TN)가 턴온되어 제2 동작 모드(OM2)를 나타낼 수 있다.The capacitor Cd may function to transmit only the AC component of the input signal SI to the rear end and block the DC component. The transistor TN may function as a switch turned on in response to the mode signal MD. For example, the transistor TN may be implemented as an NMOS transistor. In this case, when the mode signal MD is at a logic low level, the transistor TN is turned off to indicate the first operation mode OM1 , and when the mode signal MD is at a logic high level, the transistor TN is turned off. It may be turned on to indicate the second operation mode OM2 .
도 4는 도 2의 검출부에 포함되는 증폭부의 일 실시예를 나타내는 회로도이고, 도 5는 공통 모드 전압 발생기의 일 예를 나타내는 도면이다.4 is a circuit diagram illustrating an embodiment of an amplifier included in the detection unit of FIG. 2 , and FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a common mode voltage generator.
도 4를 참조하면, 증폭부(200)는 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 연결되는 하나 이상의 연산 증폭기들(210, 220)을 포함할 수 있다. 연산 증폭기들(210, 220)은 저소음 증폭기(LNA: low noise amplifier)로 구현될 수 있다. 연산 증폭기들(210, 220)의 네거티브 단자(-)들에는 입력 저항들(R1, R3)이 각각 연결될 수 있고 포지티브 단자(+)들에는 공통 모드 전압(VCM)이 인가될 수 있다. 연산 증폭기들(210, 220)의 귀환 경로 상에는 커패시터들(C1, C2)의 각각 및 피드백 저항들(R2, R4)의 각각이 병렬로 연결될 수 있다. 일부의 피드백 저항(R4)은 가변 저항으로 구현될 수 있고, 가변 저항(R4)의 저항값을 조절함으로써 증폭부(200)의 이득을 조절할 수 있다. 도 4에는 증폭부(200)가 2단(two stages)으로 구현된 예를 도시하였으나 증폭부(200)의 구성 및 단수는 다양하게 변경될 수 있다.Referring to FIG. 4 , the
도 5를 참조하면, 공통 모드 전압 발생기(230)는 분배 저항들(Ru, Rd), 커패시터(Cg) 및 연산 증폭기(232)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(230)은 저소음 증폭기(LNA)로 구현될 수 있다. 분배 저항들(Ru, Rd)은 전원 전압(VDD)과 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 연산 증폭기(232)의 네거티브 단자(-)는 공통 모드 전압(VCM)을 발생하는 출력에 연결되고, 포지티브 단자(+)는 분배 저항들(Ru, Rd) 사이의 노드에 연결될 수 있다. 커패시터(Cg)는 연산 증폭기(232)의 포지티브 단자(+)와 접지 사이에 연결될 수 있다.Referring to FIG. 5 , the common
연산 증폭기(232)는 단위 이득 증폭기(unity-gain amplifier)로서 동작하고, 분배 저항들(Ru, Rd)에 의한 분배 전압을 공통 모드 전압(VCM)으로서 제공할 수 있다. 예를 들어, 분배 저항들(Ru, Rd)의 저항값들은 동일하고, 이 경우 공통 모드 전압(VCM)은 전원 전압(VDD)의 절반(VDD/2)에 해당할 수 있다.The
도 6은 도 2의 검출부에 포함되는 믹서부 및 필터부의 일 실시예를 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating an embodiment of a mixer unit and a filter unit included in the detection unit of FIG. 2 .
도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 싱글 신호 채널의 구조가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 믹서부(310)는 하나의 믹서(320) 및 클록 선택부(MUX)(330)를 포함할 수 있고, 필터부(410)는 하나의 저역 통과 필터(LPF: low pass filter)를 포함할 수 있다.6 shows the structure of a single signal channel according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6 , the
믹서(320)는 증폭부(200)로부터 제공되는 증폭 신호(SA)를 수신하는 제1 입력 단자, 제2 동작 모드(OM2)에서 제1 복조 클록 신호(CKX)와 제2 복조 클록 신호(CKY)를 순차적으로 수신하는 제2 입력 단자 및 제2 동작 모드(OM2)에서 제1 정류 신호(SRX)와 제2 정류 신호(SRY)를 순차적으로 출력하는 출력 단자를 갖는다. 즉 제1 정류 신호(SRX)와 제2 정류 신호(SRY)는 하나의 출력 단자를 통하여 동작 모드 별로 제공되는 하나의 정류 신호(SR)에 상응할 수 있다.The
클록 선택부(330)는 클록 선택 신호(SEL)에 응답하여 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY) 중 하나를 선택하여 믹서(320)의 상기 제2 입력 단자에 선택 클록 신호(CKS)로서 제공할 수 있다. 도 6에는 클록 선택부(330)가 믹서부(310)에 포함되는 것으로 도시되어 있으나, 실시예에 따라서 클록 선택부(330)는 도 1의 클록 신호 발생부(30)에 포함될 수도 있다.The
저역 통과 필터(410)는 믹서(320)의 상기 출력 단자에 연결되어 제1 동작 모드(OM1)에서 오프셋 전압(VOS)을 발생하고 제2 동작 모드(OM2)에서 제1 출력 전압(VOX)과 제2 출력 전압(VOY)을 순차적으로 발생한다. 즉, 저역 통과 필터(410)는 하나의 출력 신호(SO)를 통하여 오프셋 전압(VOS), 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)을 동작 모드 별로 순차적으로 제공할 수 있다. 전술한 바와 같이, 입력 신호(SI)가 차단되는 제1 동작 모드(OM1)에서 저역 통과 필터(410)는 오프셋 전압(VOS)을 발생한다. 예를 들어, 저역 통과 필터(410)는 하나 이상의 RC 필터들을 포함할 수 있다. 도 6의 싱글 신호 채널의 구조를 채택한 록인 증폭기의 동작은 도 9를 참조하여 후술한다.The low-
도 7은 도 6의 믹서부에 포함되는 믹서의 일 실시예를 나타내는 회로도이고, 도 8은 도 7의 믹서에 포함되는 논오버랩 클록 신호 발생부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.7 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a mixer included in the mixer unit of FIG. 6 , and FIG. 8 is a timing diagram illustrating an operation of a non-overlapping clock signal generator included in the mixer of FIG. 7 .
도 7을 참조하면, 믹서(320)는 논오버랩 클록 신호 발생부(NOCG)(322), 연산 증폭기(324), 저항들(R1, R2) 및 스위치들(SW1, SW2)을 포함할 수 있다. 제1 저항(R1)은 연산 증폭기(324)의 네거티브 단자(-)에 연결되고 제2 저항(R2)은 정류 신호(SR)를 발생하는 연산 증폭기(324)의 출력 단자와 네거티브 단자(-) 사이의 귀환 경로 상에 배치될 수 있다. 제1 스위치(SW1)는 논오버랩 클록 신호 발생부(322)로부터의 제1 클록 신호(Q1)에 응답하여 증폭 신호(SA)를 연산 증폭기(324)의 포지티브 단자(+)에 인가할 수 있다. 제2 스위치(SW2)는 논오버랩 클록 신호 발생부(322)로부터의 제2 클록 신호(Q2)에 응답하여 공통 모드 전압(VCM)을 연산 증폭기(324)의 포지티브 단자(+)에 인가할 수 있다. 예를 들어, 제1 저항(R1)과 제2 저항(R2)은 동일한 저항값을 가질 수 있다.Referring to FIG. 7 , the
논오버랩 클록 신호 발생부(322)는 도 6의 클록 선택부(330)로부터 제공되는 선택 클록 신호(CKS)에 기초하여 상보적으로 활성화되는 제1 클록 신호(Q1) 및 제2 클록 신호(Q2)를 발생할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 논오버랩 클록 신호 발생부(322)는 제1 클록 신호(Q1) 및 제2 클록 신호(Q2)의 하나가 논리 로우 레벨로 비활성화된 후 일정한 지연 시간(td) 후에 다른 하나가 논리 하이 레벨로 활성화될 수 있도록 타이밍을 조절할 수 있다. 즉, 논오버랩 클록 신호 발생부(322)는 제1 클록 신호(Q1)와 제2 클록 신호(CK2)의 활성화 구간이 서로 중복되지 않도록 타이밍을 조절할 수 있다. 이와 같이 논오버랩되는 제1 클록 신호(Q1) 및 제2 클록 신호(Q2)를 이용하여, 증폭 신호(SA)와 공통 모드 전압(VCM)이 동시에 연산 증폭기(324)의 포지티브 단자(+)에 인가되는 것을 방지할 수 있다.The non-overlapping
도 9는 도 6의 믹서부 및 필터부를 포함하는 록인 검출기의 동작을 나타내는 타이밍도이다.9 is a timing diagram illustrating an operation of the lock-in detector including the mixer unit and the filter unit of FIG. 6 .
도 9에서 시구간 t1~t2는 제1 동작 모드(OM1)에 해당하고 시구간 t2~t4는 제2 동작 모드(OM2)에 해당한다. In FIG. 9 , time sections t1 to t2 correspond to the first operation mode OM1 , and time sections t2 to t4 correspond to the second operation mode OM2 .
도 1, 2, 6 및 9를 참조하면, 검출부(20)는 전술한 바와 같이 하나의 믹서(320)를 이용하여 동작 모드 별로 오프셋 전압(VOS), 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)을 순차적으로 발생할 수 있다. 클록 신호 발생부(30)는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다.1, 2, 6, and 9, the
시구간 t1~t2 동안에 모드 신호(MD)는 논리 로우 레벨로서 제1 동작 모드(OM1)를 나타내고, 입력부(100)는 제1 동작 모드(OM1)를 나타내는 모드 신호(MD)에 응답하여 입력 신호(SI)를 차단한다. 클록 선택부(330)는 클록 선택 신호(SEL)의 논리 로우 레벨에 응답하여 제1 복조 클록 신호(CKX)를 선택하여 선택 클록 신호(CKS)로서 제공한다. 편의상 제1 동작 모드(OM1)에서 제1 복조 클록 신호(CKX)가 선택되는 예를 도시하였으나, 제1 동작 모드(OM1)에서 제2 복조 클록 신호 신호(CKY)가 선택 클록 신호(CKS)로서 제공되어도 무방하다. 입력 신호(SI)가 차단된 상태에서 저역 통과 필터(410)로부터 제공되는 출력 신호(SO)는 록인 증폭기(10)의 내부 회로의 오프셋 전압(VOS)을 나타낸다.During the time period t1 to t2, the mode signal MD indicates the first operation mode OM1 as a logic low level, and the
시구간 t2~t3 동안에 모드 신호(MD)는 논리 하이 레벨로서 제2 동작 모드(OM2)를 나타내고, 입력부(100)는 제2 동작 모드(OM2)를 나타내는 모드 신호(MD)에 응답하여 입력 신호(SI)를 증폭부(200)에 전달한다. 클록 선택부(330)는 클록 선택 신호(SEL)의 논리 로우 레벨에 응답하여 제1 복조 클록 신호(CKX)를 선택하여 선택 클록 신호(CKS)로서 제공한다. 이 때, 저역 통과 필터(410)로부터 제공되는 출력 신호(SO)는 제1 출력 전압(VOX)을 나타낸다.During the time period t2 to t3, the mode signal MD indicates the second operation mode OM2 as a logic high level, and the
입력 신호(Si)의 복조 주파수 성분은 Vi*sin(wt)로 나타내고, 제1 복조 클록 신호(CKX)는 Vd*sin(wt+θ)로 나타낼 수 있다. 이 경우, 시구간 t2~t3 동안에 믹서(320)로부터 발생되는 제1 정류 신호(SRX)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.The demodulation frequency component of the input signal Si may be expressed as Vi*sin(wt), and the first demodulated clock signal CKX may be expressed as Vd*sin(wt+θ). In this case, the first rectified signal SRX generated from the
수학식 1에서 Ga는 증폭부(200)의 이득을 나타내고, θ는 입력 신호(Si)의 복조 주파수 성분과 제1 복조 클록 신호(SKX) 사이의 위상차를 나타내고, w는 복조 주파수에 상응하는 각 주파수(angular frequency)를 나타낸다. 제1 정류 신호(SRX)의 시간에 의존하는 성분은 저역 통과 필터(410)에 의해 제거되고, 결과적으로 제1 출력 전압(VOX)은 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.In
시구간 t3~t4 동안에 모드 신호(MD)는 논리 하이 레벨로서 제2 동작 모드(OM2)를 나타내고, 입력부(100)는 제2 동작 모드(OM2)를 나타내는 모드 신호(MD)에 응답하여 입력 신호(SI)를 증폭부(200)에 전달한다. 클록 선택부(330)는 클록 선택 신호(SEL)의 논리 하이 레벨에 응답하여 제2 복조 클록 신호(CKY)를 선택하여 선택 클록 신호(CKS)로서 제공한다. 이 때, 저역 통과 필터(410)로부터 제공되는 출력 신호(SO)는 제2 출력 전압(VOY)을 나타낸다.During the time period t3 to t4, the mode signal MD indicates the second operation mode OM2 as a logic high level, and the
제2 복조 클록 신호(CKY)는 제1 복조 클록 신호(CKX)와 90도의 위상차를 가지므로 Vd*cos(wt+θ)로 나타낼 수 있다. 이 경우, 시구간 t3~t4 동안에 믹서(320)로부터 발생되는 제2 정류 신호(SRY)는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.Since the second demodulated clock signal CKY has a phase difference of 90 degrees from the first demodulated clock signal CKX, it can be expressed as Vd*cos(wt+θ). In this case, the second rectified signal SRY generated from the
제2 정류 신호(SRY)의 시간에 의존하는 성분은 저역 통과 필터(410)에 의해 제거되고, 결과적으로 제2 출력 전압(VOY)은 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.The time-dependent component of the second rectified signal SRY is removed by the low-
수학식 2 및 수학식 4로부터 입력 신호(Si)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 구할 수 있고, 그 결과는 수학식 5와 같다.The magnitude Vo of the demodulation frequency component of the input signal Si can be obtained from Equations 2 and 4, and the result is as Equation 5.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는, 하나의 믹서(320)를 포함하는 단일 신호 채널을 이용하여 동작 모드 별로 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)을 순차적으로 발생함으로써, 종래의 채널들 간의 미스매치를 방지하고 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 정확하게 제공할 수 있다. As described above, the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention sequentially applies the first output voltage VOX and the second output voltage VOY for each operation mode using a single signal channel including one
도 10은 믹서로부터 출력되는 정류 신호의 일 예를 나타내는 파형도이다.10 is a waveform diagram illustrating an example of a rectified signal output from a mixer.
도 10을 참조하면, 제1 동작 모드(OM1)에서 정류 신호(SR)는 실질적으로 직류 전압에 해당하고, 그 실효 전압은 오프셋 전압(VOS)에 해당한다. 제1 동작 모드(OM1)에서 선택 클록 신호(CKS)는 제1 복조 클록 신호(CKX)와 제2 복조 클록 신호(CKY) 중에서 어떤 것이어도 무방하다.Referring to FIG. 10 , in the first operation mode OM1 , the rectified signal SR substantially corresponds to a DC voltage, and its effective voltage corresponds to the offset voltage VOS. In the first operation mode OM1 , the selection clock signal CKS may be any of the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY.
제2 동작 모드(OM2)에서는 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)가 순차적으로 선택 클록 신호(CKS)로서 선택된다. 제1 복조 클록 신호(CKX)가 선택 클록 신호(CKS)로서 선택되는 경우에는 정류 신호(SR)는 제1 정류 신호(SRX)에 해당하고, 제2 복조 클록 신호(CKY)가 선택 클록 신호(CKS)로서 선택되는 경우에는 정류 신호(SR)는 제2 정류 신호(SRY)에 해당한다. 제1 복조 클록 신호(CKX)와 제2 복조 클록 신호(CKY)는 서로 90도의 위상차를 가지므로 제1 정류 신호(SRX)와 제2 정류 신호(SRY)의 파형은 서로 다르게 나타난다. 제1 정류 신호(SR1)의 실효 전압은 제1 출력 전압(VOX)에 해당하고, 제2 정류 신호(SR2)의 실효 전압은 제2 출력 전압(VOY)에 해당한다.In the second operation mode OM2 , the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY are sequentially selected as the selection clock signal CKS. When the first demodulated clock signal CKX is selected as the selection clock signal CKS, the rectified signal SR corresponds to the first rectified signal SRX, and the second demodulated clock signal CKY is selected as the selection clock signal CKS. CKS), the rectified signal SR corresponds to the second rectified signal SRY. Since the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY have a phase difference of 90 degrees from each other, the waveforms of the first rectified signal SRX and the second rectified signal SRY are different from each other. The effective voltage of the first rectified signal SR1 corresponds to the first output voltage VOX, and the effective voltage of the second rectified signal SR2 corresponds to the second output voltage VOY.
도 11은 도 2의 검출부에 포함되는 믹서부 및 필터부의 일 실시예를 나타내는 도면이다.11 is a diagram illustrating an embodiment of a mixer unit and a filter unit included in the detection unit of FIG. 2 .
도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 더블 신호 채널의 구조가 도시되어 있다. 도 11을 참조하면, 믹서부(350)는 제1 믹서(360) 및 제2 믹서(370)를 포함할 수 있고, 필터부(450)는 제1 저역 통과 필터(LPF: low pass filter)(460) 및 제2 저역 통과 필터(470)를 포함할 수 있다.11 shows the structure of a double signal channel according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11 , the
제1 믹서(360)는 증폭 신호(SA)를 수신하는 제1 입력 단자, 제1 복조 클록 신호(CKX)를 수신하는 제2 입력 단자 및 제1 정류 신호(SRX)를 출력하는 제1 출력 단자를 갖는다. 제2 믹서(370)는 증폭 신호(SA)를 수신하는 제3 입력 단자, 제2 복조 클록 신호(CKY)를 수신하는 제4 입력 단자 및 제2 정류 신호(SRY)를 출력하는 제2 출력 단자를 갖는다. The
제1 저역 통과 필터(460)는 제1 믹서(360)의 상기 제1 출력 단자에 연결되어 제1 동작 모드(OM1)에서 제1 오프셋 전압(VOSX)을 발생하고 제2 동작 모드(OM2)에서 제1 출력 전압(VOX)을 발생한다. 즉 제1 저역 통과 필터(460)는 제1 출력 신호(SOX)를 통하여 제1 오프셋 전압(VOSX) 및 제1 출력 전압(VOX)을 동작 모드 별로 순차적으로 제공할 수 있다. 제2 저역 통과 필터(470)는 제2 믹서(370)의 상기 제2 출력 단자에 연결되어 제1 동작 모드(OM1)에서 제2 오프셋 전압(VOSY)을 발생하고 제2 동작 모드(OM2)에서 제2 출력 전압(VOY)을 발생한다. 즉 제2 저역 통과 필터(470)는 제2 출력 신호(SOY)를 통하여 제2 오프셋 전압(VOSY) 및 제2 출력 전압(VOY)을 동작 모드 별로 순차적으로 제공할 수 있다.The first low-
도 12는 도 11의 믹서부 및 필터부를 포함하는 록인 검출기의 동작을 나타내는 타이밍도이다.12 is a timing diagram illustrating an operation of the lock-in detector including the mixer unit and the filter unit of FIG. 11 .
도 12에서 시구간 t1~t2는 제1 동작 모드(OM1)에 해당하고 시구간 t2~t3는 제2 동작 모드(OM2)에 해당한다. In FIG. 12 , time sections t1 to t2 correspond to the first operation mode OM1 , and time sections t2 to t3 correspond to the second operation mode OM2 .
도 1, 2, 11 및 12를 참조하면, 검출부(20)는 전술한 바와 같이 제1 믹서(360)를 이용하여 동작 모드 별로 제1 오프셋 전압(VOSX) 및 제1 출력 전압(VOX)을 순차적으로 발생할 수 있고, 제2 믹서(370)를 이용하여 동작 모드 별로 제2 오프셋 전압(VOSY) 및 제2 출력 전압(VOY)을 순차적으로 발생할 수 있다. 클록 신호 발생부(30)는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다.1, 2, 11 and 12 , the
시구간 t1~t2 동안에 모드 신호(MD)는 논리 로우 레벨로서 제1 동작 모드(OM1)를 나타내고, 입력부(100)는 제1 동작 모드(OM1)를 나타내는 모드 신호(MD)에 응답하여 입력 신호(SI)를 차단한다. 입력 신호(SI)가 차단된 상태에서 제1 저역 통과 필터(460)로부터 제공되는 제1 출력 신호(SOX)는 증폭부(200), 제1 믹서(360) 및 제1 저역 통과 필터(460)를 포함하는 제1 신호 채널의 제1 오프셋 전압(VOSX)을 나타낸다. 입력 신호(SI)가 차단된 상태에서 제2 저역 통과 필터(470)로부터 제공되는 제2 출력 신호(SOY)는 증폭부(200), 제2 믹서(370) 및 제2 저역 통과 필터(470)를 포함하는 제2 신호 채널의 제2 오프셋 전압(VOSY)을 나타낸다.During the time period t1 to t2, the mode signal MD indicates the first operation mode OM1 as a logic low level, and the
시구간 t2~t3 동안에 모드 신호(MD)는 논리 하이 레벨로서 제2 동작 모드(OM2)를 나타내고, 입력부(100)는 제2 동작 모드(OM2)를 나타내는 모드 신호(MD)에 응답하여 입력 신호(SI)를 증폭부(200)에 전달한다. 이 때, 제1 저역 통과 필터(460)로부터 제공되는 제1 출력 신호(SOX)는 제1 출력 전압(VOX)을 나타내고, 제2 저역 통과 필터(470)로부터 제공되는 제2 출력 신호(SOY)는 제2 출력 전압(VOY)을 나타낸다.During the time period t2 to t3, the mode signal MD indicates the second operation mode OM2 as a logic high level, and the
전술한 바와 같이, 입력 신호(Si)의 복조 주파수 성분은 Vi*sin(wt)로 나타내고, 제1 복조 클록 신호(CKX)는 Vd*sin(wt+θ)로 나타낼 수 있다. 이 경우, 시구간 t2~t3 동안에 제1 믹서(360)로부터 발생되는 제1 정류 신호(SRX)는 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.As described above, the demodulation frequency component of the input signal Si may be expressed as Vi*sin(wt), and the first demodulated clock signal CKX may be expressed as Vd*sin(wt+θ). In this case, the first rectified signal SRX generated from the
수학식 6에서 Ga는 증폭부(200)의 이득을 나타내고, θ는 입력 신호(Si)의 복조 주파수 성분과 제1 복조 클록 신호(SKX) 사이의 위상차를 나타내고, w는 복조 주파수에 상응하는 각 주파수(angular frequency)를 나타낸다. 제1 정류 신호(SRX)의 시간에 의존하는 성분은 제1 저역 통과 필터(460)에 의해 제거되고, 결과적으로 제1 출력 전압(VOX)은 수학식 7와 같이 표현될 수 있다.In Equation 6, Ga represents the gain of the
전술한 바와 같이, 제2 복조 클록 신호(CKY)는 제1 복조 클록 신호(CKX)와 90도의 위상차를 가지므로 Vd*cos(wt+θ)로 나타낼 수 있다. 이 경우, 시구간 t2~t3 동안에 제2 믹서(370)로부터 발생되는 제2 정류 신호(SRY)는 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.As described above, since the second demodulated clock signal CKY has a phase difference of 90 degrees from the first demodulated clock signal CKX, it can be expressed as Vd*cos(wt+θ). In this case, the second rectified signal SRY generated from the
제2 정류 신호(SRY)의 시간에 의존하는 성분은 제2 저역 통과 필터(470)에 의해 제거되고, 결과적으로 제2 출력 전압(VOY)은 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.The time-dependent component of the second rectified signal SRY is removed by the second low-
수학식 7 및 수학식 9로부터 입력 신호(Si)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 구할 수 있고, 그 결과는 수학식 10과 같다.The magnitude Vo of the demodulation frequency component of the input signal Si can be obtained from Equations 7 and 9, and the result is as
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는, 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖는 2개의 복조 클록 신호들(CKX, CKY)을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들, 즉 In-Phase 성분(VOX)과 Quadrature 성분(VOY)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는, 록인 증폭기의 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압들(VOSX, VOSY)을 추출하여 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 정확하게 제공할 수 있다.As described above, the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention uses two demodulated clock signals CKX and CKY having a phase difference of 90 degrees regardless of the phase of the input signal, and uses two orthogonal components, that is, In - By detecting the phase component (VOX) and quadrature component (VOY) and using them to calculate the magnitude (Vo) of the demodulation frequency component of the input signal, the phase adjustment circuit and the feedback circuit for the conventional phase lock-in are eliminated and the configuration is simplified and reduced size. In addition, the lock-in amplifier according to the embodiments of the present invention extracts the offset voltages VOSX and VOSY indicating the offset of the internal circuit of the lock-in amplifier to accurately provide the magnitude Vo of the demodulation frequency component of the input signal SI. can do.
본 발명의 실시예들에 따라서, 도 1의 클록 신호 발생부(30)는, 복조 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호(CKR)에 기초하여 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생하는 복수의 플립 플롭들을 포함할 수 있다. 이하 도 13,도 14 및 도 15를 참조하여 복조 주파수의 네 배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호(CKR)에 기초하여 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생하는 세 개의 플립 플롭들을 포함하는 클록 신호 발생부들(31, 32)의 실시예를 설명하고, 도 16 및 도 17을 참조하여 복조 주파수의 두 배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호(CKR)에 기초하여 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생하는 두 개의 플립 플롭들을 포함하는 클록 신호 발생부(33)의 실시예를 설명한다.According to embodiments of the present invention, the
도 13 및 도 14는 도 1의 록인 증폭기에 포함되는 클록 신호 발생부의 실시예들을 나타내는 도면들이고, 도 15는 도 13 및 도 14의 클록 신호 발생부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.13 and 14 are diagrams illustrating embodiments of a clock signal generator included in the lock-in amplifier of FIG. 1 , and FIG. 15 is a timing diagram illustrating an operation of the clock signal generator of FIGS. 13 and 14 .
도 13을 참조하면, 클록 신호 발생부(31)는 제1 플립 플롭(FF1), 제2 플립 플롭(FF2) 및 제3 플립 플롭(FF3)을 포함한다.Referring to FIG. 13 , the
제1 플립 플롭(FF1)은 클록 단자(CK)로 기준 클록 신호(CKR)를 수신하고, 데이터 단자(D)가 반전 출력 단자(QB)에 연결되고, 비반전 출력 단자(Q)로 제1 클록 신호(CKa)를 발생하고, 반전 출력 단자(QB)로 제2 클록 신호(CKb)를 발생한다.The first flip-flop FF1 receives the reference clock signal CKR through the clock terminal CK, the data terminal D is connected to the inverted output terminal QB, and the first flip-flop FF1 receives the reference clock signal CKR through the non-inverted output terminal Q. A clock signal CKa is generated, and a second clock signal CKb is generated through the inverted output terminal QB.
제2 플립 플롭(FF2)은 클록 단자(CK)로 제1 클록 신호(CKa)를 수신하고, 데이터 단자(D)가 반전 출력 단자(QB)에 연결되고, 비반전 출력 단자(Q)로 제1 복조 클록 신호(CKX)를 발생한다.The second flip-flop FF2 receives the first clock signal CKa through the clock terminal CK, the data terminal D is connected to the inverted output terminal QB, and the second flip-flop FF2 receives the first clock signal CKa through the non-inverted output terminal Q. 1 Generates a demodulated clock signal CKX.
제3 플립 플롭(FF3)은 클록 단자(CK)로 제2 클록 신호(CKb)를 수신하고, 데이터 단자(D)가 반전 출력 단자(QB)에 연결되고, 비반전 출력 단자(Q)로 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다. The third flip-flop FF3 receives the second clock signal CKb through the clock terminal CK, the data terminal D is connected to the inverted output terminal QB, and the third flip-flop FF3 receives the second clock signal CKb through the non-inverted output terminal Q. 2 A demodulated clock signal CKY is generated.
일 실시예에서, 제1 플립 플롭(FF1), 제2 플립 플롭(FF2) 및 제3 플립 플롭(FF3)은 모두 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭으로 구현될 수 있다. 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭은 도 18을 참조하여 후술한다.In an embodiment, all of the first flip-flop FF1 , the second flip-flop FF2 , and the third flip-flop FF3 may be implemented as a rising edge triggered D-flip-flop. A rising edge triggered D-flip-flop will be described below with reference to FIG. 18 .
도 14의 클록 신호 발생부(32)는 도 13의 클록 신호 발생부(31)와 유사하므로 중복되는 설명은 생략한다. 다만, 도 13의 클록 신호 발생부(31)에서는 제3 플립 플롭(FF3)의 데이터 단자(D)가 제3 플립 플롭(FF3)의 반전 출력 단자(QB)에 연결되지만, 도 14의 클록 신호 발생부(32)에서는 제3 플립 플롭(FF3)의 데이터 단자(D)가 제2 플립 플롭(FF2)의 비반전 출력 단자(Q)에 연결된다.도 13, 도 14 및 도 15를 참조하면, 제1 플립 플롭(FF1)은 기준 클록 신호(CKR)의 상승 에지에 동기하여 토글링하는 제1 클록 신호(CKa) 및 제2 클록 신호(CKb)를 발생한다. 제1 클록 신호(CKa) 및 제2 클록 신호(CKb)는 서로 반전된 신호들에 해당한다. 제2 플립 플롭(FF2)은 제1 클록 신호(CKa)의 상승 에지에 동기하여 토글링하는 제1 복조 클록 신호(CKX)를 발생한다. 제3 플립 플롭(FF3)은 제2 클록 신호(CKb)의 상승 에지에 동기하여 토글링하는 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다.Since the
결과적으로, 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)는 90도의 위상차를 갖고, 기준 클록 신호(CKR)의 주파수는 복조 주파수의 네 배에 해당할 수 있다.As a result, the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY may have a phase difference of 90 degrees, and the frequency of the reference clock signal CKR may correspond to four times the demodulation frequency.
도 16은 도 1의 록인 증폭기에 포함되는 클록 신호 발생부의 일 실시예를 나타내는 도면이고, 도 17은 도 16의 클록 신호 발생부의 동작을 나타내는 타이밍도이다.16 is a diagram illustrating an embodiment of a clock signal generator included in the lock-in amplifier of FIG. 1 , and FIG. 17 is a timing diagram illustrating an operation of the clock signal generator of FIG. 16 .
도 16을 참조하면, 클록 신호 발생부(33)는 제1 플립 플롭(FFa) 및 제2 플립 플롭(FFb)을 포함한다.Referring to FIG. 16 , the
제1 플립 플롭(FFa)는 클록 단자(CK)로 기준 클록 신호(CKR)를 수신하고, 데이터 단자(D)가 반전 출력 단자(QB)에 연결되고, 비반전 출력 단자(Q)로 제1 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다.The first flip-flop FFa receives the reference clock signal CKR through the clock terminal CK, the data terminal D is connected to the inverted output terminal QB, and the first flip-flop FFa receives the reference clock signal CKR through the non-inverted output terminal Q. A demodulated clock signal CKY is generated.
제2 플립 플롭(FFb)은 클록 단자(CK)로 기준 클록 신호(CKR)의 반전 신호를 수신하고, 데이터 단자(D)가 반전 출력 단자(QB)에 연결되고, 비반전 출력 단자(Q)로 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다.The second flip-flop FFb receives the inverted signal of the reference clock signal CKR through the clock terminal CK, the data terminal D is connected to the inverted output terminal QB, and the non-inverted output terminal Q to generate the second demodulated clock signal CKY.
일 실시예에서, 제1 플립 플롭(FFa)은 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭으로 구현될 수 있고, 제2 플립 플롭(FFb)은 하강 에지 트리거형 D-플립 플롭으로 구현될 수 있다. 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭 및 하강 에지 트리거형 D-플립 플롭은 도 18을 참조하여 후술한다.In an embodiment, the first flip-flop FFa may be implemented as a rising-edge triggered D-flip-flop, and the second flip-flop FFb may be implemented as a falling-edge triggered D-flip-flop. A rising edge triggered D-flip-flop and a falling edge triggered D-flip-flop will be described below with reference to FIG. 18 .
도 16 및 도 17을 참조하면, 제1 플립 플롭(FFa)은 기준 클록 신호(CKR)의 상승 에지에 동기하여 토글링하는 제1 복조 클록 신호(CKX)를 발생한다. 제2 플립 플롭(FFb)는 기준 클록 신호(CKR)의 하강 에지에 동기하여 토글링하는 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생한다.16 and 17 , the first flip-flop FFa generates a first demodulated clock signal CKX that toggles in synchronization with the rising edge of the reference clock signal CKR. The second flip-flop FFb generates a second demodulated clock signal CKY that toggles in synchronization with the falling edge of the reference clock signal CKR.
결과적으로, 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)는 90도의 위상차를 갖고, 기준 클록 신호(CKR)의 주파수는 복조 주파수의 두 배에 해당할 수 있다.As a result, the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY may have a phase difference of 90 degrees, and the frequency of the reference clock signal CKR may correspond to twice the demodulation frequency.
도 18은 클록 신호 발생부에 포함되는 플립 플롭의 실시예를 나타내는 회로도이다.18 is a circuit diagram illustrating an embodiment of a flip-flop included in a clock signal generator.
도 18을 참조하면, D-플립 플롭(50)은 제1 인버터(111), 제2 인버터(112), 제1 스위치(113), 제3 인버터(114), 제4 인버터(115), 제2 스위치(116) 및 제5 인버터(117)를 포함한다. Referring to FIG. 18 , the D-flip-
제1 인버터(111)의 출력은 제2 인버터(112)의 입력과 연결되고 제2 인버터(112)의 출력이 제1 인버터(111)의 입력과 연결되는 래치 구조를 갖는다. 또한 제3 인버터(114)의 출력은 제4 인버터(115)의 입력과 연결되고 제4 인버터(115)의 출력이 제3 인버터(114)의 입력과 연결되는 래치 구조를 갖는다.The output of the
도 13, 도 14 및 도 16의 예에서 제5 인버터(117)의 출력은 반전 출력 단자(QB)에 해당하고 제4 인버터(115)의 출력은 비반전 출력 단자(Q)에 해당한다. 제1 스위치(113)는 데이터 단자(D)와 제2 인버터(112)의 입력 사이에 연결되고 제1 스위치(113)의 제어 단자(CK)는 클록 단자에 해당한다. 제1 스위치(113)와 제2 스위치(116)의 제어 단자(CK)에는 클록 신호(CLK)가 인가된다. In the examples of FIGS. 13, 14 and 16 , the output of the
도 18에는 제1 스위치(113)가 PMOS 타입이고 제2 스위치(116)는 NMOS 타입인 예가 도시되어 있다. 이 경우, D-플립 플롭(50)은 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭에 해당한다.18 shows an example in which the
제어 단자(CK)로 인가되는 클록 신호(CLK)가 논리 로우일 때, 도 18의 D-플립 플롭(50)의 출력은 이전 데이터 값에 대한 메모리, 즉 저장 상태에 있고 데이터 단자(D)의 논리 상태가 변하더라도 플립 플롭의 출력 상태는 변하지 않는다. 즉 이때 데이터 단자(D)는 제2 인버터(112)에 의해 반전된 신호로 전달되어 제2 인버터(112)의 출력 노드(N1)까지 전달되나 제2 스위치(116)가 꺼져있는 상태므로 플립 플롭의 출력 단자(Q,QB)까지 전달되지는 않는다. 클록 신호(CLK)가 논리 하이로 천이 할 때, 즉 클록 신호(CLK)의 상승 에지에서, 제1 스위치(113)가 꺼지는 순간 제2 인버터(112)의 출력노드(N1)에 저장된 값은 제1 인버터(111)와 제2 인버터(112)를 통해 래치되어 유지되며 제2 스위치(116)를 통해 전달되고 제4 인버터(115)에 의해 다시 반전되어 비반전 출력 단자(Q)에는 클록 신호(CLK) 상승 에지에 트리거된 데이터 값이, 반전 출력 단자(QB)에는 그 반전된 데이터 값이 전달된다. 이후에 클록 신호(CLK)가 하강하여 논리 로우가 되면 제2 스위치(116)가 턴오프되고 제3 인버터(114)와 제4 인버터(115)의 래치 구조에 의해 이전 출력값이 출력 단자(Q,QB)에 저장되고 이때 제1 스위치(113)의 턴온과 제2 인버터(112)에 의해 제2 인버터(112)의 출력노드(N1)에 새로운 데이터 값이 반전되어 전달된다. When the clock signal CLK applied to the control terminal CK is logic low, the output of the D-flip-
이와 같이 제어 단자(CK)에 인가되는 신호의 에지에 동기하여 논리 상태가 변화하는 플립 플롭을 에지 트리거형(edge-triggered)이라고 하고, 도 18의 D-플립 플롭은 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭에 해당한다. 상승 에지 트리거형 D-플립 플롭은 클록 신호(CLK)의 상승 에지마다 논리 하이에서 논리 로우로 또는 논리 로우에서 논리 하이로 저장 상태가 역전되는 토글링 동작을 수행한다. A flip-flop whose logic state changes in synchronization with the edge of a signal applied to the control terminal CK as described above is called an edge-triggered type, and the D-flip-flop of FIG. 18 is a rising-edge-triggered D-flip. corresponds to the flop. The rising-edge triggered D-flip-flop performs a toggling operation in which the storage state is reversed from a logic high to a logic low or from a logic low to a logic high every rising edge of the clock signal CLK.
한편, 제1 스위치(113)를 NMOS 타입으로 하고 제2 스위치(116)를 PMOS 타입으로 함으로써 하강 에지 트리거형 D-플립 플롭을 구현할 수 있다. 또한 제1 스위치(113) 및 제2 스위치(116)의 타입을 바꾸는 대신에 원래 신호의 반전된 신호를 제어 단자(CK)에 인가하는 방식으로 하강 에지 트리거형 D-플립 플롭을 구현할 수 있다.Meanwhile, a falling-edge triggered D-flip-flop may be implemented by using the
이러한 토글링 동작을 수행하는 플립 플롭들을 이용하여 전술한 바와 같이, 90도의 위상차를 갖는 제1 복조 클록 신호(CKX) 및 제2 복조 클록 신호(CKY)를 발생할 수 있다.As described above, the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY having a phase difference of 90 degrees may be generated using flip-flops performing the toggling operation.
도 19는 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함하는 집적 회로를 나타내는 블록도이다.19 is a block diagram illustrating an integrated circuit including a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention.
도 19를 참조하면, 집적 회로(50)는 록인 증폭기(LIA)(10), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(60) 및 제어부(CTRL)(70)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 19 , the
도 19의 집적 회로(50)는 하나의 반도체 다이(semiconductor die)를 이용하여 동시에 형성되는 반도체 집적 회로일 있다. 집적 회로(50)는 하나의 칩으로 패키징될 수 있다.The
록인 증폭기(10)는 입력 신호(SI)를 수신하고 출력 신호(SO)를 발생한다. 출력 신호(SO)는 동작 모드에 따른 전압 레벨을 갖는 전압 신호일 수 있다. 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 바와 같이 록인 증폭기(10)는 클록 신호 발생부 및 검출부를 포함한다. 상기 클록 신호 발생부는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생한다. 상기 검출부는 입력 신호(SI), 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공한다.The lock-in
아날로그-디지털 컨버터(60)는 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 각각 디지털 값들로 변환한다. 아날로그-디지털 컨버터(60)는 제어부(70)의 제어에 따라서 록인 증폭기(10)의 출력을 적절한 시점에서 샘플링할 수 있다. 도 9 및 도 12의 타이밍도들에 도시된 바와 같이, 저역 통과 필터의 시정수에 따라서 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)이 실질적인 직류 전압으로 안정화되기 위해서는 일정한 시간이 필요할 수 있다. 제어부(70)는 이러한 안정화 시간을 고려하여 아날로그-디지털 컨버터(60)가 록인 증폭기(10)의 출력을 샘플링하는 타이밍을 결정할 수 있다. 안정화 이후 일정구간의 시간 동안 아날로그-디지털 컨버터(60)가 N번 샘플링하고 그 출력을 모두 더한 후 N으로 나누어 평균을 구하는 평균 필터링을 할 수 있다.The analog-to-
제어부(70)는 록인 증폭기(10) 및 아날로그-디지털 컨버터(60)를 제어하고 상기 디지털 값들에 기초하여 입력 신호(SI)의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산한다. 이를 위하여, 제어부(70)는 마이크로 프로세서, 내장 메모리 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술한 모드 신호(MD), 클록 선택 신호(SEL) 등은 제어부(70)로부터 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 록인 증폭기(10)는 도 6 및 도 9를 참조하여 전술한 바와 같이 싱글 신호 채널의 구조를 가질 수 있고, 이 경우 제어부(70)는 수학식 5에 의해 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 계산할 수 있다. 다른 실시예에서, 록인 증폭기(10)는 도 11 및 도 12를 참조하여 전술한 바와 같이 더블 신호 채널의 구조를 가질 수 있고, 이 경우 제어부(70)는 수학식 10에 의해 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 계산할 수 있다.The
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기 및 이를 포함하는 집적 회로는, 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 2개의 복조 클록 신호들을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들(In-Phase 성분과 Quadrature 성분)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기 및 이를 포함하는 집적 회로는, 록인 증폭기의 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.As described above, the lock-in amplifier and the integrated circuit including the same according to embodiments of the present invention include two orthogonal two demodulated clock signals having the same demodulation frequency and having a phase difference of 90 degrees regardless of the phase of the input signal. By detecting the components (In-Phase component and Quadrature component) and using them to calculate the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal, the phase adjustment circuit and the feedback circuit for the conventional phase lock-in are eliminated, and the configuration is simplified and the size is reduced. can be implemented as In addition, the lock-in amplifier and the integrated circuit including the same according to embodiments of the present invention can extract the offset voltage representing the offset of the internal circuit of the lock-in amplifier to accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal.
도 20은 본 발명의 실시예들에 따른 신호 측정 방법을 나타내는 순서도이다.20 is a flowchart illustrating a signal measuring method according to embodiments of the present invention.
도 1, 2, 19 및 20을 참조하면, 집적 회로(50)는 포함된 록인 증폭기(10)를 이용하여 오프셋 전압(VOS)을 측정한다(단계 S100). 전술한 바와 같이, 오프셋 전압(VOS)은 록인 증폭기(10)로 인가되는 입력 신호(SI)가 차단된 상태에서 출력되는 출력 신호(SO)의 전압 레벨에 상응할 수 있다. 또한 집적 회로(50)는 록인 증폭기(10)를 이용하여 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)을 측정한다(단계 S200, S300). 전술한 바와 같이, 제1 출력 전압(VOX)은 제1 복조 클록 신호(CKX)와 입력 신호(SI)를 믹싱 또는 승산하는 경우의 출력 신호(SO)의 전압 레벨에 상응하고, 제2 출력 전압(VOY)은 제1 복조 클록 신호(CKX)와 90도의 위상차를 갖는 제2 복조 클록 신호(CKY)와 입력 신호(SI)를 믹싱 또는 승산하는 경우의 출력 신호(SO)의 전압 레벨에 상응할 수 있다.1, 2, 19 and 20, the
아날로그-디지털 컨버터(60)는 이와 같이 측정된 아날로그 직류 전압들은 디지털 값들로 각각 변환한다. 집적 회로(50)의 제어부(70)는 상기 디지털 값들에 기초하여 입력 신호(SI)의 복조 주파수 성분의 크기(Vo)를 계산한다(단계 S400). 복조 주파수 성분의 크기(Vo)의 계산은 수학식 1 내지 10을 참조하여 설명한 바와 같다.The analog-to-
도 20에는 오프셋 전압(VOS), 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)이 순차적으로 측정되는 것으로 도시되어 있으나, 상기 전압들의 측정 순서는 다양하게 변경될 수 있다. 실시예에 따라서, 더블 신호 채널의 구조를 채택하는 경우에는 제1 출력 전압(VOX) 및 제2 출력 전압(VOY)이 동시에 측정될 수도 있다.Although it is illustrated that the offset voltage VOS, the first output voltage VOX, and the second output voltage VOY are sequentially measured in FIG. 20 , the measuring order of the voltages may be variously changed. According to an embodiment, when the structure of the double signal channel is adopted, the first output voltage VOX and the second output voltage VOY may be simultaneously measured.
도 21은 본 발명의 일 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함하는 휴대용 측정 장치를 나타내는 블록도이다.21 is a block diagram illustrating a portable measurement device including a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention.
도 21을 참조하면, 휴대용 측정 장치(900)는 변조기(MOD)(910), 센서(SEN)(920) 및 집적 회로 칩(50)을 포함할 수 있다. 도 21에는 피검사체(OBJ)(90)가 편의상 함께 도시되어 있다.Referring to FIG. 21 , the
변조기(910)는 변조 클록 신호에 기초하여 변조 신호(SM1)를 발생한다. 센서(920)는 변조 신호(SM1)와 피검사체(90)의 상호 반응에 의해 발생된 신호(SM2)를 센싱하여 입력 신호(SI)를 발생한다. 일 실시예에서, 변조기(910)는 레이저 다이오드로 구현될 수 있고 센서(920)는 포토다이오드로 구현될 수 있다. 이 경우, 센서(920)로 입력되는 신호(SM2)는 피검사체(90)에 의한 변조 신호(SM1)의 투과파, 반사파, 굴절파, 산란파 등을 포함할 수 있다.The
센서(920)는 입력 신호(SI)로서 전압 신호 또는 전류 신호를 제공할 수 있다. 입력 신호(SI)가 전류 신호인 경우에는 집적 회로 칩(50)은 입력 신호(SI)를 전압 신호로 변환하여 록인 증폭기(10)에 제공하기 위한 전류-전압 컨버터를 포함할 수 있다.The
집적 회로 칩(50)은 도 19를 참조하여 설명한 바와 같이 록인 증폭기(LIA)(10), 아날로그-디지털 컨버터(ADC)(60) 및 제어부(CTRL)(70)를 포함할 수 있다. 도 1 내지 도 18을 참조하여 설명한 바와 같이 록인 증폭기(10)는 클록 신호 발생부 및 검출부를 포함한다. 상기 클록 신호 발생부는 90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생한다. 상기 검출부는 입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공한다. 아날로그-디지털 컨버터(60)는 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 각각 디지털 값들로 변환한다. 제어부(70)는 록인 증폭기(10) 및 아날로그-디지털 컨버터(60)를 제어하고 상기 디지털 값들에 기초하여 입력 신호(SI)의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산한다. The
휴대용 측정 장치(900)는 작은 사이즈 및 낮은 전력 소모가 요구되는 임의의 측정 장치 일 수 있다. 예를 들어, 휴대용 측정 장치(900)는 혈당계, 혈압계, 전자코와 같은 다양한 신호 측정 장치일 수 있다.The
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖는 2개의 복조 클록 신호들을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들(In-Phase 성분과 Quadrature 성분)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 록인 증폭기의 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.As described above, the lock-in amplifier, the integrated circuit and the portable measuring device including the same according to the embodiments of the present invention, use two demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees regardless of the phase of the input signal, using two orthogonal two components. The phase adjustment circuit and the feedback circuit for the conventional phase lock-in are eliminated by detecting the in-phase components and quadrature components and using them to calculate the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal, and with a simplified configuration and reduced size. can be implemented. In addition, the lock-in amplifier, the integrated circuit including the same, and the portable measurement device according to the embodiments of the present invention extract the offset voltage representing the offset of the internal circuit of the lock-in amplifier to accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal. have.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 포함하는 컴퓨팅 시스템을 나타내는 블록도이다.22 is a block diagram illustrating a computing system including a measurement device according to an embodiment of the present invention.
도 22를 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1000)은 프로세서(1010), 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 입출력 장치(1040), 파워 서플라이(1050) 및 신호 측정 장치(MSRM)(900)를 포함할 수 있다. 한편, 도 22에는 도시되지 않았지만, 컴퓨팅 시스템(1000)은 비디오 카드, 사운드 카드, 메모리 카드, USB 장치 등과 통신하거나, 또는 다른 전자 기기들과 통신할 수 있는 포트(port)들을 더 포함할 수 있다. Referring to FIG. 22 , the
프로세서(1010)는 특정 계산들 또는 태스크(task)들을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 마이크로프로세서(micro-processor), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)일 수 있다. 프로세서(1010)는 어드레스 버스(address bus), 제어 버스(control bus) 및 데이터 버스(data bus)를 통하여 메모리 장치(1020), 저장 장치(1030), 촬영 장치(900) 및 입출력 장치(1040)와 통신을 수행할 수 있다. 실시예에 따라, 프로세서(1010)는 주변 구성요소 상호연결(Peripheral Component Interconnect; PCI) 버스와 같은 확장 버스에도 연결될 수 있다. 메모리 장치(1020)는 컴퓨팅 시스템(1000)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리 장치(1020)는 디램(DRAM), 모바일 디램, 에스램(SRAM), 피램(PRAM), 에프램(FRAM), 알램(RRAM) 및/또는 엠램(MRAM)으로 구현될 수 있다. 저장 장치(1030)는 솔리드 스테이트 드라이브(solid state drive), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive), 씨디롬(CD-ROM) 등을 포함할 수 있다. 입출력 장치(1040)는 키보드, 키패드, 마우스 등과 같은 입력 수단 및 프린터, 디스플레이 등과 같은 출력 수단을 포함할 수 있다. 파워 서플라이(1050)는 전자 기기(1000)의 동작에 필요한 동작 전압을 공급할 수 있다. The
신호 측정 장치(900)는 도 1 내지 18을 참조하여 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함할 수 있다. 상기 록인 증폭기 및 이를 포함하는 신호 측정 장치(900)는, 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖는 2개의 복조 클록 신호들을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들(In-Phase 성분과 Quadrature 성분)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 상기 록인 증폭기 및 이를 포함하는 신호 측정 장치(900)는, 록인 증폭기의 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.The
컴퓨팅 시스템(1000)은 다양한 형태들의 패키지로 구현될 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)의 적어도 일부의 구성들은 PoP(Package on Package), Ball grid arrays(BGAs), Chip scale packages(CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier(PLCC), Plastic Dual In-Line Package(PDIP), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, Chip On Board(COB), Ceramic Dual In-Line Package(CERDIP), Plastic Metric Quad Flat Pack(MQFP), Thin Quad Flatpack(TQFP), Small Outline(SOIC), Shrink Small Outline Package(SSOP), Thin Small Outline(TSOP), Thin Quad Flatpack(TQFP), System In Package(SIP), Multi Chip Package(MCP), Wafer-level Fabricated Package(WFP), Wafer-Level Processed Stack Package(WSP) 등과 같은 패키지들을 이용하여 실장될 수 있다. The
한편, 컴퓨팅 시스템(1000)은 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함하는 모든 컴퓨팅 시스템으로 해석되어야 할 것이다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(1000)은 디지털 카메라, 이동 전화기, 피디에이(Personal Digital Assistants; PDA), 피엠피(Portable Multimedia Player; PMP), 스마트폰 등을 포함할 수 있다. Meanwhile, the
도 23은 도 22의 컴퓨팅 시스템에서 사용되는 인터페이스의 일 예를 나타내는 블록도이다. 23 is a block diagram illustrating an example of an interface used in the computing system of FIG. 22 .
도 23을 참조하면, 컴퓨팅 시스템(1100)은 MIPI 인터페이스를 사용 또는 지원할 수 있는 데이터 처리 장치로 구현될 수 있고, 어플리케이션 프로세서(1110), 이미지 센서(1140) 및 디스플레이(1150) 등을 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 CSI 호스트(1112)는 카메라 시리얼 인터페이스(Camera Serial Interface; CSI)를 통하여 이미지 센서(1140)의 CSI 장치(1141)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, CSI 호스트(1112)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있고, CSI 장치(1141)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있다. 어플리케이션 프로세서(1110)의 DSI 호스트(1111)는 디스플레이 시리얼 인터페이스(Display Serial Interface; DSI)를 통하여 디스플레이(1150)의 DSI 장치(1151)와 시리얼 통신을 수행할 수 있다. Referring to FIG. 23 , the
일 실시예에서, DSI 호스트(1111)는 시리얼라이저(SER)를 포함할 수 있고, DSI 장치(1151)는 디시리얼라이저(DES)를 포함할 수 있다. 나아가, 컴퓨팅 시스템(1100)은 어플리케이션 프로세서(1110)와 통신을 수행할 수 있는 알에프(Radio Frequency; RF) 칩(1160)을 더 포함할 수 있다. 컴퓨팅 시스템(1100)의 PHY(1113)와 RF 칩(1160)의 PHY(1161)는 MIPI(Mobile Industry Processor Interface) DigRF에 따라 데이터 송수신을 수행할 수 있다. 또한, 어플리케이션 프로세서(1110)는 PHY(1161)의 MIPI DigRF에 따른 데이터 송수신을 제어하는 DigRF MASTER(1114)를 더 포함할 수 있다. In an embodiment, the
한편, 컴퓨팅 시스템(1100)은 지피에스(Global Positioning System; GPS)(1120), 스토리지(1170), 마이크(1180), 디램(Dynamic Random Access Memory; DRAM)(1185) 및 스피커(1190)를 포함할 수 있다. 또한 컴퓨팅 시스템(1100)은 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기를 포함하는 신호 측정 장치(MSRM)(900)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨팅 시스템(1100)은 초광대역(Ultra WideBand; UWB)(1210), 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)(1220) 및 와이맥스(Worldwide Interoperability for Microwave Access; WIMAX)(1230) 등을 이용하여 통신을 수행할 수 있다. 다만, 컴퓨팅 시스템(1100)의 구조 및 인터페이스는 하나의 예시로서 이에 한정되는 것이 아니다. Meanwhile, the
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 입력 신호의 위상에 관계없이 90도의 위상차를 갖는 2개의 복조 클록 신호들을 이용하여 직교하는 두 개의 성분들(In-Phase 성분과 Quadrature 성분)을 검출하고 이를 이용하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 계산함으로써 종래의 위상 록인을 위한 위상 조정 회로 및 피드백 회로를 제거하고 단순화된 구성 및 감소된 크기로 구현될 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기는 복수의 플립 플롭들을 이용하여 90도의 위상차를 갖는 복조 클록 신호들을 제공함으로써 더욱 감소된 크기 및 전력 소모를 가질 수 있고, 휴대용 장치에 효율적으로 이용될 수 있다.As described above, the lock-in amplifier, the integrated circuit, and the portable measurement device including the lock-in amplifier according to the embodiments of the present invention use two demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees regardless of the phase of the input signal to be orthogonal to each other. By detecting two components (in-phase component and quadrature component) and using them to calculate the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal, the phase adjustment circuit and feedback circuit for the conventional phase lock-in are eliminated, and the simplified configuration and reduced size can be implemented. In addition, the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention provides demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees using a plurality of flip-flops, so that the size and power consumption can be further reduced, and can be efficiently used in portable devices. have.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 록인 증폭기의 내부 회로의 오프셋을 나타내는 오프셋 전압을 추출하여 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.In addition, the lock-in amplifier, the integrated circuit and the portable measuring device including the same according to the embodiments of the present invention extract the offset voltage representing the offset of the internal circuit of the lock-in amplifier to accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal. can
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치는, 하나의 믹서를 포함하는 단일 신호 채널을 이용하여 동작 모드 별로 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 순차적으로 발생함으로써, 종래의 채널들 간의 미스매치를 방지하고 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기를 정확하게 제공할 수 있다.In addition, the lock-in amplifier, the integrated circuit including the same, and the portable measurement device according to the embodiments of the present invention sequentially apply the first output voltage and the second output voltage for each operation mode using a single signal channel including one mixer. , it is possible to prevent mismatch between the conventional channels and accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal.
본 발명의 실시예들은 작은 사이즈 및 낮은 전력 소모가 요구되는 신호 측정 장치 및 이를 포함하는 시스템에 유용하게 이용될 수 있다. 특히 본 발명의 실시예들은 혈당계, 혈압계, 전자코(electronic nose) 등과 같은 신호 측정 장치 및 이를 포함하는 핸드폰(cellular phone), 스마트폰(smart phone), 웨어러블(wearable) 기기 등과 같은 휴대용 전자 기기에 더욱 유용하게 적용될 수 있다.Embodiments of the present invention may be usefully used in a signal measuring apparatus requiring a small size and low power consumption and a system including the same. In particular, embodiments of the present invention are applied to a signal measuring device such as a blood glucose meter, a blood pressure monitor, an electronic nose, and the like, and a portable electronic device such as a cellular phone, a smart phone, and a wearable device including the same. It can be applied more usefully.
상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. you will understand that you can
10: 록인 증폭기
20: 검출부
30: 클록 신호 발생부
100: 입력부
200: 증폭부
300: 믹서부
400: 필터부10: lock-in amplifier
20: detection unit
30: clock signal generator
100: input unit
200: amplification unit
300: mixer unit
400: filter unit
Claims (20)
입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공하는 검출부를 포함하고,
상기 검출부는, 적어도 하나의 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하는 록인 증폭기(lock-in amplifier).a clock signal generator which has a phase difference of 90 degrees and generates a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having the same demodulation frequency; and
Based on an input signal, the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal, an offset voltage corresponding to an offset of an internal circuit is provided in a first operation mode, and a demodulation frequency component of the input signal in a second operation mode is provided. A detector for providing a first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude,
The detector may include at least one mixer to sequentially generate the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage for each operation mode.
상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기는 하기의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.
Vo=[(VOX-VOS)2+(VOY-VOS)2]1/2
여기서 Vo은 상기 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 록인 증폭기의 출력, VOX는 상기 제1 출력 전압, VOY는 상기 제2 출력 전압, VOS는 상기 오프셋 전압.The method of claim 1,
The lock-in amplifier, characterized in that the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal is determined by the following equation.
Vo=[(VOX-VOS) 2 +(VOY-VOS) 2 ] 1/2
where Vo is the output of the lock-in amplifier corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component, VOX is the first output voltage, VOY is the second output voltage, and VOS is the offset voltage.
상기 검출부는, 제1 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 제1 오프셋 전압 및 상기 제1 출력 전압을 순차적으로 발생하고 제2 믹서를 이용하여 제2 오프셋 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 1,
The detection unit sequentially generates a first offset voltage and the first output voltage for each operation mode using a first mixer and sequentially generates a second offset voltage and the second output voltage using a second mixer Features a lock-in amplifier.
상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기는 하기의 수학식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.
Vo=[(VOX-VOSX)2+(VOY-VOSY)2]1/2
여기서 Vo은 상기 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 록인 증폭기의 출력, VOX는 상기 제1 출력 전압, VOY는 상기 제2 출력 전압, VOSX는 상기 제1 오프셋 전압, VOSY는 상기 제2 오프셋 전압.5. The method of claim 4,
The lock-in amplifier, characterized in that the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal is determined by the following equation.
Vo=[(VOX-VOSX) 2 +(VOY-VOSY) 2 ] 1/2
where Vo is the output of the lock-in amplifier corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component, VOX is the first output voltage, VOY is the second output voltage, VOSX is the first offset voltage, and VOSY is the second offset voltage.
상기 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호를 증폭하여 증폭 신호를 출력하는 증폭부;
상기 제2 동작 모드에서 상기 증폭 신호를 상기 제1 복조 클록 신호와 승산하여 제1 정류 신호를 발생하고 상기 증폭 신호를 상기 제2 복조 클록 신호와 승산하여 제2 정류 신호를 발생하는 믹서부; 및
상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 정류 신호를 필터링하여 상기 제1 출력 전압을 발생하고 상기 제2 정류 신호를 필터링하여 상기 제2 출력 전압을 발생하는 필터부를 포함하는 록인 증폭기.According to claim 1, wherein the detection unit,
an amplifying unit amplifying the input signal in the second operation mode and outputting an amplified signal;
a mixer unit for generating a first rectified signal by multiplying the amplified signal with the first demodulated clock signal in the second operation mode and generating a second rectified signal by multiplying the amplified signal with the second demodulated clock signal; and
and a filter unit configured to generate the first output voltage by filtering the first rectified signal in the second operation mode and to generate the second output voltage by filtering the second rectified signal.
상기 증폭 신호를 수신하는 제1 입력 단자, 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 복조 클록 신호와 상기 제2 복조 클록 신호를 순차적으로 수신하는 제2 입력 단자 및 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 정류 신호와 상기 제2 정류 신호를 순차적으로 출력하는 출력 단자를 갖는 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 6, wherein the mixer unit,
A first input terminal for receiving the amplified signal, a second input terminal for sequentially receiving the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal in the second operation mode, and the first rectification in the second operation mode A lock-in amplifier comprising a mixer having an output terminal for sequentially outputting a signal and the second rectified signal.
상기 믹서의 상기 출력 단자에 연결되어 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 출력 전압과 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하는 저역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 7, wherein the filter unit,
and a low pass filter coupled to the output terminal of the mixer for sequentially generating the first output voltage and the second output voltage in the second mode of operation.
상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호 중 하나를 선택하여 상기 믹서의 상기 제2 입력 단자에 제공하는 클록 선택부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.8. The method of claim 7,
and a clock selector which selects one of the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal and provides it to the second input terminal of the mixer.
상기 증폭 신호를 수신하는 제1 입력 단자, 상기 제1 복조 클록 신호를 수신하는 제2 입력 단자 및 상기 제1 정류 신호를 출력하는 제1 출력 단자를 갖는 제1 믹서; 및
상기 증폭 신호를 수신하는 제3 입력 단자, 상기 제2 복조 클록 신호를 수신하는 제4 입력 단자 및 상기 제2 정류 신호를 출력하는 제2 출력 단자를 갖는 제2 믹서를 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 6, wherein the mixer unit,
a first mixer having a first input terminal for receiving the amplified signal, a second input terminal for receiving the first demodulated clock signal, and a first output terminal for outputting the first rectified signal; and
and a second mixer having a third input terminal for receiving the amplified signal, a fourth input terminal for receiving the second demodulated clock signal, and a second output terminal for outputting the second rectified signal. amplifier.
상기 제1 믹서의 상기 제1 출력 단자에 연결되어 상기 제1 동작 모드에서 제1 오프셋 전압을 발생하고 상기 제2 동작 모드에서 상기 제1 출력 전압을 발생하는 제1 저역 통과 필터; 및
상기 제2 믹서의 상기 제2 출력 단자에 연결되어 상기 제1 동작 모드에서 제2 오프셋 전압을 발생하고 상기 제2 동작 모드에서 상기 제2 출력 전압을 발생하는 제2 저역 통과 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 10, wherein the filter unit,
a first low-pass filter coupled to the first output terminal of the first mixer to generate a first offset voltage in the first mode of operation and to generate the first output voltage in the second mode of operation; and
and a second low pass filter coupled to the second output terminal of the second mixer to generate a second offset voltage in the first mode of operation and to generate the second output voltage in the second mode of operation. A lock-in amplifier with
모드 신호에 응답하여 상기 제1 동작 모드에서 상기 증폭부에 인가되는 상기 입력 신호를 차단하는 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 6, wherein the detection unit,
The lock-in amplifier further comprising an input unit for blocking the input signal applied to the amplifier unit in the first operation mode in response to a mode signal.
상기 모드 신호가 활성화되어 상기 증폭부에 인가되는 상기 입력 신호가 상기 입력부에 의해 차단되는 동안에 상기 필터부는 상기 오프셋 전압을 발생하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.13. The method of claim 12,
and the filter unit generates the offset voltage while the mode signal is activated and the input signal applied to the amplifier is blocked by the input unit.
상기 복조 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호에 기초하여 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 복수의 플립 플롭들을 포함하는 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 1, wherein the clock signal generator comprises:
and a plurality of flip-flops for generating the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal based on a reference clock signal having a frequency that is an integer multiple of the demodulation frequency.
클록 단자로 기준 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 제1 클록 신호를 발생하고, 상기 반전 출력 단자로 제2 클록 신호를 발생하는 제1 플립 플롭;
클록 단자로 상기 제1 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제1 복조 클록 신호를 발생하는 제2 플립 플롭; 및
클록 단자로 상기 제2 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 제3 플립 플롭을 포함하고,
상기 기준 클록 신호의 주파수는 상기 복조 주파수의 네 배인 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 1, wherein the clock signal generator comprises:
a first flip-flop receiving a reference clock signal at a clock terminal, a data terminal coupled to an inverting output terminal, generating a first clock signal at a non-inverting output terminal, and generating a second clock signal at the inverting output terminal;
a second flip-flop receiving the first clock signal at a clock terminal, a data terminal coupled to an inverting output terminal, and generating the first demodulated clock signal at a non-inverting output terminal; and
a third flip-flop receiving the second clock signal at a clock terminal, a data terminal coupled to an inverting output terminal, and generating the second demodulated clock signal at a non-inverting output terminal;
and the frequency of the reference clock signal is four times the demodulation frequency.
클록 단자로 기준 클록 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제1 복조 클록 신호를 발생하는 제1 플립 플롭; 및
클록 단자로 상기 기준 클록 신호의 반전 신호를 수신하고, 데이터 단자가 반전 출력 단자에 연결되고, 비반전 출력 단자로 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 제2 플립 플롭을 포함하고,
상기 기준 클록 신호의 주파수는 상기 복조 주파수의 두 배인 것을 특징으로 하는 록인 증폭기.The method of claim 1, wherein the clock signal generator comprises:
a first flip-flop receiving a reference clock signal at a clock terminal, a data terminal coupled to an inverting output terminal, and generating the first demodulated clock signal at a non-inverting output terminal; and
a second flip-flop receiving an inverted signal of the reference clock signal at a clock terminal, a data terminal coupled to an inverting output terminal, and generating the second demodulated clock signal at a non-inverting output terminal;
and the frequency of the reference clock signal is twice the demodulation frequency.
입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공하는 검출부;
상기 오프셋 전압, 상기 제2 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 각각 디지털 값들로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터; 및
상기 클록 신호 발생부, 상기 검출부 및 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하고 상기 디지털 값들에 기초하여 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산하는 제어부를 포함하고,
상기 검출부는, 적어도 하나의 믹서를 이용하여 동작 모드 별로 상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 순차적으로 발생하는 집적 회로.a clock signal generator which has a phase difference of 90 degrees and generates a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having the same demodulation frequency;
Based on an input signal, the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal, an offset voltage corresponding to an offset of an internal circuit is provided in a first operation mode, and a demodulation frequency component of the input signal in a second operation mode is provided. a detection unit providing a first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude;
an analog-to-digital converter converting the offset voltage, the second output voltage, and the second output voltage into digital values, respectively; and
a control unit for controlling the clock signal generating unit, the detecting unit, and the analog-to-digital converter, and calculating the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal based on the digital values;
The detector may be configured to sequentially generate the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage for each operation mode using at least one mixer.
상기 변조 신호와 피검사체의 상호 반응에 의해 발생된 신호를 센싱하여 입력 신호를 발생하는 센서;
90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생하는 클록 신호 발생부;
상기 입력 신호, 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호에 기초하여, 제1 동작 모드에서 내부 회로의 오프셋에 상응하는 오프셋 전압을 제공하고 제2 동작 모드에서 상기 입력 신호의 복조 주파수 성분의 크기에 상응하는 제1 출력 전압 및 제2 출력 전압을 제공하는 검출부;
상기 오프셋 전압, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압을 각각 디지털 값들로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터; 및
상기 클록 신호 발생부, 상기 검출부 및 상기 아날로그-디지털 컨버터를 제어하고 상기 디지털 값들에 기초하여 상기 입력 신호의 상기 복조 주파수 성분의 크기를 계산하는 제어부를 포함하는 휴대용 측정 장치.a modulator for generating a modulated signal based on the modulated clock signal;
a sensor for generating an input signal by sensing a signal generated by a mutual reaction between the modulated signal and the subject;
a clock signal generator which has a phase difference of 90 degrees and generates a first demodulated clock signal and a second demodulated clock signal having the same demodulation frequency;
Based on the input signal, the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal, an offset voltage corresponding to an offset of an internal circuit is provided in a first operation mode, and a demodulation frequency component of the input signal in a second operation mode a detection unit providing a first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude of ;
an analog-to-digital converter converting the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage into digital values, respectively; and
and a controller controlling the clock signal generator, the detector, and the analog-to-digital converter, and calculating the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal based on the digital values.
상기 복조 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 기준 클록 신호에 기초하여 상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호를 발생하는 복수의 플립 플롭들을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 측정 장치.The method of claim 18, wherein the clock signal generator comprises:
and a plurality of flip-flops for generating the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal based on a reference clock signal having a frequency that is an integer multiple of the demodulation frequency.
상기 제1 복조 클록 신호 및 상기 제2 복조 클록 신호 중 적어도 하나는 상기 변조기에 상기 변조 클록 신호로서 제공되는 것을 특징으로 하는 휴대용 측정 장치.19. The method of claim 18,
and at least one of the first demodulated clock signal and the second demodulated clock signal is provided to the modulator as the modulated clock signal.
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