KR102442809B1 - Lock-in amplifier, integrated circuit and portable measurement device including the same - Google Patents

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KR102442809B1 KR1020150176565A KR20150176565A KR102442809B1 KR 102442809 B1 KR102442809 B1 KR 102442809B1 KR 1020150176565 A KR1020150176565 A KR 1020150176565A KR 20150176565 A KR20150176565 A KR 20150176565A KR 102442809 B1 KR102442809 B1 KR 102442809B1
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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

록인 증폭기, 이를 포함하는 집적 회로 및 휴대용 측정 장치{Lock-in amplifier, integrated circuit and portable measurement device including the same}Lock-in amplifier, integrated circuit and portable measurement device including the same

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 amplifier 10 includes a detector (DET) 20 and a clock signal generator (CKGEN) 30 .

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 clock signal generator 30 generates a first demodulated clock signal CKX and a second demodulated clock signal CKY having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency. In an embodiment, the clock signal generator 30 may generate a first demodulated clock signal CKX and a second demodulated clock signal CKY using a plurality of flip-flops. Embodiments of the clock signal generator 30 will be described later with reference to FIGS. 13 to 18 .

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 detector 20 generates an output signal SO based on the input signal SI, the first demodulated clock signal CKX, and the second demodulated clock signal CKY. The detector 20 may provide the offset voltage VOS, the first output voltage VOX, and the second output voltage VOY through the output signal SO. The detector 20 provides an offset voltage VOS corresponding to the offset of the internal circuit in the first operation mode OM1 and corresponds to the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal SI in the second operation mode OM2. A first output voltage VOX and a second output voltage VOY may be provided.

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 detection unit 20 uses a single signal channel including one mixer to generate an offset voltage VOS, a first output voltage VOX, and a second output voltage VOX. Two output voltages VOY may be sequentially provided. In another embodiment, as will be described later with reference to FIGS. 11 and 12 , the detection unit 20 uses a first signal channel including a first mixer to obtain a first offset voltage VOSX and a first output voltage VOX. ) may be sequentially provided, and the second offset voltage VOSY and the second output voltage VOY may be sequentially provided using the second signal channel including the second mixer.

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 detection unit 20 may include an input unit 100 , an amplifier (AMP) 200 , a mixer unit (MX) 300 , and a filter unit (FLT) 400 .

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 input unit 100 may block the input signal SI applied to the amplifier 200 in the first operation mode OM1 in response to the mode signal MD. The input unit 100 is a switch that is opened when the mode signal MD is a first logic level (eg, a logic low level) and closed when it is a second logic level (eg, a logic high level) (SW) may be included. When the mode signal MD is at the first logic level, it may correspond to the first operation mode OM1 and may correspond to the second operation mode OM2 when it is at the second logic level. In the first operation mode OM1 , the input signal SI may be blocked and the detector 20 may provide the offset voltage VOS through the output signal SO. In the second operation mode OM2 , the input signal SI may be transmitted, and the detector 20 may provide the first output voltage VOX and the second output voltage VOY through the output signal S0 . In FIG. 2 , the input unit 100 is shown as a separate component and disposed at the front end of the amplifying unit 200 , but the input unit 100 may be included in the amplifying unit 200 .

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 amplifier 200 amplifies the input signal SI in the second operation mode OM2 and outputs the amplified signal SA. The gain and configuration of the amplifier 200 may be variously implemented according to the lock-in amplifier 10 .

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 mixer unit 300 multiplies the amplified signal SA by the first demodulated clock signal CKX in the second operation mode OM2 to generate a first rectified signal SRX and performs a second demodulation of the amplified signal SA. A second rectified signal SRY is generated by multiplying the clock signal CKY. The filter unit 400 may filter the first rectified signal SRX to generate a first output voltage VOX, and filter the second rectified signal SRY to generate a second output voltage VOY. In an embodiment, as will be described later with reference to FIGS. 6 and 9 , the mixer unit 300 uses a single mixer in the second operation mode OM2 for the first rectified signal SRX and the second rectified signal. SRY may be sequentially provided, and the filter unit 400 may sequentially provide the first output voltage VOX and the second output voltage VOY using one low-pass filter. In another embodiment, as will be described later with reference to FIGS. 11 and 12 , the mixer unit 300 uses two mixers in the second operation mode OM2 to obtain a first rectified signal SRX and a second rectified signal. SRY is provided, and the filter unit 400 may provide the first output voltage VOX and the second output voltage VOY using two low-pass filters, respectively.

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 input unit 100 includes a capacitor Cd and a transistor TN connected between a first node N1 to which an input signal SI is applied and a second node corresponding to the input of the amplifier 200 . ) may be included.

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 amplifier 200 may include one or more operational amplifiers 210 and 220 connected between the second node N2 and the third node N3 . The operational amplifiers 210 and 220 may be implemented as a low noise amplifier (LNA). Input resistors R1 and R3 may be respectively connected to negative terminals (−) of the operational amplifiers 210 and 220 , and a common mode voltage VCM may be applied to positive terminals (+). Each of the capacitors C1 and C2 and each of the feedback resistors R2 and R4 may be connected in parallel on the feedback path of the operational amplifiers 210 and 220 . A portion of the feedback resistor R4 may be implemented as a variable resistor, and the gain of the amplifier 200 may be adjusted by adjusting the resistance value of the variable resistor R4 . 4 illustrates an example in which the amplifying unit 200 is implemented in two stages, the configuration and the number of stages of the amplifying unit 200 may be variously changed.

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 mode voltage generator 230 may include division resistors Ru and Rd, a capacitor Cg, and an operational amplifier 232 . The operational amplifier 230 may be implemented as a low noise amplifier (LNA). The distribution resistors Ru and Rd may be connected in series between the power supply voltage VDD and the ground. A negative terminal (−) of the operational amplifier 232 may be connected to an output generating a common mode voltage VCM, and a positive terminal (+) may be connected to a node between the distribution resistors Ru and Rd. The capacitor Cg may be connected between the positive terminal (+) of the operational amplifier 232 and the ground.

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 operational amplifier 232 may operate as a unity-gain amplifier and may provide a voltage divided by the division resistors Ru and Rd as a common mode voltage VCM. For example, resistance values of the distribution resistors Ru and Rd are the same, and in this case, the common mode voltage VCM may correspond to a half (VDD/2) of the power supply voltage VDD.

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 mixer unit 310 may include one mixer 320 and a clock selector (MUX) 330 , and the filter unit 410 includes one low pass filter (LPF). filter) may be included.

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 mixer 320 includes a first input terminal for receiving the amplified signal SA provided from the amplifier 200 , and a first demodulated clock signal CKX and a second demodulated clock signal CKY in a second operation mode OM2 . ) and an output terminal sequentially outputting the first rectified signal SRX and the second rectified signal SRY in the second operation mode OM2. That is, the first rectified signal SRX and the second rectified signal SRY may correspond to one rectified signal SR provided for each operation mode through one output terminal.

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 clock selector 330 selects one of the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY in response to the clock select signal SEL and selects it to the second input terminal of the mixer 320 . It may be provided as the clock signal CKS. Although the clock selector 330 is illustrated as being included in the mixer unit 310 in FIG. 6 , the clock selector 330 may be included in the clock signal generator 30 of FIG. 1 according to an exemplary embodiment.

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-pass filter 410 is connected to the output terminal of the mixer 320 to generate the offset voltage VOS in the first operation mode OM1, and the first output voltage VOX and The second output voltage VOY is sequentially generated. That is, the low-pass filter 410 may sequentially provide the offset voltage VOS, the first output voltage VOX, and the second output voltage VOY for each operation mode through one output signal SO. As described above, in the first operation mode OM1 in which the input signal SI is blocked, the low-pass filter 410 generates the offset voltage VOS. For example, the low-pass filter 410 may include one or more RC filters. The operation of the lock-in amplifier adopting the structure of the single signal channel of FIG. 6 will be described later with reference to FIG. 9 .

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 mixer 320 may include a non-overlapping clock signal generator (NOCG) 322 , an operational amplifier 324 , resistors R1 and R2 , and switches SW1 and SW2 . . The first resistor R1 is connected to the negative terminal (-) of the operational amplifier 324 and the second resistor R2 is the output terminal of the operational amplifier 324 for generating the rectified signal SR and the negative terminal (-) It can be placed on the return path between The first switch SW1 may apply the amplified signal SA to the positive terminal (+) of the operational amplifier 324 in response to the first clock signal Q1 from the non-overlapping clock signal generator 322 . . The second switch SW2 may apply the common mode voltage VCM to the positive terminal (+) of the operational amplifier 324 in response to the second clock signal Q2 from the non-overlapping clock signal generator 322 . have. For example, the first resistor R1 and the second resistor R2 may have the same resistance value.

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 clock signal generator 322 is a first clock signal Q1 and a second clock signal Q2 that are complementarily activated based on the selection clock signal CKS provided from the clock selection unit 330 of FIG. 6 . ) can occur. As shown in FIG. 8 , the non-overlapping clock signal generating unit 322 is configured after a predetermined delay time td after one of the first clock signal Q1 and the second clock signal Q2 is deactivated to a logic low level. The timing can be adjusted so that the other can be activated to a logic high level. That is, the non-overlapping clock signal generator 322 may adjust the timing so that the activation periods of the first clock signal Q1 and the second clock signal CK2 do not overlap each other. Using the non-overlapping first clock signal Q1 and the second clock signal Q2 as described above, the amplified signal SA and the common mode voltage VCM are simultaneously applied to the positive terminal (+) of the operational amplifier 324 . can be prevented from being applied.

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 detector 20 uses one mixer 320 as described above for the offset voltage VOS, the first output voltage VOX, and the second output for each operation mode. The voltage VOY may be sequentially generated. The clock signal generator 30 generates a first demodulated clock signal CKX and a second demodulated clock signal CKY having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency.

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 input unit 100 responds to the mode signal MD indicating the first operation mode OM1. Block (SI). The clock selector 330 selects the first demodulated clock signal CKX in response to the logic low level of the clock select signal SEL and provides it as the select clock signal CKS. For convenience, an example in which the first demodulated clock signal CKX is selected in the first operation mode OM1 is illustrated, but in the first operation mode OM1 , the second demodulated clock signal CKY is used as the selection clock signal CKS. It is free to provide In a state in which the input signal SI is blocked, the output signal SO provided from the low-pass filter 410 represents the offset voltage VOS of the internal circuit of the lock-in amplifier 10 .

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 input unit 100 responds to the mode signal MD indicating the second operation mode OM2. (SI) is transmitted to the amplification unit 200 . The clock selector 330 selects the first demodulated clock signal CKX in response to the logic low level of the clock select signal SEL and provides it as the select clock signal CKS. In this case, the output signal SO provided from the low-pass filter 410 represents the first output voltage VOX.

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 mixer 320 during the time period t2 to t3 may be expressed as Equation (1).

Figure 112015121375919-pat00001
Figure 112015121375919-pat00001

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 Equation 1, Ga represents the gain of the amplifier 200, θ represents the phase difference between the demodulation frequency component of the input signal Si and the first demodulated clock signal SKX, and w represents an angle corresponding to the demodulation frequency Indicates the angular frequency. The time-dependent component of the first rectified signal SRX is removed by the low-pass filter 410 , and as a result, the first output voltage VOX may be expressed as Equation (2).

Figure 112015121375919-pat00002
Figure 112015121375919-pat00002

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 input unit 100 responds to the mode signal MD indicating the second operation mode OM2. (SI) is transmitted to the amplification unit 200 . The clock selector 330 selects the second demodulated clock signal CKY in response to the logic high level of the clock select signal SEL and provides it as the select clock signal CKS. In this case, the output signal SO provided from the low-pass filter 410 represents the second output voltage VOY.

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 mixer 320 during the time period t3 to t4 may be expressed as Equation (3).

Figure 112015121375919-pat00003
Figure 112015121375919-pat00003

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-pass filter 410 , and as a result, the second output voltage VOY may be expressed as Equation (4).

Figure 112015121375919-pat00004
Figure 112015121375919-pat00004

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.

Figure 112015121375919-pat00005
Figure 112015121375919-pat00005

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 mixer 320 . , it is possible to prevent mismatch between the conventional channels and accurately provide the magnitude Vo of the demodulation frequency component of the input signal SI.

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 mixer unit 350 may include a first mixer 360 and a second mixer 370 , and the filter unit 450 includes a first low pass filter (LPF) ( 460) and a second low-pass filter 470 .

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 first mixer 360 has a first input terminal for receiving the amplified signal SA, a second input terminal for receiving the first demodulated clock signal CKX, and a first output terminal for outputting the first rectified signal SRX. has The second mixer 370 includes a third input terminal receiving the amplified signal SA, a fourth input terminal receiving the second demodulated clock signal CKY, and a second output terminal outputting the second rectified signal SRY. has

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-pass filter 460 is connected to the first output terminal of the first mixer 360 to generate the first offset voltage VOSX in the first operation mode OM1 and in the second operation mode OM2. A first output voltage VOX is generated. That is, the first low-pass filter 460 may sequentially provide the first offset voltage VOSX and the first output voltage VOX for each operation mode through the first output signal SOX. The second low-pass filter 470 is connected to the second output terminal of the second mixer 370 to generate a second offset voltage VOSY in the first operation mode OM1 and in the second operation mode OM2. A second output voltage VOY is generated. That is, the second low-pass filter 470 may sequentially provide the second offset voltage VOSY and the second output voltage VOY for each operation mode through the second output signal SOY.

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 detector 20 sequentially generates a first offset voltage VOSX and a first output voltage VOX for each operation mode using the first mixer 360 as described above. , and the second offset voltage VOSY and the second output voltage VOY may be sequentially generated for each operation mode using the second mixer 370 . The clock signal generator 30 generates a first demodulated clock signal CKX and a second demodulated clock signal CKY having a phase difference of 90 degrees and having the same demodulation frequency.

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 input unit 100 responds to the mode signal MD indicating the first operation mode OM1. Block (SI). In a state in which the input signal SI is blocked, the first output signal SOX provided from the first low-pass filter 460 is generated by the amplifier 200 , the first mixer 360 and the first low-pass filter 460 . represents the first offset voltage VOSX of the first signal channel including In a state in which the input signal SI is blocked, the second output signal SOY provided from the second low-pass filter 470 is generated by the amplifier 200 , the second mixer 370 , and the second low-pass filter 470 . represents the second offset voltage VOSY of the second signal channel including

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 input unit 100 responds to the mode signal MD indicating the second operation mode OM2. (SI) is transmitted to the amplification unit 200 . In this case, the first output signal SOX provided from the first low-pass filter 460 represents the first output voltage VOX, and the second output signal SOY provided from the second low-pass filter 470 . denotes the second output voltage VOY.

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 first mixer 360 during the time period t2 to t3 may be expressed as Equation (6).

Figure 112015121375919-pat00006
Figure 112015121375919-pat00006

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 amplifier 200, θ represents the phase difference between the demodulation frequency component of the input signal Si and the first demodulated clock signal SKX, and w represents an angle corresponding to the demodulation frequency Indicates the angular frequency. The time-dependent component of the first rectified signal SRX is removed by the first low-pass filter 460 , and as a result, the first output voltage VOX may be expressed as Equation (7).

Figure 112015121375919-pat00007
Figure 112015121375919-pat00007

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 second mixer 370 during the time period t2 to t3 may be expressed as Equation (8).

Figure 112015121375919-pat00008
Figure 112015121375919-pat00008

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-pass filter 470, and as a result, the second output voltage VOY may be expressed as Equation 9.

Figure 112015121375919-pat00009
Figure 112015121375919-pat00009

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 Equation 10.

Figure 112015121375919-pat00010
Figure 112015121375919-pat00010

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 clock signal generator 30 of FIG. 1 may include a first demodulated clock signal CKX and a second demodulated clock signal CKX based on a reference clock signal CKR having a frequency that is an integer multiple of a demodulation frequency. It may include a plurality of flip-flops generating the clock signal CKY. Hereinafter, with reference to FIGS. 13, 14 and 15, the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY are generated based on the reference clock signal CKR having a frequency four times the demodulation frequency. An embodiment of the clock signal generators 31 and 32 including three flip-flops will be described, and based on the reference clock signal CKR having a frequency twice the demodulation frequency with reference to FIGS. 16 and 17 . An embodiment of the clock signal generator 33 including two flip-flops generating the first demodulated clock signal CKX and the second demodulated clock signal CKY will be described.

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 clock signal generator 31 includes a first flip-flop FF1 , a second flip-flop FF2 , and a third flip-flop FF3 .

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 clock signal generator 32 of FIG. 14 is similar to the clock signal generator 31 of FIG. 13 , the overlapping description will be omitted. However, in the clock signal generator 31 of FIG. 13 , the data terminal D of the third flip-flop FF3 is connected to the inverted output terminal QB of the third flip-flop FF3, but the clock signal of FIG. In the generator 32 , the data terminal D of the third flip-flop FF3 is connected to the non-inverting output terminal Q of the second flip-flop FF2. Referring to FIGS. 13, 14 and 15 , , the first flip-flop FF1 generates a first clock signal CKa and a second clock signal CKb that toggle in synchronization with a rising edge of the reference clock signal CKR. The first clock signal CKa and the second clock signal CKb correspond to inverted signals. The second flip-flop FF2 generates a first demodulated clock signal CKX that toggles in synchronization with a rising edge of the first clock signal CKa. The third flip-flop FF3 generates a second demodulated clock signal CKY that toggles in synchronization with a rising edge of the second clock signal CKb.

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 clock signal generator 33 includes a first flip-flop FFa and a second flip-flop FFb.

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-flop 50 includes a first inverter 111 , a second inverter 112 , a first switch 113 , a third inverter 114 , a fourth inverter 115 , and a 2 switches 116 and a fifth inverter 117 .

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 first inverter 111 is connected to the input of the second inverter 112 and has a latch structure in which the output of the second inverter 112 is connected to the input of the first inverter 111 . In addition, the output of the third inverter 114 is connected to the input of the fourth inverter 115 and the output of the fourth inverter 115 is connected to the input of the third inverter 114 has a latch structure.

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 fifth inverter 117 corresponds to the inverting output terminal QB and the output of the fourth inverter 115 corresponds to the non-inverting output terminal Q. The first switch 113 is connected between the data terminal D and the input of the second inverter 112 , and the control terminal CK of the first switch 113 corresponds to a clock terminal. A clock signal CLK is applied to the control terminal CK of the first switch 113 and the second switch 116 .

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 first switch 113 is a PMOS type and the second switch 116 is an NMOS type. In this case, the D-flip-flop 50 corresponds to a rising-edge triggered D-flip-flop.

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-flop 50 of FIG. 18 is in a memory for the previous data value, i.e., in a storage state and the data terminal D Even if the logic state changes, the output state of the flip-flop does not change. That is, at this time, the data terminal D is transmitted as an inverted signal by the second inverter 112 to the output node N1 of the second inverter 112 , but since the second switch 116 is in the off state, the flip-flop It is not transmitted to the output terminals (Q, QB) of When the clock signal CLK transitions to logic high, that is, at the rising edge of the clock signal CLK, the moment the first switch 113 is turned off, the value stored in the output node N1 of the second inverter 112 becomes the second 1 is latched and maintained through the inverter 111 and the second inverter 112, is transferred through the second switch 116, is inverted again by the fourth inverter 115, and the clock signal ( CLK) a data value triggered on a rising edge, and the inverted data value is transferred to the inverted output terminal QB. Afterwards, when the clock signal CLK falls and becomes a logic low, the second switch 116 is turned off, and the previous output value is transferred to the output terminal Q, QB), and at this time, the new data value is inverted and transmitted to the output node N1 of the second inverter 112 by the turn-on of the first switch 113 and the second inverter 112 .

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 first switch 113 as an NMOS type and the second switch 116 as a PMOS type. Also, instead of changing the types of the first switch 113 and the second switch 116 , a falling-edge triggered D-flip-flop may be implemented by applying an inverted signal of the original signal to the control terminal CK.

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 integrated circuit 50 may include a lock-in amplifier (LIA) 10 , an analog-to-digital converter (ADC) 60 , and a control unit (CTRL) 70 .

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 integrated circuit 50 of FIG. 19 may be a semiconductor integrated circuit simultaneously formed using one semiconductor die. The integrated circuit 50 may be packaged as one chip.

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 amplifier 10 receives an input signal SI and generates an output signal SO. The output signal SO may be a voltage signal having a voltage level according to an operation mode. As described with reference to FIGS. 1 to 18 , the lock-in amplifier 10 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 SI, the first demodulated clock signal, and the second demodulated clock signal, and in a second operation mode, the input A first output voltage and a second output voltage corresponding to the magnitude of the demodulation frequency component of the signal are provided.

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-digital converter 60 converts the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage into digital values, respectively. The analog-to-digital converter 60 may sample the output of the lock-in amplifier 10 at an appropriate time according to the control of the controller 70 . As shown in the timing diagrams of FIGS. 9 and 12 , a certain time is required for the first output voltage VOX and the second output voltage VOY to be stabilized to a substantial DC voltage according to the time constant of the low-pass filter. can The controller 70 may determine the timing at which the analog-to-digital converter 60 samples the output of the lock-in amplifier 10 in consideration of the stabilization time. After stabilization, the analog-to-digital converter 60 samples N times for a period of time after stabilization, adds all the outputs, and divides by N to obtain an average filtering can be performed.

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 controller 70 controls the lock-in amplifier 10 and the analog-to-digital converter 60 and calculates the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal SI based on the digital values. To this end, the control unit 70 may include a microprocessor, a built-in memory, and the like. For example, the above-described mode signal MD and clock selection signal SEL may be provided from the controller 70 . In one embodiment, the lock-in amplifier 10 may have a single signal channel structure as described above with reference to FIGS. 6 and 9, and in this case, the control unit 70 controls the input signal SI by Equation 5. It is possible to calculate the magnitude (Vo) of the demodulation frequency component of . In another embodiment, the lock-in amplifier 10 may have a structure of a double signal channel as described above with reference to FIGS. 11 and 12. In this case, the control unit 70 controls the input signal SI by Equation (10). It is possible to calculate the magnitude (Vo) of the demodulation frequency component of .

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 integrated circuit 50 measures the offset voltage VOS using the included lock-in amplifier 10 (step S100). As described above, the offset voltage VOS may correspond to the voltage level of the output signal SO output when the input signal SI applied to the lock-in amplifier 10 is blocked. Also, the integrated circuit 50 measures the first output voltage VOX and the second output voltage VOY using the lock-in amplifier 10 (steps S200 and S300 ). As described above, the first output voltage VOX corresponds to the voltage level of the output signal SO when the first demodulated clock signal CKX and the input signal SI are mixed or multiplied, and the second output voltage (VOY) corresponds to the voltage level of the output signal SO when the input signal SI is mixed or multiplied with the second demodulated clock signal CKY having a phase difference of 90 degrees from the first demodulated clock signal CKX. can

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-digital converter 60 converts the measured analog DC voltages into digital values, respectively. The controller 70 of the integrated circuit 50 calculates the magnitude Vo of the demodulation frequency component of the input signal SI based on the digital values (step S400). The calculation of the magnitude Vo of the demodulation frequency component is the same as described with reference to Equations 1 to 10.

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 portable measuring device 900 may include a modulator (MOD) 910 , a sensor (SEN) 920 , and an integrated circuit chip 50 . 21 , an object to be inspected (OBJ) 90 is shown together for convenience.

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 modulator 910 generates a modulated signal SM1 based on the modulated clock signal. The sensor 920 senses a signal SM2 generated by a mutual reaction between the modulated signal SM1 and the subject 90 to generate an input signal SI. In one embodiment, the modulator 910 may be implemented as a laser diode and the sensor 920 may be implemented as a photodiode. In this case, the signal SM2 input to the sensor 920 may include a transmitted wave, a reflected wave, a refracted wave, a scattered wave, etc. of the modulated signal SM1 by the subject 90 .

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 sensor 920 may provide a voltage signal or a current signal as the input signal SI. When the input signal SI is a current signal, the integrated circuit chip 50 may include a current-to-voltage converter for converting the input signal SI into a voltage signal and providing it to the lock-in amplifier 10 .

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 integrated circuit chip 50 may include a lock-in amplifier (LIA) 10 , an analog-to-digital converter (ADC) 60 , and a control unit (CTRL) 70 as described with reference to FIG. 19 . As described with reference to FIGS. 1 to 18 , the lock-in amplifier 10 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. The analog-to-digital converter 60 converts the offset voltage, the first output voltage, and the second output voltage into digital values, respectively. The controller 70 controls the lock-in amplifier 10 and the analog-to-digital converter 60 and calculates the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal SI based on the digital values.

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 portable measuring device 900 may be any measuring device requiring a small size and low power consumption. For example, the portable measuring device 900 may be various signal measuring devices such as a blood glucose meter, a blood pressure monitor, and an electronic nose.

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 computing system 1000 includes a processor 1010 , a memory device 1020 , a storage device 1030 , an input/output device 1040 , a power supply 1050 , and a signal measuring device (MSRM) 900 . may include. Meanwhile, although not shown in FIG. 22 , the computing system 1000 may further include ports capable of communicating with a video card, a sound card, a memory card, a USB device, etc., or communicating with other electronic devices. .

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 processor 1010 may perform certain calculations or tasks. According to an embodiment, the processor 1010 may be a micro-processor or a central processing unit (CPU). The processor 1010 includes a memory device 1020 , a storage device 1030 , a photographing device 900 , and an input/output device 1040 through an address bus, a control bus, and a data bus. can communicate with Depending on the embodiment, the processor 1010 may also be connected to an expansion bus, such as a Peripheral Component Interconnect (PCI) bus. The memory device 1020 may store data necessary for the operation of the computing system 1000 . For example, the memory device 1020 may be implemented as DRAM, mobile DRAM, SRAM, PRAM, FRAM, RRAM, and/or MRAM. have. The storage device 1030 may include a solid state drive, a hard disk drive, a CD-ROM, and the like. The input/output device 1040 may include input means such as a keyboard, keypad, and mouse, and output means such as a printer and a display. The power supply 1050 may supply an operating voltage required for the operation of the electronic device 1000 .

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 signal measuring apparatus 900 may include a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention as described with reference to FIGS. 1 to 18 . The lock-in amplifier and the signal measuring device 900 including the same include two orthogonal components (in-phase component and quadrature component) using two demodulated clock signals having a phase difference of 90 degrees regardless of the phase of the input signal. By detecting and using this 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 can be eliminated and implemented with a simplified configuration and reduced size. In addition, the lock-in amplifier and the signal measuring device 900 including the same can accurately provide the magnitude of the demodulation frequency component of the input signal by extracting the offset voltage indicating the offset of the internal circuit of the lock-in amplifier.

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 computing system 1000 may be implemented in various types of packages. For example, at least some components of the computing system 1000 may include Package on Package (PoP), Ball grid arrays (BGAs), Chip scale packages (CSPs), Plastic Leaded Chip Carrier (PLCC), and 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- It may be mounted using packages such as Level Processed Stack Package (WSP).

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 computing system 1000 should be interpreted as any computing system including the lock-in amplifier according to embodiments of the present invention. For example, the computing system 1000 may include a digital camera, a mobile phone, a personal digital assistant (PDA), a portable multimedia player (PMP), a smart phone, and the like.

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 computing system 1100 may be implemented as a data processing device capable of using or supporting the MIPI interface, and may include an application processor 1110 , an image sensor 1140 , and a display 1150 . have. The CSI host 1112 of the application processor 1110 may perform serial communication with the CSI device 1141 of the image sensor 1140 through a camera serial interface (CSI). In an embodiment, the CSI host 1112 may include a deserializer (DES), and the CSI device 1141 may include a serializer (SER). The DSI host 1111 of the application processor 1110 may perform serial communication with the DSI device 1151 of the display 1150 through a Display Serial Interface (DSI).

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 DSI host 1111 may include a serializer (SER), and the DSI device 1151 may include a deserializer (DES). Furthermore, the computing system 1100 may further include a radio frequency (RF) chip 1160 capable of communicating with the application processor 1110 . The PHY 1113 of the computing system 1100 and the PHY 1161 of the RF chip 1160 may perform data transmission/reception according to Mobile Industry Processor Interface (MIPI) DigRF. In addition, the application processor 1110 may further include a DigRF MASTER 1114 for controlling data transmission/reception according to the MIPI DigRF of the PHY 1161 .

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 computing system 1100 may include a Global Positioning System (GPS) 1120 , a storage 1170 , a microphone 1180 , a Dynamic Random Access Memory (DRAM) 1185 and a speaker 1190 . can The computing system 1100 may also include a signal measurement device (MSRM) 900 including a lock-in amplifier according to embodiments of the present invention. In addition, the computing system 1100 uses an Ultra WideBand (UWB) 1210 , a Wireless Local Area Network (WLAN) 1220 and a Worldwide Interoperability for Microwave Access (WIMAX) 1230 , etc. communication can be performed. However, the structure and interface of the computing system 1100 are examples and are not limited thereto.

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: 필터부
10: lock-in amplifier
20: detection unit
30: clock signal generator
100: input unit
200: amplification unit
300: mixer unit
400: filter unit

Claims (20)

90도의 위상차를 갖고 동일한 복조 주파수를 갖는 제1 복조 클록 신호 및 제2 복조 클록 신호를 발생하는 클록 신호 발생부; 및
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.
삭제delete 제1 항에 있어서,
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.
제1 항에 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 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.
제4 항에 있어서,
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.
제1 항에 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 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.
제6 항에 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 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.
제7 항에 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 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.
제7 항에 있어서,
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.
제6 항에 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 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.
제10 항에 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 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
제6 항에 있어서, 상기 검출부는,
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.
제12 항에 있어서,
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.
제1 항에 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 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.
제1 항에 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 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.
제1 항에 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 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.
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 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.
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;
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.
제18 항에 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 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.
제18 항에 있어서,
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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