KR20230174764A - 임피던스 시뮬레이션을 사용한 교정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
임피던스 측정 디바이스(100a, 100b, 100c)의 교정 방법 및 장치가 제공된다. 임피던스 측정 디바이스는 위상-고정 전류 생성기(124)로 제1 AC 신호를 출력한다(502). 위상-고정 전류 생성기는 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상을 갖고 알려진 임피던스 값을 갖는 제시된 임피던스를 나타내는 진폭을 갖는 제2 AC 신호를 생성한다(504). 위상-고정 전류 생성기는 제2 AC 신호를 임피던스 측정 디바이스로 출력한다. 임피던스 측정 디바이스는 제시된 임피던스와 연관된 측정된 임피던스 값을 생성하기 위해 제2 AC 신호에 기초하여 임피던스 측정을 수행한다(506). 임피던스 측정 디바이스는 측정된 임피던스 값과 제시된 임피던스의 알려진 임피던스 값에 기초하여 교정된다(508).
Description
본 출원은 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 것, 특히 제시된 임피던스를 시뮬레이션하여 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 것에 관한 것이다.
제조 후 측정 디바이스들은 사양 내에서 성능을 검증하기 위해 교정 프로세스를 거친다. 임피던스 측정 디바이스들을 교정하기 위한 기존 기술들은 교정을 위해 고정 변압기 배열(fixed transformer arrangement)에 의존한다. 그러나 고정 변압기 배열을 사용하면 제시된 광범위한 임피던스들에 대한 측정의 성능을 테스트할 때 유연성이 허용되지 않는다. 변압기 방법으로 임피던스들 사이를 세분화화여 단계화하고 시뮬레이션되어 고분해능 시뮬레이션 임피던스를 얻는 것은 매우 어렵다.
본 명세서에서는 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 임피던스를 시뮬레이션하고 제시할 수 있도록 시스템에서 위상-고정 전류 생성기(위상-고정 다기능 교정기라고도 함)를 사용하는 것이 제공된다. 임피던스 측정 디바이스는 외부 샘플링 저항을 사용하는 경우 AC 전류 신호, 내부 샘플링 저항을 사용하는 경우 AC 전압 신호인 제1 AC 신호를 출력한다. 위상-고정 전류 생성기는 제1 AC 신호에 응답하여 제2 AC 신호를 생성한다. 제2 AC 신호는 제1 AC 신호와 위상 고정되어 동일한 주파수를 갖는다. 제2 AC 신호의 진폭은 임피던스 측정 디바이스에 의한 측정을 위해 제시된 임피던스를 설정한다.
위상-고정 전류 생성기와 기준 저항이 될 수 있는 임피던스 디바이스에 의해 생성된 제2 AC 신호는 임피던스 측정 디바이스에 이상적으로 또는 매우 가까운 방식으로 제공되는 임피던스를 모델링한다. 제2 AC 신호는 제1 AC 신호에 위상 고정된다.
위상-고정 전류 생성기는 제2 AC 신호의 진폭을 미세하게 조정할 수 있도록 하여 제시된 임피던스의 매우 정확한 설정 기능성과 세분성을 제공한다. 위상-고정 전류 생성기를 사용하면 1 나노암페어(nA)와 같은 미세한 증분 또는 단계로 제2 AC 신호의 진폭을 조정할 수 있다. 이는 결국 제시된 임피던스를 미세하게 조정하는 것으로 해석된다.
제시된 임피던스의 매우 정확한 설정 기능성과 세분성은 광범위한 임피던스 값을 모델링할 수 있는 유연성을 제공한다. 임피던스 측정 디바이스는 제2 AC 신호의 진폭을 설정함으로써 제시된 서로 다른 임피던스 값에 대해 교정될 수 있다.
임피던스 측정 디바이스는 여러 조정 인자를 사용하여 교정될 수 있다. 조정 인자는 측정된 임피던스를 판독 임피던스로 스케일링하거나 조정하는 데 사용될 수 있다. 조정 인자는 개별의 제시된 임피던스에 대해(예를 들어, 임피던스 측정 디바이스의 측정 범위의 양 단부들에서) 결정될 수 있다. 개별의 제시된 임피던스들에 대해 결정된 조정 인자들 사이를 외삽함으로써 추가 조정 인자가 결정될 수 있다.
여러 조정 인자를 사용하면 임피던스 측정 디바이스에 의해 측정된 임피던스에 대해 수행되는 조정의 변화를 설명할 수 있다. 또한, 여러 조정 인자를 사용하면 측정된 특정 임피던스 또는 임피던스 범위에 맞게 조정이 맞춰진다.
위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 제2 AC 신호는 기준 저항을 통과할 수 있고, 기준 저항은 임피던스 측정 디바이스 외부의 저항 박스의 일부가 아닌 임피던스 측정 디바이스에 포함될 수 있다.
기준 저항을 포함하면 외부 저항을 연결하는 추가 와이어가 필요 없기 때문에 교정 중에 사용되는 케이블 길이가 줄어든다. 결과적으로 전선과 케이블로 인해 발생하는 소음, 간섭 및 작동 주파수 아티팩트가 완화된다.
임피던스 측정 디바이스의 샘플링 저항은 임피던스 측정 디바이스의 디지털-아날로그 변환기(DAC)의 출력이 샘플링 저항에 걸쳐 특정 범위의 전압 강하를 초래하도록 선택되거나 설정될 수 있다. 지정된 범위는 위상-고정 전류 생성기의 위상 고정 기능 범위 내에 있을 수 있다.
그에 따라 샘플링 저항을 선택하면 임피던스 측정 디바이스와 위상-고정 전류 생성기 간의 적절한 동작이 보장된다.
도 1은 임피던스 측정 디바이스의 기존 교정 회로도를 도시한다.
도 2는 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 시스템을 도시한다.
도 3은 교정과 테스트 동작 사이를 스위칭하기 위한 복수의 스위칭 디바이스들을 포함하는 임피던스 측정 디바이스를 도시한다.
도 4는 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 시스템을 도시한다.
도 5는 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 시스템을 도시한다.
도 2는 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 시스템을 도시한다.
도 3은 교정과 테스트 동작 사이를 스위칭하기 위한 복수의 스위칭 디바이스들을 포함하는 임피던스 측정 디바이스를 도시한다.
도 4는 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 시스템을 도시한다.
도 5는 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 방법의 흐름도를 도시한다.
도 6은 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 시스템을 도시한다.
매우 정확한 방식 및 미세하게 세분화된 설정 기능(setability)을 통해 다수의 레벨들의 임피던스에서 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 기술이 제공된다. 임피던스 측정 디바이스와 위상-고정(phase-locked) 전류 생성기(또는 다기능 교정기의 위상-고정 전류 생성 피쳐)를 포함하는 시스템이 제공된다. 또한, 시스템은 임피던스 측정 디바이스 내부에 있거나 임피던스 측정 디바이스 외부에 있는 샘플링 및 기준 저항을 포함할 수 있다. 시스템은 임피던스 측정 디바이스를 교정할 목적으로 측정하기 위해 임피던스 측정 디바이스에 대한 임피던스를 시뮬레이션하고 제시하는 것을 허용한다.
임피던스 측정 디바이스는 자극 AC 신호를 위상-고정 전류 생성기로 출력한다. 위상-고정 전류 생성기는 자극 AC 신호의 위상을 고정하고 위상-고정 신호를 임피던스 측정 디바이스에 다시 제공한다. 위상-고정 신호의 진폭(amplitude)은 제시된 임피던스를 결정(dictate)한다. 임피던스 측정 디바이스는 제시된 임피던스를 측정한다.
제시된 임피던스와 측정된 임피던스를 알면, 향후 측정된 임피던스를 교정된 판독 임피던스로 스케일링하기 위한 계수(coefficient)가 결정될 수 있다. 임피던스 측정 디바이스의 측정 범위에 걸쳐 계수를 결정하기 위해 다중 임피던스들이 임피던스 측정 디바이스에 제시될 수 있다.
위상-고정 전류 생성기는 미세하게 세분화된 설정 기능을 제공할 수 있다. 예를 들어, 위상-고정 전류 생성기는 1 나노암페어(nA)만큼 낮은 세분성의 위상-고정 신호의 진폭들을 제공할 수 있다. 진폭은 임피던스로 변환되므로 임피던스의 세분성은 4.5 마이크로옴/옴(μΩ/Ω)만큼 낮을 수 있다.
도 1은 테스트 중인 디바이스(101)의 기존 교정 회로도를 도시한다. 교정 중에, 테스트 중인 디바이스(101)는 교정 회로(102)에 결합된다. 테스트 중인 디바이스(101)는 임피던스(또는 저항)를 측정하도록 구성된 임의의 디바이스일 수 있다. 테스트 중인 디바이스(101)는 AC인 자극 전류를 출력하는 것을 기초로 하여 임피던스를 측정한다는 점에서 교류(AC) 측정 디바이스일 수 있다. 테스트 중인 디바이스(101)는 배터리와 같은 임의의 디바이스의 임피던스를 측정할 수 있다.
테스트 중인 디바이스(101)는 제1, 제2, 제3, 제4 단자들(104, 106, 108, 110)을 갖는다. 교정 동안, 제1 및 제2 단자들(104, 106)은 출력 단자들로 동작하는 반면, 제3 및 제4 단자들(108, 110)은 테스트 중인 디바이스(101)에 대한 입력 단자들로 동작한다. 교정 회로(102)는 소스 저항(112), 버퍼(114) 및 1차 권선(primary winding)(118)과 2차 권선(120)을 갖는 변압기(116)를 포함한다. 변압기(116)는 1차 권선(118)과 2차 권선(120) 사이에 K의 변압기 비율을 갖는다. 소스 저항(112)은 교정 회로(102)의 일부일 수 있거나 교정 회로(102)와는 별개이고 외부에 있는 저항 박스의 일부일 수 있다는 점이 유의한다.
소스 저항(112)은 제1 단자와 제2 단자들을 갖는다. 버퍼(114)는 소스 저항(112)의 제1 단자에 결합된 제1 입력을 갖는다. 버퍼(114)는 버퍼(114)의 출력에 결합된 제2 단자를 갖는다. 1차 권선(118)은 버퍼(114)의 출력에 결합된 제1 단부 및 소스 저항(112)의 제2 단자에 결합된 제2 단부를 갖는다. 2차 권선(120)은 제1 및 제2 단부들을 갖는다.
교정 동안, 테스트 중인 디바이스(101)의 제1 및 제2 단자들(104, 106)은 소스 저항(112)의 제1 및 제2 단자들에 각각 결합된다. 또한, 테스트 중인 디바이스(101)의 제3 및 제4 단자들(108, 110)은 2차 권선(120)의 제1 및 제2 단부들에 각각 결합된다.
테스트 중인 디바이스(101)는 자극 신호로서 제1 AC 신호를 교정 회로(102)에 출력한다. R이 소스 저항(112)의 저항일 때, 제1 AC 신호는 소스 저항(112) 양단에 전압이 생성되도록 한다. 버퍼(114)는 전압을 버퍼링하고 버퍼링된 전압을 1차 권선(118)으로 출력한다. 변압기(116)의 동작은 2차 권선(120) 양단에 전압을 발생시킨다. 테스트 중인 디바이스(101)는 전압을 검출하고, 검출된 전압(예를 들어, 제1 AC 신호에 대한 검출된 전압의 비율에 기초하여 임피던스 측정을 결정한다.교정 회로(102)에 의해 시뮬레이션된 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
방정식(1)
기존 교정은 케이블 길이로 인한 무작위 신호 간섭의 존재로 인해 영향을 받는 부적절한 불확실성과 변압기 방법을 통한 추적성을 포함하는 다양한 결점(drawback)들을 겪는다. 또한, 소스 저항(112)은 불안정할 수 있으며, 이는 테스트 중인 디바이스(101)의 교정에 부정적인 영향들을 미친다. 또한, 고정 변압기 비율은 테스트 중인 디바이스(101)를 교정하기 위해 하나의 시뮬레이션된 임피던스 데이터 지점만 허용한다. 다른 시뮬레이션된 임피던스 데이터 지점들을 얻기 위해, 변압기(116)는 다른 비율들을 갖는 다른 변압기들로 대체될 수 있다. 그러나 다른 변압기들을 사용하면 번거롭고 추가적인 교정 오류들이 발생할 수 있다.
도 2는 임피던스 측정 디바이스(100a)를 교정하기 위한 시스템(122)을 도시한다. 시스템(122)은 임피던스 측정 디바이스(100a) 및 위상-고정 전류 생성기(124)를 포함한다. 임피던스 측정 디바이스(100a)는 디지털-아날로그 변환기(ADC)(126), 아날로그-디지털 변환기(DAC)(128), 제1 및 제2 채널들(130, 132), 샘플링 저항(134) 및 기준 저항(137)을 포함한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 임피던스 측정 디바이스(100a)는 제1 및 제2 단자들(104, 106)과 제3 및 제4 단자들(108, 110)을 더 포함한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 및 제2 입력들(136, 138)과 제1 및 제2 출력들(140, 142)을 포함한다.
위상-고정 전류 생성기(124)는 위상 고정 동작이 가능한 임의 유형의 디바이스일 수 있다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 및 제2 입력들(136, 138)을 통해 제1 신호를 수신하고 제1 신호의 위상에 위상-고정된 제1 및 제2 출력들(140, 142)을 통해 제2 신호를 출력하도록 구성된다. 이에 따라, 위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 신호의 위상에 대응하는(또는 동일한) 위상을 갖는 제2 신호를 출력한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 사용자에 의해 설정 또는 조정될 수 있는 진폭을 갖는 제2 신호를 출력한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 임의의 위상-고정 디바이스일 수 있으며, 전압 신호 또는 전류 신호를 고정할 수 있다.
위상-고정 전류 생성기(124)는 예를 들어 Fluke Corporation에서 제조한 Fluke® 5730A 고성능 다기능 교정기와 같은 다기능 교정기일 수 있다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 일반적으로 출력 신호 진폭 조정 기능을 갖춘 위상 고정 디바이스일 수 있다.
교정 동안, 임피던스 측정 디바이스(100a)는 위상-고정 전류 생성기(124)에 결합된다. 임피던스 측정 디바이스(100a)의 제1 및 제2 단자들(104, 106)은 위상-고정 전류 생성기(124)의 제1 및 제2 입력들(136, 138)에 결합된다. 또한, 임피던스 측정 디바이스(100a)의 제3 및 제4 단자들(108, 110)은 위상-고정 전류 생성기(124)의 제1 및 제2 출력들(140, 142)에 결합된다.
디지털-아날로그 변환기(126)는 제1 채널(130)의 입력(129)에 결합된 제1 출력(127)을 갖는다. 제1 채널(130)은 임피던스 측정 디바이스(100a)의 제1 단자(104)에 결합된 제1 출력(131)을 갖는다. 제1 채널(130)은 또한 샘플링 저항(134)의 제1 단자에 결합되고, 이에 의해 샘플링 저항(134)의 제2 단자는 접지 노드(144)에 결합된다. 본 명세서에서는 접지(ground)를 참조하고 있지만, 접지 노드(144)는 임의의 기준 전압 노드일 수 있고 0 전압 이외의 임의의 기준 전압을 공급할 수 있다는 점에 유의한다.
기준 저항(137)은 임피던스 측정 디바이스(100a)의 제3 및 제4 단자들(108, 110)에 각각 결합되는 제1 및 제2 단자들을 갖는다. 제2 채널(132)은 기준 저항(137)의 제1 단자에 결합된 제1 입력(133)을 갖는다. 제2 채널(132)은 임피던스 측정 디바이스(100a)의 제2 단자(106)에 결합된 제2 입력(135)을 가지며, 여기서 임피던스 측정 디바이스(100a)의 제2 단자(106)는 접지 노드(144)에 결합된다. 제2 채널(132)은 출력(139)을 갖는다. 아날로그-디지털 변환기(128)는 디지털-아날로그 변환기(126)의 출력에 결합된 제1 입력(141), 제1 채널(130)의 제2 출력(145)에 결합된 제2 입력(143), 제2 채널(132)의 출력에 결합된 제3 입력(147) 및 접지 노드(144)에 결합된 제4 입력(149)을 갖는다.
샘플링 저항(134), 기준 저항(137) 또는 둘 모두는 임피던스 측정 디바이스(100a) 외부에 있을 수 있다. 예를 들어, 저항들(134, 137)은 임피던스 측정 디바이스(100a)에 결합된 저항 박스에 의해 제공될 수 있고, 위상-고정 전류 생성기(124)는 저항 박스에 결합될 수 있다. 그러나, 임피던스 측정 디바이스(100a)에 저항들(134, 137)을 포함시키는 것은 저항 박스를 임피던스 측정 디바이스(100a) 및 위상-고정 전류 생성기(124)에 결합하는 데 사용되는 케이블 또는 와이어 길이를 줄이는 결과를 초래한다는 점에서 유리할 수 있다. 케이블 길이를 줄이면 케이블들로 인해 발생하는 간섭, 소음 또는 오류들이 줄어든다.
교정 동안, 디지털-아날로그 변환기(126)는 신호를 생성하여 제1 채널(130)로 출력한다. 제1 채널(130)은 특히 복수의 증폭기들을 포함할 수 있다. 제1 채널(130)은 디지털-아날로그 변환기(126)의 출력을 샘플링 저항(134)에 결합한다. 또한, 제1 채널(130)은 샘플링 저항(134)을 위상-고정 전류 생성기(124)의 제1 입력(136)에 결합한다. 제1 채널(130)은 적어도 신호를 버퍼링하거나 증폭함으로써 신호를 처리한다. 신호는 AC 전류 신호일 수 있으며, 따라서 샘플링 저항(134) 양단에 전압 강하(drop)를 일으킬 수 있다. 신호는 예를 들어 1킬로헤르츠(kHz)와 같은 임의의 주파수를 가질 수 있다.
제1 채널(130)은 저항 값 R을 갖는 샘플링 저항(134) 양단의 전압 강하에 기초하여 제1 AC 신호를 생산하고, 제1 AC 신호를 출력한다. 샘플링 저항(134)의 저항값 R과 신호의 크기 및 주파수가 선택되어, 결과적인 제1 AC 신호가 위상-고정 전류 생성기(124)의 위상-고정 함수 범위 내에 있도록 하여 위상 고정 함수의 범위 내에서 적절한 동작성을 보장할 수 있도록 한다.
위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 입력(136)을 통해 제1 AC 신호를 수신하고 제2 입력(138)을 통해 기준 전압(접지)을 수신한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 AC 신호의 위상을 결정한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 AC 신호와 동일한 위상을 갖는 제2 AC 신호를 생성한다. 제2 AC 신호는 전류 신호일 수 있다. 제1 AC 신호의 진폭은 위상-고정 전류 생성기(124)의 사용자(테스트 담당자 등)에 의해 설정 및/또는 조정될 수 있다. 특히, 위상-고정 전류 생성기(124)는 1 나노암페어(nA)만큼 낮은 진폭에 대한 분해능을 가질 수 있다. 예를 들어, 진폭에 따라 위상-고정 전류 생성기(124)의 최소 스텝 크기는 1, 10 또는 100nA일 수 있다. Fluke® 5730A 고성능 다기능 교정기는 낮은 실효값(RMS) 불확실성으로 설정 가능한 진폭을 제공한다. 예를 들어, 1 ㎑에서 20mA 신호에 대한 불확실성은 95% 신뢰도에서 0.03% 미만이다. 생성된 신호의 높은 정확도로 인해 시뮬레이션되거나 제시된 임피던스의 정확도가 높아진다.
사용자 또는 교정 디바이스는 제2 AC 신호의 진폭을 지정할 수 있고, 위상-고정 전류 생성기(124)는 지정된 진폭을 갖고 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상을 갖는 제2 AC 신호를 생성할 수 있다.
위상-고정 전류 생성기(124)는 제2 AC 신호를 임피던스 측정 디바이스(100a)로 출력한다. 제2 AC 신호는 R기준의 저항 값을 갖는 기준 저항(137) 양단에 전압 강하를 발생시킨다. 제2 채널(132)은 전압 강하를 나타내는 제1 전압 신호를 수신한다. 기준 저항(137)은 결과적인 제1 전압 신호가 아날로그-디지털 변환기(128)의 범위 내에 있도록 선택되어 아날로그-디지털 변환기(128)의 범위 내에서 적절한 동작성을 보장할 수 있다.
제1 전압 신호는 밀리볼트 또는 마이크로볼트 신호일 수 있으며, 예를 들어 1 마이크로볼트(μV)와 1 밀리볼트(mV) 사이 또는 1 ㎷와 1볼트(V) 사이의 전압 레벨을 가질 수 있다. 특히, 제1 전압 신호는 10 나노볼트(nV) 내지 1 ㎷ 사이의 전압을 가질 수 있다. 또한, 제시되는 임피던스는 1 밀리옴(mΩ) 미만이거나 0.5mΩ 미만일 수 있다. 따라서, 임피던스 측정 디바이스(100a)의 응답은 높은 전압 신호보다 잡음 및 간섭이 더 두드러지는 작은 신호 레벨에서 테스트될 수 있다. 제2 채널(132)도 접지 전압을 수신한다. 제2 채널(132)은 제1 전압 신호에 대해 차동 처리(differential processing)를 수행하는 복수의 증폭기들을 포함한다. 제2 채널(132)은 제2 전압 신호를 아날로그-디지털 변환기(128)로 출력한다. 아날로그-디지털 변환기(128)는 디지털-아날로그 변환기(126)가 출력하는 신호도 수신한다. 따라서, 아날로그-디지털 변환기(128)는 신호를 디지털화할 수 있고, 임피던스 측정 디바이스(100a)는 제1 채널(130)에 의해 도입된 효과들, 아티팩트들 또는 노이즈가 제1 AC 신호에 미치는 영향을 알 수 있다. 도량형 적합성(metrological compliance)을 위해 디지털-아날로그 변환기(126)로부터 다시 아날로그-디지털 변환기(128)로의 신호 경로에 대해 추적성 분석(traceability analysis)이 수행될 수 있다는 점에 유의한다. 추적성 분석은 신호들이 경로를 통과할 때 측정 불확실성을 도시하고 문서화할 수 있다. 추적성 분석은 샘플링 및 기준 저항들(134, 137)과 같은 신호 경로를 따라 디바이스의 가변성(예를 들어, 오류 마진들)을 초래하는 측정의 불확실성을 평가하는 데 사용될 수 있다.
시스템(122)은 임피던스 측정 디바이스(100a)에 시뮬레이션된 임피던스를 제시한다. 샘플링 및 기준 저항들(134, 137)과 함께 위상-고정 전류 생성기(124)의 배열의 동작은 배열이 신호를 전류 신호로 수신하는 설정 가능 임피던스를 에뮬레이션하고 배열에 의해 제공되는 에뮬레이션된 설정 가능 임피던스를 나타내는 제1 전압 신호를 제공한다. 제2 AC 신호와 결과적으로 제1 전압 신호를 제1 AC 신호에 위상-고정하는 것은 물리적 임피던스(또는 "이상적인" 물리적 임피던스)의 응답성을 자극 신호에 에뮬레이션한다.
위상-고정 전류 생성기(124)의 진폭 설정 기능성은 미세한 분해능으로 임피던스를 시뮬레이션하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, Fluke® 5730A 고성능 다기능 교정기는 4.5 마이크로옴/옴(μΩ/Ω)만큼 낮은 분해능을 제공할 수 있다. Fluke® 5730A 고성능 다기능 교정기의 분해능은 10 및 220 마이크로암페어(μA) 사이의 진폭에 대해 1nA이다. 따라서 10μA 진폭 레벨에서 분해능은 1nA/10μA(또는 100μA/A)이다. μA/A는 백만분율(ppm)에 대응한다. 220μA 범위의 상한에서 분해능은 22배(범위의 상한이 범위의 하한의 22배이기 때문에) 100/22μA/A(또는 4.5μA/A)로 향상한다. 제2 AC 신호를 제공하는 전류원의 분해능은 제1 전압 신호를 통해 얻은 임피던스 소스 분해능(μΩ/Ω 단위)으로 직접 변환한다.
위상-고정 전류 생성기(124)의 진폭 분해능은 임피던스 측정 디바이스(100a)(또는 본 명세서에 설명된 바와 같은 제어기)를 미세하게 세분화된 임피던스 레벨들에 대해 그리고 광범위한 임피던스들에 걸쳐 교정하는 것을 허용한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 시뮬레이션된 임피던스의 마이크로옴 레벨들에 대해 임피던스 측정 디바이스(100a)를 교정하기 위해 위상-고정 전류 생성기(124)에 의해 제공되는 가장 미세한 세분성을 갖는 진폭, 예를 들어 나노암페어 레벨을 통해 단계적으로 통과하도록 동작될 수 있다.
임피던스 측정 디바이스(100a)는 제2 전압 신호와 제1 AC 신호 사이의 비율로 임피던스를 검출하며, 즉:
.
방정식(2)
위상-고정 전류 생성기(124)에 의해 제시되는 임피던스는 디지털-아날로그 변환기(126)가 출력하는 신호에 대한 제1 전압 신호의 비율로 나타내질 수 있다. 즉, 제시된 임피던스는 다음과 같다:
.
방정식(3)
임피던스 측정 디바이스(100a)의 정확성을 평가하기 위해, 검출된 임피던스는 제시된 임피던스로 추적된다. 제1 전압 신호는 기준 저항(137)('R기준'로 표시)과 제2 AC 신호의 곱이다. 제2 AC 신호는 의 RMS 값과 위상-고정 전류 생성기(124)에 의해 생성된 위상 변이를 갖는다. 따라서, 제시된 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
방정식(4)
여기서 는 디지털-아날로그 변환기(126)가 출력하는 신호의 RMS이다.
제시된 임피던스는 실수부(real part)와 허수부(imaginary part)를 가지며 다음과 같이:
방정식(5)
각각 표현된다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 제2 채널(132)은 제1 전압 신호를 수신하는 것에 응답하여 제2 전압 신호를 아날로그-디지털 변환기(128)로 출력한다. 제2 채널(132)은 제1 전압 신호에 대하여 제2 전압 신호에 이득 및 위상 변이(phase shift)를 적용한다. 따라서, 제2 전압 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다:
.
방정식(6)
아날로그-디지털 변환기(128)는 디지털-아날로그 변환기(126)가 출력하는 신호 도 직접 수신한다. 또한, 아날로그-디지털 변환기(128)는 위상 변이된 제1 채널(130)로부터 제1 AC 신호를 수신한다. 제1 AC 신호는 신호의 RMS와 샘플링 저항(134(R)의 용어들로 다음과 같이 표현될 수 있다:
.
방정식(7)
따라서, 방정식(2)의 검출된 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
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방정식(8)
방정식(8)로부터 검출된 임피던스의 실수부, 허수부 및 위상은 다음과 같이:
방정식(9)
각각 표현될 수 있다.
검출된 임피던스는 임피던스 측정 디바이스(100a)에서 샘플링 및 상관(correlation) 처리를 거친다. 임피던스 측정 디바이스(100a)는 검출된 임피던스에 기초하여 임피던스를 측정한다. 측정된 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
,
방정식 (10)
여기서 및 는 각각 측정된 임피던스의 실수부, 허수부, 모듈러스(modulus) 및 위상이다.
임피던스 측정 디바이스(100a)는 방정식(10)의 위상 변이를 고려하여 측정된 임피던스의 위상을 위상만큼 변이시킨다. 위상을 변이하면 위상-변이된 측정 임피던스가 발생한다. 위상은 제2 채널(132)에 의해 수행되는 처리(예를 들어, 필터링 및 증폭)로 인한 위상 변화들을 보상한다는 점에 유의한다. 제1 채널(130)에 의해 수행된 처리는 위상-고정 전류 생성기(124)에 의해 보상된다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제2 AC 신호를 제1 AC 신호에 위상 -고정된 독립 신호로서 출력한다. 제2 AC 신호는 제1 AC 신호와 동일한 위상을 갖는다. 그러나, 위상 변화들을 제외하면, 제2 AC 신호는 제1 채널(130)에 의해 수행되는 조절(conditioning) 또는 처리에 의해 영향을 받지 않는다.
위상-변이된 측정 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
방정식(11)
여기서 및 는 각각 위상-변이된 측정 임피던스의 실수부 및 허수부이다.
임피던스 측정 디바이스(100a)는 위상-변이된 측정 임피던스를 제시된 임피던스를 나타내는 판독 임피던스로 조정하기 위해 조정 인자(adjustment factor)를 채용할 수 있다. 조정 인자는 곱셈 인자일 수 있으며, 이에 따라 임피던스 측정 디바이스(100a)는 위상-변이된 측정 임피던스에 조정 인자를 곱하여 제시된 임피던스를 나타내는 판독 임피던스를 얻을 수 있다. 따라서, 판독 임피던스는 다음과 같이 표현될 수 있다:
.
방정식(12)
조정 인자는 임피던스 범위(예를 들어, 제시된 임피던스의 범위)에 걸쳐 선형적으로 변할 수 있다. 따라서, 위상-고정 전류 생성기(124)는 임피던스 측정 디바이스(100a)에 적어도 2개의 임피던스들을 제시할 수 있다. 임피던스 측정 디바이스(100a)는 측정된 적어도 두 개의 임피던스들에 대해 각각의 조정 인자들을 결정할 수 있다. 임피던스 측정 디바이스(100a)는 측정된 임피던스와 조정 인자들 사이의 선형(또는 다른 유형의) 관계를 결정하기 위해 조정 인자들 사이를 외삽(extrapolate)할 수 있다. 일 실시예에서, 제시된 임피던스들은 임피던스 측정 디바이스(100a)의 임피던스 측정 범위의 양단에 대응할 수 있다. 임피던스 측정 디바이스(100a)가 평가(rate)되는 전체 측정 범위의 조정 인자들은 측정 범위의 양단들에 대한 조정 인자들 사이에서 외삽될 수 있다.
다중 임피던스들의 조정 인자들의 결정은 임피던스 측정 디바이스(100a)가 평가되는 임피던스들의 범위에 대한 변화들을 테스트하는 것을 설명한다는 점에 유의한다. 측정된 임피던스에 대한 조정은 임피던스 범위에 따라 변경될 수 있다. 따라서, 임피던스 범위에 걸쳐 다수의 조정 인자들을 결정하는 것은 임피던스 측정 디바이스(100a)에 의해 수행될 조정의 변동들을 설명하는 데 도움이 된다.
위상-변이된 측정 임피던스의 실수부를 기반으로 임피던스 측정이 수행될 수 있음에 유의한다. 따라서 측정의 허수부는 무시될 수 있다. 또한, 방정식(12)를 이용하여 조정 인자를 결정하는 것은 위상 변이된 측정 임피던스와 제시된 임피던스의 실수부를 기반으로 수행될 수 있다. 실제 임피던스들의 허수 대응부분(counterpart)들은 무시될 수 있다.
제시된 임피던스의 불확실성은 불확실성의 다수의 원인들에 기인한다. 불확실성의 원인들은 (1) 디지털-아날로그 변환기(126)에 의해 출력되는 신호의 RMS에 대한 불확실성(로 표시), (2) 제2 AC 신호의 RMS에서의 불확실성(로 표시), (3) 기준 저항(137)에서의 불확실성(로 표시) 및 (4) 위상-고정 전류 생성기(124)에 의해 생성된 위상 변이 에서의 불확실성(로 표시)을 포함한다. 제시된 임피던스의 실수부의 복합 불확실성(표준 불확실성이라고도 지칭됨)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
.
방정식(13)
전체 측정 범위가 3mΩ이고 진폭이 300mA이고 주파수가 1 ㎑인 제2 AC 신호의 경우 복합 불확실성은 다음과 같이 표현될 수 있다:
. 방정식(14)
95% 신뢰도를 갖는 확장 불확실성은 복합 불확실성에 2배를 곱하여 얻어진다. 따라서, 확장 불확실성은 다음과 같이 표현될 수 있다:
. 방정식(15)
임피던스 측정 디바이스(100a)는 복수의 스위칭 디바이스들을 포함한다. 복수의 스위칭 디바이스들은 임피던스 측정 디바이스(100a)를 교정 동작에서 테스트 동작으로 전환시키도록 동작될 수 있다.
도 3은 교정 동작과 테스트 동작 사이를 스위칭하기 위한 복수의 스위칭 디바이스들을 포함하는 임피던스 측정 디바이스(100b)를 도시한다. 임피던스 측정 디바이스(100b)는 제1, 제2, 제3, 제4 및 제5 스위칭 디바이스들(146, 148, 150, 152, 154)을 포함한다. 테스트 동안, 임피던스 측정 디바이스(100b)의 제1 및 제3 단자들(104, 108)은 배터리일 수 있는 테스트 대상 디바이스의 제1 단자(예를 들어, 애노드)에 결합될 수 있다. 제2 및 제4 단자들(106, 110)은 테스트 대상 디바이스의 제2 단자(예를 들어, 캐소드)에 결합될 수 있다. 단자들(104, 106, 108, 110)은 선택적으로 양방향이며 단자들(104, 106, 108, 110)의 기능은 교정과 비교되어 테스트 중에 스위칭된다. 테스트하는 동안, 제1 및 제2 단자들(104, 106)은 입력 단자들로 동작하고, 제3 및 제4 단자들(108, 110)은 임피던스 측정 디바이스(100b)의 출력 단자들로 동작한다.
제1 스위칭 디바이스(146)는 제3 단자(108)를 제1 채널(130) 또는 기준 저항(137)에 결합하도록 동작하는 2개의 스위치들(146a, 146b)을 포함한다. 제2 스위칭 디바이스(148)는 제4 단자(110)를 제1 채널(130) 또는 기준 저항(137)에 결합하도록 동작하는 2개의 스위치들(148a, 148b)을 포함한다. 제1 및 제2 스위칭 디바이스들(146, 148)은 추가로 제1 채널(130)을 샘플링 저항(134)에 결합하거나 분리한다. 제3 스위칭 디바이스(150)는 제1 채널(130)을 샘플링 저항(134)에 결합하거나, 제1 채널(130)을 샘플링 저항(134)으로부터 분리한다.
제4 스위칭 디바이스(152)는 2개의 스위치들(152a, 152b)을 포함하고, 제1 단자(104)를 제1 채널(130) 또는 제2 채널(132)에 결합하고 기준 저항(137)을 제2 채널(132)에 결합하거나 기준 저항(137)을 제2 채널(132)로부터 분리한다. 제5 스위칭 디바이스(154)는 2개의 스위치들(154a, 154b)을 포함하고 제2 단자(106)를 제2 채널(132) 또는 기준 저항(137)에 결합한다.
스위칭 디바이스(146-154)는 임피던스 측정 디바이스(100b)가 테스트를 위해 사용될 때 위치된 것으로 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 위치들로부터 스위칭 디바이스들(146-154)의 각각은 상태를 스위칭함으로써 교정용 임피던스 측정 디바이스(100b)를 구성하고, 그 결과 도 2의 배열이 된다는 점에 유의한다.
일 실시예에서는 스위칭 디바이스들(146 내지 154)이 생략될 수도 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 샘플링 및 기준 저항들(134, 137)은 임피던스 측정 디바이스의 일부가 아닌 저항 박스에 있을 수 있다. 따라서, 저항 박스에 대한 임피던스 측정 디바이스의 물리적 결합 및 위상-고정 전류 생성기(124)에 대한 저항 박스의 물리적 결합은 임피던스 측정 디바이스를 교정 동작에 배치할 때 스위칭 디바이스들(146 내지 154)의 사용을 대체한다. 저항 박스에서 임피던스 측정 디바이스를 물리적으로 분리하는 것은 테스트 동작에서 임피던스 측정 디바이스를 배치할 때 스위칭 디바이스들(146 내지 154)을 사용하는 것을 대체한다.
도 4는 임피던스 측정 디바이스(100c)를 교정하기 위한 시스템(160)을 도시한다. 임피던스 측정 디바이스(100c)는 본 명세서에 설명된 임피던스 측정 디바이스들(100a, 100b)과 유사하거나 동일하게 구성될 수 있다는 점에 유의한다. 시스템(160)은 임피던스 측정 디바이스(100c), 위상-고정 전류 생성기(124) 및 교정 디바이스(162)를 포함한다. 교정 디바이스(162)는 임피던스 측정 디바이스(100c)를 교정할 수 있으며, 이에 따라 예를 들어 교정 디바이스(162)는 조정 인자(들)를 결정하고 조정 인자(들)로 임피던스 측정 디바이스(100c)를 구성할 수 있다. 본 명세서에 설명된 임피던스 측정 디바이스(100a)와 임피던스 측정 디바이스(100c)의 유사한 요소들은 동일한 참조 번호를 갖는다. 임피던스 측정 디바이스(100c)는 제어기(164), 통신 디바이스(166) 및 출력 디바이스(168)를 포함한다. 마찬가지로, 교정 디바이스(162)는 제어기(170), 통신 디바이스(172) 및 출력 디바이스(174)를 포함한다. 또한, 위상-고정 전류 생성기(124)는 제어기(176) 및 통신 디바이스(178)를 포함한다.
제어기(164)는 본 명세서에 설명된 기술을 수행하도록 구성된 임의의 유형의 디바이스일 수 있다. 제어기(164)는 무엇보다도 프로세서, 마이크로제어기 또는 마이크로프로세서일 수 있고, 다른 계산 유닛들 중에서 산술 및 논리 유닛(ALU)을 포함할 수 있다. 제어기(164)는 임베디드 시스템 온 칩(SoC)일 수 있다. 제어기(164)는 특히 중앙 처리 장치(CPU) 또는 그래픽 처리 장치(GPU)를 포함할 수 있다. 제어기(164)는 본 명세서에 설명된 바와 같이 신호를 생성하여 제1 채널(130)에 출력하도록 디지털-아날로그 변환기(126)를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(164)는 아날로그-디지털 변환기(128)로부터 제2 전압 신호를 나타내는 디지털 신호를 수신할 수 있다. 또한, 제어기(164)는 검출된 임피던스를 결정하고, 검출된 임피던스를 위상-변이시켜 위상-변이된 측정 임피던스를 생성하고, 위상-변이된 측정 임피던스에 조정 인자를 적용하여 판독 임피던스를 생성할 수 있다. 제어기(164)는 조정 인자로 교정되고 구성될 수 있으며, 이에 따라 본 명세서에 설명된 바와 같이 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 것은 임피던스 측정 디바이스의 제어기(164)를 교정하는 것을 포함한다.
제어기(164)는 메모리(미도시)에 저장된 실행 가능한 명령어들을 실행할 수 있다. 실행 가능한 명령어들이 제어기(164)에 의해 실행될 때, 실행 가능한 명령어들은 제어기(164)가 본 명세서에 설명된 기능들 또는 기술들을 수행하게 한다. 제어기(164)는 임의의 결정된 임피던스를 또 다른 디바이스로의 송신을 위해 통신 디바이스(166)로 또는 사용자에게 출력하기 위해 출력 디바이스(168)로 발송할 수 있다.
통신 디바이스(166)는 또 다른 디바이스와 통신하도록 동작 가능한 임의의 유형의 디바이스일 수 있다. 통신 디바이스(166)는 특히 송신기, 수신기, 트랜시버 또는 모뎀일 수 있다. 통신 디바이스(166)는 임의의 유형의 통신 프로토콜을 사용하여 통신하도록 구성될 수 있다. 프로토콜은 특히 롱 텀 에볼루션(LTE)과 같은 셀룰러(cellular) 통신 프로토콜 또는 전기전자공학회(IEEE) 802 프로토콜과 같은 무선 통신 프로토콜일 수 있다. 프로토콜은 Bluetooth®와 같은 근거리 통신 프로토콜일 수 있다. 통신 디바이스(166)는 결정된 임피던스를 교정 디바이스(162)에 송신할 수 있다.
출력 디바이스(168)는 사용자에게 데이터를 출력하도록 구성된 임의의 유형의 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 출력 디바이스(168)는 특히 디스플레이 또는 스피커일 수 있다. 출력 디바이스(168)는 임피던스 측정 디바이스(100c)에서 수행된 임피던스 측정 결과를 사용자에게 출력할 수 있다.
교정 디바이스(162)의 제어기(170), 통신 디바이스(172) 및 출력 디바이스(174)는 각각 임피던스 측정 디바이스(100c)의 제어기(164), 통신 디바이스(166) 및 출력 디바이스(168)와 유사한 디바이스들일 수 있다. 제어기(170)는 임피던스 측정 디바이스(100c) 및 위상-고정 전류 생성기(124)를 제어하여 임피던스 측정 디바이스(100c)(또는 그 제어기(164))를 교정할 수 있다. 제어기(170)는 위상-고정 전류 생성기(124)에게 제1 AC 신호의 위상에 고정하도록 명령하고 제2 AC 신호의 진폭을 설정하여 제시된 임피던스를 특정할 수 있다.
제어기(170)는 위상-변이된 측정 임피던스를 수신하고 제시된 임피던스에 대한 조정 인자를 결정할 수 있다. 제어기(170)는 또한 제시된 복수의 임피던스에 대한 복수의 조정 인자들을 결정할 수 있다. 제어기(170)는 조정 인자들을 외삽하여 임피던스 측정 디바이스(100c)에서 결정된 위상-변화된 측정 임피던스와 조정 인자 사이의 관계를 결정할 수 있다. 예를 들어, 관계는 함수 관계(예를 들어, 특히 선형 또는 2차)일 수 있다. 조정 인자는 위상-변이된 측정 임피던스의 함수로 변하는 변동일 수 있다. 곡선은 조정 인자와 위상-변이된 측정 임피던스 사이의 관계를 나타낼 수 있다.
또한, 관계는 룩업테이블(Look-up table)로 표현될 수 있다. 제어기(170)는 통신 디바이스(172)를 이용하여 조정 인자를 임피던스 측정 디바이스(100c)로 발송할 수 있다. 임피던스 측정 디바이스(100c)는 동작 시 위상-변이된 측정 임피던스를 각각의 판독 임피던스들로 조정하는데 조정 인자를 사용할 수 있다.
위상-고정 전류 생성기(124)의 제어기(176) 및 통신 디바이스(178)는 각각 임피던스 측정 디바이스(100c)의 제어기(164) 및 통신 디바이스(166)와 유사한 디바이스들일 수 있다. 통신 디바이스(178)는 교정 디바이스(162)의 통신 디바이스(172)로부터 제1 AC 신호의 위상을 고정하라는 커맨드를 수신할 수 있다. 또한, 통신 디바이스(178)는 제2 AC 신호의 진폭의 표시를 수신할 수 있다. 통신 디바이스(178)는 커맨드 및 진폭을 나타내는 데이터를 제어기(176)에 출력할 수 있다.
제어기(176)는 위상-고정 전류 생성기(124)가 본 명세서에 설명된 기술들을 수행하도록 위상-고정 전류 생성기(124)를 제어할 수 있다. 제어기(176)는 제2 AC 신호의 위상을 제1 AC 신호의 위상에 고정시키도록 위상-고정 전류 생성기(124)를 제어할 수 있다. 제어기(176)는 교정 디바이스(162)에서 명령된 진폭을 갖는 제2 AC 신호를 출력할 수 있다.
대안적인 실시예에서, 교정 디바이스(162)는 생략될 수 있고, 임피던스 측정 디바이스(100c)는 교정 디바이스(162)의 기능성을 수행할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 임피던스 측정 디바이스(100c)의 통신 디바이스(166)는 위상-고정 전류 생성기(124)의 통신 디바이스(178)에 결합될 수 있다. 위상-고정 전류 생성기(124)의 조정 인자 결정 및 커맨드는 임피던스 측정 디바이스(100c)의 제어기(164)에 의해 수행될 수 있다.
도 5는 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 방법(500)의 흐름도를 도시한다. 방법(500)에서, 도 2를 참조하여 설명된 임피던스 측정 디바이스(100a)와 같은 임피던스 측정 디바이스는 502에서 위상-고정 전류 생성기로 제1 AC 신호를 출력한다. 504에서, 위상-고정 전류 생성기는 알려진 임피던스 값을 갖고 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상을 갖는 제시된 임피던스를 나타내는 진폭을 갖는 제2 AC 신호를 생성한다. 위상-고정 전류 생성기는 제2 AC 신호를 임피던스 측정 디바이스로 출력한다. 506에서, 임피던스 측정 디바이스는 제시된 임피던스와 연관된 측정된 임피던스 값을 생산하기 위해 제2 AC 신호에 기초하여 임피던스 측정을 수행한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 임피던스 측정 디바이스는 제2 AC 신호로부터 생성된 전압과 제1 AC 신호를 생성하는데 사용된 전류 사이의 비율로서 임피던스 측정을 결정할 수 있다. 또한, 임피던스 측정 디바이스는 임피던스 측정 디바이스의 처리로 인한 위상 변화들을 보상하기 위해 임피던스 측정을 위상-변이시킬 수 있다.
방법(500)은 508에서 측정된 임피던스 값과 제시된 임피던스의 알려진 임피던스 값에 기초하여 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 것을 포함한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 것은 조정 인자로 임피던스 측정 디바이스를 구성하는 것을 포함할 수 있다. 조정 인자는 측정된 임피던스와 시뮬레이션된 임피던스의 알려진 임피던스 값에 기초하여 결정될 수 있다. 동작 중에 임피던스 측정 디바이스는 조정 인자를 기초하여 측정된 임피던스들을 조정하여 각각의 판독 임피던스 측정치들을 생성한다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 샘플링 및 기준 저항들(134, 137)은 임피던스 측정 디바이스의 일부가 아닌 저항 박스에 있을 수 있다.
도 6은 임피던스 측정 디바이스(100d)를 교정하기 위한 시스템(180)을 도시한다. 시스템(180)은 임피던스 측정 디바이스(100d), 저항 모델(182) 및 위상-고정 전류 생성기(124)를 포함한다. 저항 박스일 수 있는 저항 모델(182)은 샘플링 및 기준 저항들(184, 188)을 포함한다. 따라서, 샘플링 및 기준 저항들(134, 137)은 임피던스 측정 디바이스(100d)에 통합되지 않는다. 저항들(134, 137)이 임피던스 측정 디바이스(100d)에 통합되지 않은 모드에서, 디바이스는 도 3을 참조하여 도시된 정상 테스트 모드로 구성된다. 도 3을 참조하여 본 명세서에 설명된 바와 같이, 기준 저항(137)은 스위칭 디바이스들(152, 154)의 동작에 의해 바이패스(bypass)된다. 본 명세서의 도 3을 참조하여 설명된 임피던스 측정 디바이스(100b)와 유사한 임피던스 측정 디바이스(100d)의 요소들은 동일한 참조 번호들을 갖는다.
저항 모델(182)은 제1, 제2, 제3 및 제4 샘플링 저항 단자들(190, 192, 194, 196)과 제1, 제2, 제3 및 제4 기준 저항 단자들(198, 202, 204, 206)을 갖는다. 제1 및 제2 샘플링 저항 단자들(190, 192)은 샘플링 저항(184)의 제1 단자에 결합된다. 제3 및 제4 샘플링 저항 단자들(194, 196)은 샘플링 저항(184)의 제2 단자에 결합된다. 제1 및 제2 기준 저항 단자들(198, 202)은 기준 저항(188)의 제1 단자에 결합된다. 제3 및 제4 기준 저항 단자들(204, 206)은 기준 저항(188)의 제2 단자에 결합된다.
임피던스 측정 디바이스(100d)의 제1 및 제2 단자들(104, 106)은 각각 제1 및 제3 샘플링 저항 단자들(190, 194)에 결합된다. 위상-고정 전류 생성기(124)의 제1 및 제2 입력들(136, 138)은 각각 제2 및 제4 샘플링 저항 단자들(192, 196)에 결합된다.
임피던스 측정 디바이스(100d)의 제3 및 제4 단자들(108, 110)은 각각 제1 및 제3 기준 저항 단자들(198, 204)에 결합된다. 위상-고정 전류 생성기(124)의 제1 및 제2 출력들(140, 142)은 각각 제2 및 제4 기준 저항 단자들(202, 206)에 결합된다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 임피던스 측정 디바이스(100d)는 신호를 생성한다. 임피던스 측정 디바이스(100d)는 신호를 샘플링 저항(184)으로 출력한다. 신호는 샘플링 저항(184)에 걸쳐 제1 AC 신호를 발생시킨다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제1 AC 신호를 수신한다. 본 명세서에 설명된 바와 같이, 위상-고정 전류 생성기(124)는 제2 AC 신호를 생성한다. 위상-고정 전류 생성기(124)는 제2 AC 신호를 저항 모델(182)로 출력한다. 제2 AC 신호는 기준 저항(188)에 걸쳐 제1 전압 신호의 전압 강하를 발생시킨다. 임피던스 측정 디바이스(100d)는 저항 모델(182)에 의해 생성된 제1 전압 신호를 수신한다. 시스템(180)은 임피던스 측정 디바이스로부터 샘플링 및 기준 저항들을 분리하고 저항이 임피던스 측정 디바이스에 결합 가능한 저항 모델에 배치되도록 제공한다.
전술한 개시를 고려하여, 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 방법, 임피던스 측정 디바이스 및 임피던스 측정 디바이스를 교정하기 위한 시스템의 다양한 예는 제1 AC 신호를 출력하는 단계; 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상을 갖는 제2 AC 신호를 수신하는 단계; 제시된 임피던스와 연관된 측정된 임피던스 값을 생성하기 위해 제2 AC 신호에 기초하여 임피던스 측정을 수행하는 단계; 및 측정된 임피던스 값과 제시된 임피던스의 알려진 임피던스 값을 기초로 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 단계의 피쳐 중 어느 하나 또는 조합을 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 제1 AC 신호를 위상-고정 전류 생성기로 출력하고 위상-고정 전류 생성기로부터 제2 AC 신호를 수신하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 알려진 임피던스 값을 갖는 제시된 임피던스를 나타내는 진폭을 갖는 제2 AC 신호와 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 임피던스 측정 디바이스에 의해 수행되는 임피던스 측정과 같은 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 제시된 임피던스를 변경하기 위해 제2 AC 신호의 진폭을 변경하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 제2 AC 신호의 진폭의 변경의 세분성에 대응하는 제시된 임피던스의 변경의 세분성과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 제2 AC 신호의 진폭을 제1 진폭에서 제2 진폭으로 변경하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 가장 미세한 단계적 설정에 의해 제2 진폭이 제1 진폭과 다른 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 측정된 임피던스 값과 제시된 임피던스의 알려진 임피던스 값에 기초하여 조정 인자를 결정하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 조정 인자에 기초하여 개별의 판독 임피던스 측정치들을 생성하기 위해 측정된 임피던스 값들을 조정하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있습니다.
방법, 디바이스 및 시스템은 제시된 임피던스의 함수로서 선형적으로 변하는 조정 인자와 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 임피던스 값들의 개별의 복수 쌍들 및 대응하는 제시된 임피던스들에 기초하여 복수의 조정 인자들 사이를 외삽함으로써 복수의 조정 인자를 결정하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 임피던스 측정 디바이스에 포함된 기준 저항을 통해 제2 AC 신호를 통과시키는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 기준 저항 양단의 전압 신호를 검출하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 샘플링 저항을 통해 전류 신호를 전달하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 샘플링 저항 양단의 제1 AC 신호를 검출하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 측정된 임피던스 값을 전압 신호와 전류 신호의 비율로 결정하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 임피던스 측정 디바이스에 의해 수행되는 처리를 설명하기 위해 측정된 임피던스 값을 위상 변이시키는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 측정된 임피던스 값과 제시된 임피던스의 알려진 임피던스 값 사이의 비율로서 조정 인자를 결정하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 기준 저항 양단의 전압 신호가 10nV와 1 ㎷ 사이가 되도록 동작하는 제2 AC 신호와 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 제1 AC 신호를 위상-고정 전류 생성기로 출력하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스의 출력 단자; 제2 교류 신호를 수신하도록 구성된 임피던스 측정 디바이스의 입력 단자; 및 임피던스 측정을 수행하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스의 제어기와 같은 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 위상-고정 전류 생성기에 의해 제2 AC 신호의 진폭을 변경하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 위상-고정 전류 생성기에 의해 제2 AC 신호의 진폭을 제1 진폭에서 제2 진폭으로 변경하는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 조정 인자로 구성되고 측정된 임피던스 값을 조정하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스의 제어기와 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 샘플링 저항이 임피던스 측정 디바이스에 통합되는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 샘플링 저항이 출력 단자에 결합되고 전류 신호를 수신하도록 구성되는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 샘플링 저항이 전류 신호의 통과에 응답하여 제1 AC 신호를 생성하도록 구성되는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 기준 저항이 임피던스 측정 디바이스에 통합되는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 기준 저항이 입력 단자에 결합되고 제2 AC 신호를 수신하도록 구성되는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 기준 저항이 제2 AC 신호의 통과에 응답하여 전압 신호를 생성하도록 구성되는 것과 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 측정된 임피던스 값을 결정하도록 구성되는 임피던스 측정 디바이스와 같은 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 임피던스 측정 디바이스의 출력 단자에 결합되며, 상기 제1 교류 신호를 수신하도록 구성된 입력 단자; 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상을 갖는 상기 제2 AC 신호가 생성되도록 구성되는 제어기; 및 임피던스 측정 디바이스의 입력 단자와 결합되고 제2 교류 신호를 출력하도록 구성된 입력 단자를 포함하는 위상-고정 전류 생성기와 같은 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
방법, 디바이스 및 시스템은 제시된 임피던스를 변경하기 위해 제2 AC 신호의 진폭을 변경하도록 구성되는 위상-고정 전류 생성기의 제어기와 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다. 방법, 디바이스 및 시스템은 제2 AC 신호의 진폭을 제1 진폭에서 제2 진폭으로 변경하도록 구성되는 위상-고정 전류 생성기의 제어기와 같은 또 다른 피쳐를 포함할 수 있다.
위에서 설명된 다양한 실시예는 추가 실시예를 제공하기 위해 조합될 수 있다. 위의 상세한 설명을 고려하여 실시예에 이들 및 다른 변경이 이루어질 수 있다. 일반적으로, 다음의 청구범위에 있어서, 사용된 용어는 청구범위를 명세서 및 청구범위에 개시된 특정 실시예로 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 가능한 모든 실시예와 청구범위에 부여되는 균등물의 전체 범위를 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 따라서 청구범위는 개시 내용에 의해 제한되지 않는다.
Claims (20)
- 임피던스 측정 디바이스(impedance measurement device)에 있어서,
위상-고정 전류 생성기(phase-locked current generator)로 제1 AC 신호를 출력하도록 구성된 출력 단자;
상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 생성되고, 상기 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상과 알려진 임피던스 값을 갖는 제시된 임피던스를 나타내는 진폭을 갖는 제2 AC 신호를 수신하도록 구성된 입력 단자; 및
제어기를 포함하고, 상기 제어기는:
상기 제시된 임피던스와 연관된 측정된 임피던스 값을 생성하기 위해 상기 제2 AC 신호에 기초하여 임피던스 측정을 수행하고; 그리고
상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값을 기초로 교정되도록 구성되는, 임피던스 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 위상-고정 전류 생성기는, 작동 중에, 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭을 변경하고,
상기 제시된 임피던스는 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭의 변경에 응답하여 변경되고, 그리고
상기 제시된 임피던스 변경의 제1 세분성(granularity)은 상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공된 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭의 상기 변경의 제2 세분성에 대응하는, 임피던스 측정 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 입력 단자는 상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 생성되고 상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 가장 미세한 단계적 설정(step-wise)에 의해 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭과 다른 진폭을 갖는 제3 AC 신호를 수신하도록 구성되는, 임피던스 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는 조정 인자(adjustment factor)에 기초하여 측정된 임피던스 값들을 조정하여 개별의 판독 임피던스 측정치들을 생성하도록 구성되며, 상기 조정 인자는 상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값에 기초하여 결정되는, 임피던스 측정 디바이스.
- 제4항에 있어서,
상기 조정 인자는 상기 제시된 임피던스의 함수에 따라 선형적으로 변하고,
상기 제어기는 측정된 임피던스 값들의 개별의 복수 쌍들 및 대응하여 제시된 임피던스들에 기초하여 결정되는 복수의 조정 인자들로 교정되도록 구성되고, 그리고
상기 제어기는 상기 복수의 조정 인자들 중 제1 조정 인자와 제2 조정 인자 사이를 외삽함으로써 결정되는 외삽된 조정 인자로 교정되도록 구성되는, 임피던스 측정 디바이스. - 제1항에 있어서,
상기 출력 단자에 결합되고 전류 신호를 수신하도록 구성된 샘플링 저항 - 여기서, 상기 샘플링 저항은 상기 전류 신호의 통과에 응답하여 상기 제1 AC 신호를 생성하도록 구성됨 -; 및
상기 입력 단자에 결합되고, 상기 제2 AC 신호를 수신하도록 구성된 기준 저항을 포함하고, 상기 기준 저항은 상기 제2 AC 신호의 통과에 응답하여 전압 신호를 생성하도록 구성되고,
상기 임피던스 측정 디바이스는 상기 전류 신호에 대한 상기 전압 신호의 비율에 기초하여 상기 측정된 임피던스 값을 결정하도록 구성되고, 상기 측정된 임피던스 값은 상기 임피던스 측정 디바이스에 의한 처리 중에 수행된 위상 변이(phase-shifting)를 보상하기 위해 위상 변이되는, 임피던스 측정 디바이스. - 제6항에 있어서, 상기 제2 AC 신호는 상기 기준 저항 양단의 상기 전압 신호가 10 나노볼트(nV)와 1 밀리볼트(mV) 사이가 되도록 동작하는, 임피던스 측정 디바이스.
- 제1항에 있어서, 조정 인자는 상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값 사이의 비율로 결정되는, 임피던스 측정 디바이스.
- 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 방법에 있어서,
위상-고정 전류 생성기로 제1 AC 신호를 출력하는 단계;
상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 생성되고, 상기 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상과 알려진 임피던스 값을 갖는 제시된 임피던스를 나타내는 진폭을 갖는 제2 AC 신호를 수신하는 단계;
상기 제시된 임피던스와 연관된 측정된 임피던스 값을 생성하기 위해 상기 임피던스 측정 디바이스에 의해 상기 2 AC 신호에 기초하여 임피던스 측정을 수행하는 단계; 및
상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값을 기초로 상기 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 단계를 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제2 AC 신호의 상기 진폭을 변경하는 단계;
상기 제2 AC 신호의 상기 진폭의 변경에 응답하여 상기 제시된 임피던스를 변경시키는 단계를 더 포함하고, 여기서:
상기 제시된 임피던스 상기 변경의 제1 세분성은 상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공된 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭의 변경의 제2 세분성에 대응하는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 생성되고 상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 가장 미세한 단계적 설정에 의해 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭과 다른 진폭을 갖는 제3 AC 신호를 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값에 기초하여 조정 인자를 결정하는 단계; 및
상기 조정 인자에 기초하여, 개별의 판독 임피던스 측정치들을 생성하기 위해 상기 측정된 임피던스 값을 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제12항에 있어서, 상기 조정 인자는 상기 제시된 임피던스의 함수에 따라 선형적으로 변하며, 상기 방법은:
측정된 임피던스 값들의 개별의 복수 쌍들과 대응하여 제시된 임피던스들에 기초하여 복수의 조정 인자들을 결정하는 단계;
상기 복수의 조정 인자들 중 제1 조정 인자와 제2 조정 인자 사이를 외삽함으로써 외삽된 조정 인자를 결정하는 단계; 및
상기 복수의 조정 인자들 및 상기 외삽된 조정 인자를 사용하여 상기 임피던스 측정 디바이스를 교정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 임피던스 측정 디바이스에 포함된 기준 저항을 통해 상기 제2 AC 신호를 전달하는 단계;
상기 기준 저항 양단의 전압 신호를 검출하는 단계;
샘플링 저항(sampling resistance)을 통해 전류 신호를 전달하는 단계;
상기 샘플링 저항의 양단의 상기 제1 AC 신호를 검출하는 단계;
상기 측정된 임피던스 값을 상기 전압 신호와 상기 전류 신호의 비율로 결정하는 단계; 및
상기 임피던스 측정 디바이스에 의한 처리 동안 수행된 위상 변이를 보상하기 위해 상기 측정된 임피던스 값을 위상 변이시키는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제14항에 있어서,
상기 기준 저항 양단의 상기 전압 신호가 10 나노볼트(nV)와 1 밀리볼트(mV) 사이인 것으로 검출하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제9항에 있어서,
상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값 사이의 비율로 조정 인자를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 시스템에 있어서,
임피던스 측정 디바이스 - 상기 임피던스 측정 디바이스는:
제1 AC 신호를 출력하도록 구성된 출력 단자;
알려진 임피던스 값을 갖는 제시된 임피던스를 나타내는 진폭을 갖는 제2 AC 신호를 수신하도록 구성된 입력 단자; 및
제어기를 포함하고, 상기 제어기는:
상기 제시된 임피던스와 연관된 측정된 임피던스 값을 생성하기 위해 상기 제2 AC 신호에 기초하여 임피던스 측정을 수행하고; 그리고
상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값을 기초로 교정되도록 구성됨 -; 및
위상-고정 전류 생성기를 포함하고, 상기 위상-고정 전류 생성기는:
상기 임피던스 측정 디바이스의 상기 출력 단자에 결합되며, 상기 제1 AC 신호를 수신하도록 구성된 입력 단자;
상기 제1 AC 신호의 위상에 고정된 위상을 갖는 상기 제2 AC 신호가 생성되도록 구성되는 제어기; 및
상기 임피던스 측정 디바이스의 상기 입력 단자에 결합되고 상기 제2 AC 신호를 출력하도록 구성된 입력 단자를 포함하는, 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 위상-고정 전류 생성기의 상기 제어기는 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭을 변경하도록 구성되고,
상기 제시된 임피던스는 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭의 변경에 응답하여 변경되고, 그리고
상기 제시된 임피던스의 상기 변경의 제1 세분성은 상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공된 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭의 상기 변경의 제2 세분성에 대응하는, 시스템. - 제17항에 있어서, 상기 위상-고정 전류 생성기의 상기 제어기는:
상기 위상-고정 전류 생성기에 의해 제공되는 가장 미세한 단계적 설정에 의해 상기 제2 AC 신호의 상기 진폭과 다른 진폭을 갖는 제3 AC 신호를 생성하도록 구성되는, 시스템. - 제17항에 있어서, 상기 임피던스 측정 디바이스의 상기 제어기는 조정 인자에 기초하여 측정된 임피던스 값들을 조정하여 개별의 판독 임피던스 측정치들을 생성하고, 상기 조정 인자는 상기 측정된 임피던스 값과 상기 제시된 임피던스의 상기 알려진 임피던스 값을 기초로 결정되는, 시스템.
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