KR101703063B1 - High voltage Radio Frequency waveform generating Apparatus and Method to operate ion mobility device using linear amplifier - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 이온 이동도 장치의 구동 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 초광대역 RF(Radio Frequency) 선형 증폭기를 이용한 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer ; FAIMS)용 파형 생성 장치 및 방법에 대한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to a driving method of an ion mobility apparatus, and more particularly, to a driving method of an ion mobility apparatus using a waveform generator for an asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS) using an ultra-wideband radio frequency (RF) And methods.
비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)는 대기중의 분자 이온의 이동시 분자 크기 및/또는 모양의 특징상 차이로 만들어지는 이온 이동도(mobility)의 차이를 극대화하여 특정 이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있어 이온필터로 사용될 수 있으며 통과된 이온을 측정함으로써 특정한 물질을 대기중에서 탐지 하기 위한 장비이다. The asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS) maximizes the difference in mobility between molecular mobility and / or shape at the time of transfer of molecular ions in the atmosphere, It can be used as an ion filter because it can selectively pass only ions. It is a device for detecting a specific substance in air by measuring passed ions.
FAIMS는 이온 이동도를 이용한 이온필터 및 탐지장치 중에서 소형화에 적합하여 이온 선택도 역시 높아 휴대용 탐지장치로 개발되어왔다. FAIMS는 일반적으로 서로 마주보는 2개의 전극 사이에 높은 전기장을 비대칭으로 가하여 전극을 지나는 가스 유동에 의해 이온이 지나가는 동안 윗쪽 전극과 아랫쪽 전극방향으로 각각 운동을 반복하며 비대칭 전기장에 의해 한쪽 전극으로 사라지게 되어있으며 특정한 이온만이 이 전극 사이를 통과할 수 있도록 구성되어 작동한다. FAIMS is suitable for miniaturization among ion filters and detection devices using ion mobility and has high ion selectivity and has been developed as a portable detection device. FAIMS generally applies a high electric field asymmetrically between two opposing electrodes and repeats the motion in the direction of the upper electrode and the lower electrode while the ions are passing by the gas flow passing through the electrode and disappears to the one electrode by the asymmetric electric field And only certain ions are allowed to pass between these electrodes.
이때 전극 사이에 가해주는 비대칭 고전압 RF 파는 단순한 사인파가 아닌 이상적으론 사각파형을 사용하는 것이 가장 좋으나 높은 전압에 빠른 주파수의 사각파형을 만드는 것은 어려운 일이다. At this time, the asymmetric high-voltage RF wave applied between the electrodes is ideally not a simple sine wave but ideally a square wave, but it is difficult to make a square wave of a high frequency at a high voltage.
또한, 사각파의 듀티비(duty rate)와 오프셋 전압(DC offset)의 조절과 같은 FAIMS 동작시 미세하게 파형의 형태를 조절해야 하는 어려운 점이 있다.In addition, there is a difficulty in finely adjusting the shape of the waveform in the FAIMS operation such as the duty ratio of the square wave and the adjustment of the offset voltage (DC offset).
특히, OP 앰프(OP amp)에 기반한 초 광대역 전압 증폭기를 이용하여 구성된 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기에 가해지는 고전압 RF 신호는 이온의 이동도를 조절하고 특정 이온만을 선택하기 위한 중요한 환경 조건으로 작용한다. In particular, the asymmetric electric field ion mobility separator constructed using an OP amp-based ultra-wideband voltage amplifier, a high-voltage RF signal, is an important environmental condition for controlling the mobility of ions and selecting only specific ions .
즉, RF 파형의 모양에 의해서 FAIMS 장치의 특정 이온 선택성이 향상 될 수 있어 장비 개발에 있어서 장비의 특성에 맞는 성능을 구현하기 위한 고전압의 RF 파형을 자유롭게 생성 및/또는 작동 시킬 수 있는 것은 매우 중요한 조건이다.That is, the specific ion selectivity of the FAIMS device can be improved by the shape of the RF waveform, and it is very important to freely generate and / or operate a high-voltage RF waveform for realizing the performance suited to the characteristics of the equipment in equipment development Condition.
그러나, 필요한 RF 파형이 단순한 사인파(sin wave)가 아니고 비대칭의 사각파에 가까운 고전압, 고주파의 신호이므로 일반적인 출력 트랜스를 사용하는 사인파 발생기 및 증폭기로는 구현이 어렵다는 문제점이 있다.However, since the necessary RF waveform is not a simple sine wave but a high voltage and high frequency signal close to an asymmetric square wave, it is difficult to implement a sine wave generator and an amplifier using a general output transformer.
본 발명은 배경기술에서 기술된 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, FAIMS(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS) 작동에 요구되는 고전압, 고주파의 비대칭 RF 파형(사각파에 가까움)을 자유로이 설계 및/또는 즉시 출력이 가능한 고전압 RF 파형 생성 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the problems described in the background art, and it is an object of the present invention to freely design and develop high voltage, high frequency asymmetric RF waveform (close to square wave) required for FAIMS (High voltage Asymmetric field ion mobility spectrometer Voltage RF waveform generation device and method capable of outputting a high-frequency RF signal and / or outputting it immediately.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, FAIMS(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS) 작동에 요구되는 고전압, 고주파의 비대칭 RF 파형(사각파에 가까움)을 자유로이 설계 및/또는 즉시 출력이 가능한 고전압 RF 파형 생성 장치를 제공한다.In order to accomplish the above-mentioned object, the present invention provides a method for designing and / or outputting an asymmetric RF waveform (close to a square wave) of high voltage and high frequency required for operation of a FAIMS (High voltage asymmetric field ion mobility spectrometer) A high voltage RF waveform generator is provided.
상기 고전압 RF 파형 생성 장치는,The high-voltage RF waveform generation apparatus includes:
미리 설정되는 파형 설계 정보를 입력받아 상기 파형 설계 정보로부터 이온 이동도 분리기 구동용 고전압 RF(Radio Frequency)파형의 제 1 전압 신호를 생성하는 신호 생성부;A signal generator for receiving a predetermined waveform design information and generating a first voltage signal of a radio frequency (RF) waveform for driving an ion mobility separator from the waveform design information;
상기 제 1 전압 신호를 증폭 조절하여 제 2 전압 신호를 생성하는 고전압 선형 증폭기; 및A high voltage linear amplifier for amplifying and regulating the first voltage signal to generate a second voltage signal; And
상기 제 2 전압 신호를 인가받아 출력하는 전극;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.And an electrode for receiving and outputting the second voltage signal.
상기 신호 생성부는, 상기 파형 설계 정보를 생성하는 퍼스널 컴퓨터; 및 상기 파형 설계 정보를 상기 제 1 전압 신호로 처리하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The signal generator may include: a personal computer for generating the waveform design information; And a signal processor for processing the waveform design information into the first voltage signal.
또한, 상기 신호 처리부는, 상기 파형 설계 정보에 따라 디지털 전압 신호를 생성하는 MCU(Micro Control Unit); 및 상기 디지털 전압 신호를 아날로그의 제 1 전압 신호로 변환하는 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The signal processing unit may further include: an MCU (Micro Control Unit) for generating a digital voltage signal according to the waveform design information; And a converter for converting the digital voltage signal into an analog first voltage signal.
또한, 상기 고전압 선형 증폭기는, OP(Operation) 앰프(AMPlifier); 상기 OP 앰프의 반전 입력 단자에 전기적으로 연결되는 가변 저항; 상기 가변 저항과 상기 신호 생성부 사이에 전기적으로 연결되는 제1 저항; 및 상기 OP 앰프의 반전 입력 단자와 상기 OP 앰프의 출력 단자 사이에 전기적으로 연결되는 제2 저항;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.The high voltage linear amplifier may further include: an OP (Operation) amplifier; A variable resistor electrically connected to an inverting input terminal of the operational amplifier; A first resistor electrically connected between the variable resistor and the signal generating unit; And a second resistor electrically connected between an inverting input terminal of the OP amplifier and an output terminal of the OP amplifier.
또한, 상기 이온 이동도 분리기는 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)인 것을 특징으로 할 수 있다.The ion mobility separator may be a high voltage asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS).
또한, 상기 파형 설계 정보는 사용자의 파형 설계를 위한 입력 정보에 따라 생성되는 것을 특징으로 할 수 있다.The waveform design information may be generated according to input information for waveform design of a user.
또한, 상기 RF 파형은 비대칭의 사각파형인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the RF waveform may be an asymmetric square waveform.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 신호 생성부가 미리 설정되는 파형 설계 정보를 입력받는 단계; 상기 신호 생성부가 상기 파형 설계 정보로부터 이온 이동도 분리기 구동용 고전압 RF(Radio Frequency)파형의 제 1 전압 신호를 생성하는 단계; 선형 증폭기가 상기 제 1 전압 신호를 증폭 조절하여 제 2 전압 신호를 생성하는 단계; 및 상기 제 2 전압 신호를 전극에 인가하여 출력하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 방법을 제공할 수 있다.On the other hand, another embodiment of the present invention is a method of generating waveform design information, comprising: receiving waveform design information to which a signal generating section is preset; Generating a first voltage signal of a high-frequency radio frequency (RF) waveform for driving an ion mobility separator from the waveform design information; Amplifying and regulating the first voltage signal to generate a second voltage signal; And applying the second voltage signal to an electrode to output the second voltage signal; Voltage RF waveform generation method for driving an ion mobility apparatus using a linear amplifier.
본 발명에 따르면, 출력 임피던스가 높지만 고전압, 고주파 특성을 갖는 오퍼레이션 앰프(OPeration amplifier)가 갖는 상대적으로 넓은 동작 주파수 영역으로 FAIMS(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS) 전극에 인가되는 RF(Radio Frequency) 전압신호 주파수의 자유로운 설계 및 구현이 가능하다.(RFIM) applied to a high frequency asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS) electrode in a relatively wide operating frequency range of an operation amplifier having a high output impedance but high voltage and high frequency characteristics, ) Voltage signal frequency can be freely designed and implemented.
특히, 본 발명의 다른 효과로서는 비대칭의 임의파형 구현에 유리하여 보다 효과적인 FAIMS용 파형 설계 구성이 가능하다는 점을 들 수 있다.Particularly, as another effect of the present invention, it is advantageous to realize an asymmetric arbitrary waveform, so that a more effective waveform design for FAIMS is possible.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 모든 파형을 PC(Personal Computer)에서 설계하고 그 모양에 제한없이 900 kHz까지 안정적으로 출력이 가능하여 그 결과, 다양한 시료 이온들의 선택 및/또는 탐지를 위한 자유로운 파형 설계 및/또는 FAIMS로의 직접적인 출력이 가능하다는 점을 들 수 있다.Further, as another effect of the present invention, all waveforms are designed by a PC (personal computer) and can be output stably to 900 kHz without limitation, and as a result, free waveforms for selection and / or detection of various sample ions Design and / or direct output to FAIMS is possible.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 이러한 자유로운 파형설계 및 출력 능력은 FAIMS의 구조 설계와 성능 최적화와 감도 및 선별 분해능을 개선할 수 있고 안정된 출력을 얻을 수 있는 이점을 들 수 있다.Further, as another effect of the present invention, such a free waveform designing and output capability can improve the structural design and performance optimization of FAIMS, sensitivity and sorting resolution, and provide a stable output.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)의 전극 사이에 출력하여 최종적으로 대기압 공기유동으로 흘러가는 시료이온을 운동시켜 특정이온을 분리해내는 장치를 위한 다양한 파형설계가 가능하여 이를 통한 성능개선의 중요한 도구를 제공할 수 있다는 점을 들 수 있다.As another effect of the present invention, an asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS) separator is used to output a signal between the electrodes to finally move the sample ions flowing into the atmospheric pressure air flow to isolate specific ions It is possible to design a variety of waveforms for the receiving device, which can provide an important tool for improving the performance.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)를 위한 고전압, 고주파 비대칭 RF(Radio Frequency) 파형 생성 장치(100)의 전체 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 신호 생성부(110)의 세부 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 고전압 증폭기(120)의 회로도의 일례로서 FAIMS 구동용 고전압, 고주파 비대칭 RF 파형 생성 장치에서 중요한 고전압, 고주파용 오퍼레이션 앰프의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 FAIMS구동용 고전압, 고주파 비대칭 RF 파형 생성 장치에서 중요한 고전압, 고주파용 오퍼레이션 앰프(Operation AMPlifier)에서 출력하는 대표적인 2가지 형태의 파형과 조절 가능한 파형 요소인 "듀티비" 및 "오프셋 전압"등을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 종래의 RF 전압 증폭기가 갖는 입력 주파수별 증폭 비율의 특성 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 오퍼레이션 앰프를 이용한 RF 전압 증폭기가 갖는 주파수별 증폭 특성 그래프로 보다 평평하고 안정된 특성을 갖는 그래프이다. FIG. 1 is a schematic diagram of a high-voltage, high-frequency asymmetric RF (Radio Frequency)
2 is a detailed configuration diagram of the
3 is a circuit diagram of a high-voltage and high-frequency operation amplifier which is important in a high-voltage, high-frequency asymmetric RF waveform generator for FAIMS drive, as an example of a circuit diagram of the high-
FIG. 4 is a graph showing waveforms of two representative waveforms output from an operation amplifier for high voltage and high frequency in a high-voltage, high-frequency asymmetric RF waveform generator for driving FAIMS according to an exemplary embodiment of the present invention, Quot; duty ratio "and" offset voltage "and the like.
FIG. 5A is a characteristic graph of the amplification ratio of the conventional RF voltage amplifier according to the input frequency.
FIG. 5B is a graph showing amplification characteristics according to frequencies of an RF voltage amplifier using an operational amplifier according to an embodiment of the present invention, which is more flat and stable.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Like reference numerals are used for similar elements in describing each drawing.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component. The term "and / or" includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Should not.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, an apparatus and method for generating a high voltage RF waveform for driving an ion mobility apparatus using a linear amplifier according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)를 위한 고전압, 고주파 비대칭 RF(Radio Frequency) 파형 생성 장치(100)의 전체 개념도이다. 도 1을 참조하면, RF(Radio Frequency) 파형 생성 장치(100)는, 신호 생성부(110), 고전압 증폭기(120) 및 전극(130) 등을 포함하여 구성된다.FIG. 1 is a schematic diagram of a high-voltage, high-frequency asymmetric RF (Radio Frequency)
부연하면, 신호 생성부(110)는, 사용자의 파형 설계에 따른 파형 설계 정보(101)를 생성하는 PC(Personal Computer)(111)와, 파형 설계 정보(101)에 따라 작은 신호인 제 1 전압 신호를 생성하는 신호 처리부(112)로 구성된다. 여기서, 제 1 전압 신호는 이온 이동도 분리기 구동용 고전압 RF 파형의 전압 신호이다. The
신호 처리부(112)에 대한 더 상세한 구성이 도 2에 도시된다. 도 2에 대하여는 후술하기로 한다.A more detailed configuration for the
도 1을 계속 참조하면, 고전압 선형 증폭기(120)는 신호 처리부(112)로부터 생성된 제 1 전압 신호를 증폭 조절하여 제 2 전압 신호를 생성하고, 이를 전극(130)에 인가한다. 전극(130)은 FAIMS(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer)의 전극이 된다. 그 결과, 이 전극(130) 내에서는 인가된 전압에 따라 대기중 시료 이온들의 운동이 발생될 수 있다.1, the high-voltage
또한, 신호 생성부(110)는 시료 이온의 선택 및/또는 측정 최적화를 위하여 다양한 파형을 설계 및/또는 발생시키고 이를 고전압 선형 증폭기(120)를 통하여 전압 증폭하여 전극(130)에 트래핑 전압 등 전력을 인가하기 위한 부분이다. In addition, the
특히, 신호 생성부(110)는 임의 파형 형태의 제 1 전압(또는 전력) 신호를 생성하여 고전압 선형 증폭기(120)에 전달할 수 있다. 고전압 선형 증폭기(120)는 신호 생성부(110)로부터 제 1 전압 신호를 수신하며, 제 1 전압 신호를 증폭하고 제 2 전압 신호로 변환하여 전극(130)에 인가할 수 있다. 그 결과, 전극(130) 내에서는 인가된 전압에 따라 대기중 시료 이온들의 운동이 발생될 수 있다. 여기서, 제 1 전압 신호는 최대 약 10V 전압 크기가 될 수 있다. In particular, the
도 2는 도 1에 도시된 신호 생성부(110)의 세부 구성도이다. 도 2를 참조하면, 신호 생성부(110)는 개인용 컴퓨터(Personal Computer; PC)(111), 신호 처리부(112) 등을 포함하여 구성된다.2 is a detailed configuration diagram of the
이때, 신호 처리부(112)는, 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit; MCU)(220) 및 변환기(230) 등을 포함하여 구성된다. 마이크로 컨트롤 유닛(220)은 퍼스널 컴퓨터(110)에서 설계된 파형 설계 정보(101)에 따라 전압을 출력하여 디지털 전압 신호를 생성하게 된다. 변환기(230)는 디지털-아날로그 변환기(Digital-Analog converter; DA)가 될 수 있다. 따라서, 변환기(230)는 MCU(220)에 의해 생성되는 디지털 전압 신호를 아날로그 신호로 변환하여 제1 전압 신호를 생성할 수 있다. 도 2에 도시된 신호 생성부(110)의 구성은 단지 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 신호 생성부는 다른 전압 신호를 출력할 수 있는 상이한 구성을 가질 수도 있다. The
신호 생성부(110)에 의해 생성된 제 1 전압 신호는 고전압 선형 증폭기(120)로 전달될 수 있다.The first voltage signal generated by the
도 3은 도 2에 도시된 고전압 증폭기(120)의 회로도의 일례로서 FAIMS 구동용 고전압, 고주파 비대칭 RF 파형 생성 장치에서 중요한 고전압, 고주파용 오퍼레이션 앰프의 회로도이다. 일반적으로 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)의 동작을 위해 필요한 고전압, 고주파의 RF 파형은 분리기가 분리하려는 시료 물질에 따라 파형의 모양이 다양하게 설계될 수 있다. 3 is a circuit diagram of a high-voltage, high-frequency operation amplifier which is important in a high-voltage, high-frequency asymmetric RF waveform generator for FAIMS drive, as an example of a circuit diagram of the high-
특히, 비대칭의 사각파에 가까운 파형을 만들고 파형의 듀티비(duty rate) 나 오프셋 전압을 정밀하게 조절할 필요가 있는데 이러한 변화를 구현하기 위해 일반적으로 출력 코일을 사용하는 RF 증폭기의 경우, 고전압 생성에는 유리하지만 모양을 사각파로 만들거나 비대칭의 파형을 만들어낼 수 없다. In particular, it is necessary to make asymmetric square waves and to precisely control the duty rate or offset voltage of the waveform. For RF amplifiers, which generally use output coils to implement these changes, It is advantageous, however, that it can not be shaped into square waves or produce asymmetric waveforms.
이러한 문제를 효과적으로 해결하기 위해서 본 발명의 일실시예에서는 출력 임피던스가 높지만 높은 출력 전압 및/또는 고주파 특성을 가지고 있는 오퍼레이션 앰프(Operation amplifier) 소자를 이용한 선형 증폭기를 사용하여 자유로운 고전압 고주파의 출력이 가능하다.In order to solve this problem effectively, a high-frequency high-frequency output can be freely generated by using a linear amplifier using an operation amplifier element having a high output voltage and high output voltage and / or high frequency characteristics in an embodiment of the present invention Do.
이를 위해, 고전압 선형 증폭기(120)는 OP(Operation) 앰프(AMPlifier)(310); 상기 OP 앰프(310)의 반전 입력 단자에 전기적으로 연결되는 가변 저항(VR); 상기 가변 저항(VR)과 상기 신호 생성부 사이에 전기적으로 연결되는 제1 저항(R1); 및 상기 OP 앰프(310)의 반전 입력 단자와 상기 OP 앰프(310)의 출력 단자 사이에 전기적으로 연결되는 제2 저항(R3); 등을 포함하여 구성된다.To this end, the high voltage
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 FAIMS구동용 고전압, 고주파 비대칭 RF 파형 생성 장치에서 중요한 고전압, 고주파용 오퍼레이션 앰프(Operation AMPlifier)에서 출력하는 대표적인 2가지 형태의 파형과 조절 가능한 파형 요소인 "듀티비" 및 "오프셋 전압"등을 나타내는 그래프이다. 도 4를 참조하면, 동일한 듀티비(430) 및 오프셋 전압(440)에 대하여 비대칭 사각파형(410) 및 비대칭 사인파형(420)이 도시된다.FIG. 4 is a graph showing waveforms of two representative waveforms output from an operation amplifier for high voltage and high frequency in a high-voltage, high-frequency asymmetric RF waveform generator for driving FAIMS according to an exemplary embodiment of the present invention, Quot; duty ratio "and" offset voltage "and the like. Referring to FIG. 4, an asymmetric square waveform 410 and an asymmetric sinusoidal waveform 420 are shown for the
도 5a는 종래의 RF 전압 증폭기가 갖는 입력 주파수별 증폭 비율의 특성 그래프이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 오퍼레이션 앰프를 이용한 RF 전압 증폭기가 갖는 주파수별 증폭 특성 그래프로 보다 평평하고 안정된 특성을 갖는 그래프이다. FIG. 5A is a characteristic graph of amplification ratios according to input frequencies of a conventional RF voltage amplifier, FIG. 5B is a graph showing amplification characteristics of RF voltage amplifiers using operation amplifiers according to an embodiment of the present invention, Fig.
본 발명의 일실시예에서 입력 주파수란, 신호 생성부(110)로부터 고전압 선형 증폭기(120)에 입력되는 제 1 전압 신호의 주파수에 대응된다. 도 5a에 도시된 실험예에서 제 1 전압 신호의 전압 크기는 약 0.1 V 였다. 입력 주파수가 변화함에 따라 출력 전압(510)이 크게 변화하여 출력 전력은 약 5W에서 약 13W까지 변화한다. 그 결과, 출력 전력이 약 8W인 경우에는 전압이 고점 대비 약 20% 감소하였으며, 출력 전력이 약 5W인 경우에는 전압이 고점 대비 약 38% 감소하는 등 출력 전압이 안정되지 않은 것을 알 수 있다. The input frequency corresponds to the frequency of the first voltage signal input from the
반면, 본 발명의 일실시예에 따른 도 5b에서 3개의 그래프(520, 530, 540)는 각각 전압 증폭기에 입력되는 제 1 전압 신호의 전압 크기가 약 400V, 약 300V 및 약 200V인 경우의 고전압 선형 증폭기(120)의 출력 전압을 나타낸다. 도시되는 바와 같이, 각각의 그래프(520, 530, 540)에서 출력 전압은 입력 주파수가 변화하더라도 거의 대부분의 영역에서 일정하게 유지되며, 입력 주파수가 약 1000 kHz로서 직류에 근접한 영역에서도 안정된 출력 전압을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 5B according to an embodiment of the present invention, the three
100: RF(Radio Frequency) 파형 생성 장치
101: 파형 설계 정보
110: 신호 생성부 111: 퍼스널 컴퓨터
112: 신호 처리부
120: 고전압 선형 증폭기
130: 전극
220: MCU(Micro Controller Unit)
230: 변환기
310: OP(Operation) 앰프(AMPlifier)100: RF (Radio Frequency) waveform generation device
101: Waveform Design Information
110: Signal generator 111: Personal computer
112: Signal processor
120: High-voltage linear amplifier
130: Electrode
220: Micro Controller Unit (MCU)
230: Converter
310: OP (Operation) AMPlifier
Claims (8)
상기 제 1 전압 신호를 증폭 조절하여 제 2 전압 신호를 생성하는 고전압 선형 증폭기; 및
상기 제 2 전압 신호를 인가받아 출력하는 전극;을 포함하며,
상기 이온 이동도 분리기는 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)이고,
상기 RF 파형은 비대칭의 사각파형이며,
상기 비대칭의 사각파형에 대한 듀티비 및 오프셋 전압이 조절가능한 것을 특징으로 하는 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 장치.
A signal generator for receiving a predetermined waveform design information and generating a first voltage signal of a radio frequency (RF) waveform for driving an ion mobility separator from the waveform design information;
A high voltage linear amplifier for amplifying and regulating the first voltage signal to generate a second voltage signal; And
And an electrode for receiving and outputting the second voltage signal,
The ion mobility separator is a high voltage asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS)
The RF waveform is an asymmetric square waveform,
Wherein the duty ratio and the offset voltage of the asymmetric rectangular waveform are adjustable. The high voltage RF waveform generator for driving the ion mobility apparatus using the linear amplifier.
상기 신호 생성부는,
상기 파형 설계 정보를 생성하는 퍼스널 컴퓨터; 및
상기 파형 설계 정보를 상기 제 1 전압 신호로 처리하는 신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the signal generator comprises:
A personal computer for generating the waveform design information; And
And a signal processor for processing the waveform design information into the first voltage signal. The high voltage RF waveform generator for driving an ion mobility apparatus using a linear amplifier.
상기 신호 처리부는,
상기 파형 설계 정보에 따라 디지털 전압 신호를 생성하는 MCU(Micro Control Unit); 및
상기 디지털 전압 신호를 아날로그의 제 1 전압 신호로 변환하는 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 장치.
3. The method of claim 2,
The signal processing unit,
An MCU (Micro Control Unit) for generating a digital voltage signal according to the waveform design information; And
And a converter for converting the digital voltage signal into an analog first voltage signal.
상기 고전압 선형 증폭기는,
OP(Operation) 앰프(AMPlifier);
상기 OP 앰프의 반전 입력 단자에 전기적으로 연결되는 가변 저항;
상기 가변 저항과 상기 신호 생성부 사이에 전기적으로 연결되는 제1 저항; 및
상기 OP 앰프의 반전 입력 단자와 상기 OP 앰프의 출력 단자 사이에 전기적으로 연결되는 제2 저항;을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 장치.
The method according to claim 1,
The high-voltage linear amplifier includes:
OP (Operation) AMPlifier;
A variable resistor electrically connected to an inverting input terminal of the operational amplifier;
A first resistor electrically connected between the variable resistor and the signal generating unit; And
And a second resistor electrically connected between an inverting input terminal of the operational amplifier and an output terminal of the operational amplifier.
상기 파형 설계 정보는 사용자의 파형 설계를 위한 입력 정보에 따라 생성되는 것을 특징으로 하는 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the waveform design information is generated in accordance with input information for a waveform design of a user.
상기 신호 생성부가 상기 파형 설계 정보로부터 이온 이동도 분리기 구동용 고전압 RF(Radio Frequency)파형의 제 1 전압 신호를 생성하는 단계;
선형 증폭기가 상기 제 1 전압 신호를 증폭 조절하여 제 2 전압 신호를 생성하는 단계; 및
상기 제 2 전압 신호를 전극에 인가하여 출력하는 단계;를 포함하며,
상기 이온 이동도 분리기는 비대칭 전기장 이온 이동도 분리기(High voltage Asymmetric field Ion Mobility Spectrometer; FAIMS)이고,
상기 RF 파형은 비대칭의 사각파형이며,
상기 비대칭의 사각파형에 대한 듀티비 및 오프셋 전압이 조절가능 한 것을 특징으로 하는 선형 증폭기를 이용한 이온 이동도 장치 구동용 고전압 RF 파형 생성 방법.Receiving the waveform design information to which the signal generating unit is preset;
Generating a first voltage signal of a high-frequency radio frequency (RF) waveform for driving an ion mobility separator from the waveform design information;
Amplifying and regulating the first voltage signal to generate a second voltage signal; And
And applying and outputting the second voltage signal to the electrode,
The ion mobility separator is a high voltage asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS)
The RF waveform is an asymmetric square waveform,
Ion mobility of the driving device generating a high voltage RF waveform method for using a linear amplifier, characterized in that the duty ratio and an offset voltage can be adjusted to the square waveform of the asymmetry.
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