KR20140040038A

KR20140040038A - 4 단자 센서와 사용하기 위한 제어 회로, 및 그러한 제어 회로를 포함하는 측정 시스템

Info

Publication number: KR20140040038A
Application number: KR1020130113062A
Authority: KR
Inventors: 콜린 지 라이덴; 도날 부크; 데니스 에이 뎀프시; 더모트 지 오키프; 패트릭 씨 커비
Original assignee: 아나로그 디바이시즈 인코포레이티드
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2014-04-02
Also published as: TWI497071B; US20140132325A1; TW201418709A; EP2711699B1; CN103675025B; EP2711699A3; CN103675025A; US10591429B2; KR101547021B1; US20170023506A1; US8659349B1; EP2711699A2

Abstract

4 단자 센서와 사용하기 위한 제어 회로로서, 센서는 제1 및 제2 구동 단자 및 제1 및 제2 측정 단자를 갖고, 제어 회로는 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차를 감지하도록 제1 및 제2 구동 단자 중 적어도 하나를 여기 신호로 구동하고, 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차가 전압의 목표 범위 내에 있도록 여기 신호를 제어하도록 배열되되, 제어 회로는, 루프 이득이 단위 이득으로 떨어질 때 폐루프 둘레 위상 변이가 실질적으로 2π 라디안 또는 그 배수가 아니도록, 그 전달 특성에서 N(N은 1보다 큰 수)개의 극 및 그 전달 특성에서 N-1개의 영점을 포함한다.

Description

4 단자 센서와 사용하기 위한 제어 회로, 및 그러한 제어 회로를 포함하는 측정 시스템{CONTROL CIRCUIT FOR USE WITH A FOUR TERMINAL SENSOR, AND MEASUREMENT SYSTEM INCLUDING SUCH A CONTROL CIRCUIT}

본 발명은 4 단자 센서와 사용하기 위한 제어 회로, 4 단자 센서 및 제어 회로의 조합, 및 4 단자 센서와 사용할 때 측정 시스템의 정확도를 개선하는 방법에 관한 것이다. 센서는, 예컨대, 포도당 센서와 같은 생물학적 센서일 수 있다.

본 발명의 제1 태양에 의하면, 4 단자 센서와 사용하기 위한 제어 회로가 제공되는데, 센서는 제1 및 제2 구동 단자 및 제1 및 제2 측정 단자를 갖고, 제어 회로는 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차를 감지하도록 제1 및 제2 구동 단자 중 적어도 하나를 여기 신호로 구동하고, 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차가 전압의 목표 범위 내에 있도록 여기 신호를 제어하도록 배열되되, 제어 회로는, 루프 이득이 단위 이득으로 떨어질 때 폐루프 둘레 위상 변이가 실질적으로 2π 라디안 또는 그 배수가 아니도록, 그 이득-주파수 전달 특성에서 N(N≥2인 정수)개의 극 및 그 이득-주파수 전달 특성에서 N-1개의 영점을 포함한다.

그리하여, 주파수 열 배(decade) 변화 당 실질적으로 -20㏈로 주파수에 따른 이득 변화를 유지하면서 제어 회로에서의 폐루프 이득이 단위 이득으로 떨어진 그러한 시각 때까지 저주파수에서 개루프 이득을 줄이는 것만으로 안정성이 달성되었다면 그랬을 것보다 제어 회로에서 더 높은 이득을 사용하여 복수의 주파수에서 4 단자 센서의 임피던스의 임피던스 측정을 수행하는 것이 가능하다.

위에서 지칭된 N개의 극 및 N-1개의 영점은 제어 회로가 발진이 일어나기에 충분한 이득을 갖는 주파수에서 발생하는 극 및 영점이다. 이것은, 예컨대, 루프 내 순방향 경로에서의 이득이 단위 이득보다 더 크다는 것을 의미한다. 바람직하게는, 제조 편차 또는 온도 편차를 감안하도록 루프에 이득 마진이 포함되고, 그 이유로 본 발명의 개요에서 지칭된 N개의 극 및 N-1개의 영점은 이득이 그렇게 0.3과 같은 0.5 이하의 이득에서 이득 마진에 의해 수정된 바와 같이 단위 이득보다 큰 주파수에서 발생한다.

이득이 예컨대 0.5 미만이 되도록, 바람직하게는 이득 마진에 의해 수정되는 바와 같이, 제어기 이득 또는 루프 이득이 단위 이득 미만으로 떨어진 주파수 위 주파수 공간에서 발생한 극은 불안정성을 일으키지 않고 무시될 수 있다.

제어 회로에서의 더 높은 이득의 사용은 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차가 목표 값 또는 목표 범위의 값으로 더 타이트 제어될 수 있고 결과적으로 다른 파라미터의 측정 또한 대응하여 개선될 것임을 의미한다.

이롭게도 제어 회로는 차등 기준 전압을 받아들이기 위한 제1 및 제2 기준 전압 입력 단자를 갖는다. 차등 기준 전압은 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차에 대해 목표 전압을 설정한다.

이롭게도 4 단자 센서는 특히 화학, 효소 또는 생물학적 물질의 농도의 함수로서 임피던스가 변하는 부하를 포함한다. 대안으로 부하의 임피던스는 반응의 함수로서 변화할 수 있다. 생물학적 파라미터의 전기적 검출을 위한 센서가 생산될 수 있음은 알려져 있다. 널리 보급되어 사용되고 있는 그러한 전기적으로 읽을 수 있는 생물학적 센서의 예는 당뇨병 관리에 사용되고 있는 혈당 측정 스트립을 포함한다.

본 발명의 제2 태양에 의하면, 4 단자 센서와 조합하여 본 발명의 제1 태양의 실시예를 구성하는 제어 회로가 제공된다.

본 발명의 제3 태양에 의하면, 다수-단자 센서 및 여기 회로를 포함하는 계기 루프의 조작 방법이 제공되는데, 다수-단자 센서는 제1 감지 단자와 구별되는 적어도 하나의 구동 단자를 갖고, 다수-단자 센서는 추가적 단자를 갖고, 여기 회로는 제1 감지 단자와 추가적 단자 간 전압 차를 측정하고 이 전압 차를 사용해서 적어도 하나의 구동 단자에 인가된 여기 신호를 제어하여 제1 감지 단자와 추가적 단자간 전압 차를 목표 값으로 또는 목표 범위 내로 유지하도록 배열되고, 여기 회로는 바크하우젠(Barkhausen) 안정성 기준을 만족하도록 그 전달 특성에서 적어도 하나의 영점을 갖도록 배열된다.

바람직하게는, 적어도 하나의 영점은 여기 회로와 연관되는 폐루프가 자려 발진(self sustaining oscillation)을 겪을 수 없도록 여기 회로의 순방향 이득이 단위 이득 미만으로 떨어진 주파수 아래 위치결정된다.

수반 도면을 참조하여 비-제한적 방식으로 본 발명이 이제 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예를 구성하는 측정 회로의 회로도;
도 2는 전류 측정 회로의 회로도;
도 3은 추가적 전류 측정 회로의 회로도;
도 4는 전기화학적 분석에서 적합한 측정 셀에 인가될 수 있는 여기 신호를 표현하는 그래프;
도 5는 전기화학적 포도당 측정 셀에 대해 시간에 관하여 전류의 이상적 진화의 그래프;
도 6은 혈당 테스트 센서에 대해 임피던스 대 주파수의 그래프;
도 7은 자려 발진에 대비해 지키도록 그 제조자에 의해 안정화된 연산 증폭기의 이득-주파수 전달 특성도;
도 8은 그 이득-주파수 응답이 도 7에 도시되어 있는 증폭기에 대해 위상 변이 대 주파수의 플롯;
도 9는 도 1의 회로의 부분이지만, 기생 성분을 포함하고 있는 도면;
도 10은 그 응답 특성에서 영점을 보상하는 어떠한 것도 없을 때, 도 1의 회로에 대해 이득-주파수 특성의 플롯;
도 11은 도 10에 도시된 이득-주파수 응답을 갖는 회로에 대해 위상-주파수 응답의 플롯;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 대해 이득-주파수 응답의 플롯;
도 13은 그 이득-주파수 응답이 도 12에 도시되어 있는 실시예에 대해 위상-주파수 플롯;
도 14는 처음의 2개의 스테이지가 2개의 극 및 1개의 영점을 도입하는데 사용될 수 있거나 모든 3개의 스테이지가 3개의 극 및 2개의 영점을 도입하는데 사용될 수 있는 회로의 회로도;
도 15는 본 발명에 따라 안정화될 수 있는 차등 계기 루프의 도면;
도 16은 극 영점 쌍을 도입하기 위한 추가적 회로의 회로도.

도 1은, 4로 지정된 제어 회로 및 8로 지정된 전류 측정 회로와 조합하여, 일반적으로 2로 지정된, 4 단자 센서로 이루어진 측정 회로의 회로도이다. 4 단자 센서는 임피던스가 측정량의 함수로서 변하는 부하(10)를 포함한다. 그러므로, 예컨대, 부하는 임피던스가 분석대상 농도의 함수로서 변하는 생물학적 측정용 셀일 수 있다. 분석대상은, 예컨대, 혈당일 수 있다. 셀은 셀(10)이 전기적으로 여기되고 모니터링되는 셀을 통해 전류가 흐를 수 있도록 기판에 부착되고 기판 상의 단자에 접속될 수 있다. 이러한 측정의 일부로서 셀(10)을 통하는 전류뿐만 아니라 그 양단의 전압을 상당한 정확도로 알고 있는 것이 소망될 수 있다. 셀(10) 내외로의 접속은 제조 편차가 있을 수 있고 임피던스, 및 참으로 임피던스 변화를 나타내 보일 수 있어서, 전압 측정의 정확도에 영향을 미칠 것이다. 그러한 임피던스 문제를 극복하기 위해서, 셀은 4 단자 센서의 일부로서 제공된다. 4 단자 센서는 개념상 셀의 일단에 접속되는 제1 구동 단자(20), 및 개념상 셀의 반대 단에 접속되는 제2 구동 단자(22)를 포함한다. 레지스터(24)에 의해 표현된 임피던스는 셀(10)의 제1단과 제1 구동 단자(20)의 사이에 존재할 수 있다. 이러한 제1 임피던스(24)는 의도적일 수 있거나 단순히 셀(10) 및 그에 이루어진 접속의 속성의 함수일 수 있고 그 이유로 기생 성분으로 간주할 수 있다. 유사하게, 제2 저항(26)은 셀(10)의 제2측과 제2 구동 단자(22) 사이의 경로에 존재할 수 있다. 4 단자 센서는 각자 셀(10)의 제1단 및 제2단에 접속된 제1 및 제2 측정 단자(30, 32)를 구비함으로써 이들 저항(24, 26)의 문제를 극복한다. 이들 접속은 또한 각자 레지스터(34, 36)에 의해 표현된 바와 같은 의도적 또는 기생 임피던스를 나타내 보일 수 있다. "단자"라는 단어가 여기에서 사용되고 있지만, "노드"라는 용어로 대체될 수 있다고 이해된다.

제1 및 제2 측정 단자(30, 32)에서 발생하는 셀 출력 전압은, 정확하게는, 그들 제1 및 제2 측정 단자(30, 32)에 접속된 측정 회로에 의해 취해지는 전류가 없거나 또는 실질적으로 없으면 셀(10) 양단의 전압 차를 표현할 것이다. 이러한 조건은, 거의 완전히, 고임피던스 프론트 엔드(high impedance front end)를 채용하는 연산 증폭기에 의해 달성될 수 있다. 그러한 고임피던스 프론트 엔드는 전형적으로는 입력 디바이스로서 절연 게이트 필드 효과 트랜지스터를 사용한다. 결과로서, 그러한 회로는 실질적으로 측정 단자로부터 전류를 끌어내지 않는다.

제어 회로(6)는 연산 증폭기로서 개략 표현되었다. 이것은 실질적으로 맞는데, 그것이 제1 내지 제4 입력(41 내지 44)을 갖기는 하지만, 도 1에 도시된 폐루프 내 그 액션은 입력(42)에서 발생하는 전압 대비 입력(41)에서 발생하는 전압 간 전압 차 및 기준 전압 입력(43)에서 발생하는 신호 대비 신호 입력(44)에서 발생하는 신호 간 전압 차의 합을 최소화하도록 그 출력 노드(50)에서의 전압을 구동하는 것이기 때문이다. 이들 차이는 각각은 연산 증폭기에 의해 형성될 수 있다, 즉, 입력(41, 42)에서의 신호 간 차이, 및 입력(43, 44)에서의 신호 간 차이, 그 후 이들 차이의 각각은 추가적 연산 증폭기로의 입력으로 역할할 수 있다.

제1 입력(41)과 제2 입력(42)의 값 사이에 그리고 또한 입력(43)과 입력(44)에서의 전압 사이에 작은 전압 차가 존재하지만 이러한 전압 차의 크기는 제어 회로(6)의 이득에 의존함을 인식할 것이다. 넓은 관점에서, 전압 차의 크기는 제어 회로(6)의 이득이 증가함에 따라 비례하여 감소한다. 그러므로, 제어 회로(6) 내 높은 이득은 셀(10) 양단의 전압 차가 기준 회로(52)에 의해 발생되어 제어 회로(6)의 기준 입력(42, 43)에 공급되는 전압 차와 정확하게 정합(match)하도록 제어되는 결과를 초래한다. 입력 오프셋의 효과는 무시되었고, 오토-제로잉과 같은 적절한 기술이 이들 에러 소스를 줄이 되도록 채용될 것을 가정한다.

셀(10) 양단의 전압이 제어되기 위해, 전류는 예컨대 제1 구동 단자(20)로부터 제2 구동 단자(22)로 셀을 통해 흘러야 한다. 셀이 응답하는 생물학적 물질의 측정의 일부로서, 셀을 통과하는 전류의 크기를 알고 있는 것이 필요하다. 이러한 목적으로, 전류 측정 회로(8)가 제공된다. 도 1에 도시된 예에 있어서, 측정 회로(8)는 제2 구동 단자(22)와 소신호 그라운드(small signal ground)(60) 사이에 위치결정되었다. 그렇지만, 전류 측정 회로(8)는 또한 제어 회로(6)의 출력 노드(50)와 4 단자 센서(2)의 제1 구동 노드(20) 사이의 피드백 루프에 제공될 수 있다. 당업자라면 그가 구현에 가장 편리하다고 구한 전류 측정 기술 또는 회로에 어느 정도는 의존하여 자유롭게 이러한 선택을 한다.

전압 기준(52)은 DC 전압 펄스를 발생시키도록 배열될 수 있는데, 이 경우에는 시간에 대해 전류의 진화를 측정하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 체크 및 캘리브레이션 목적으로, 전압 기준(52)이 변화하는 신호 예컨대 교번 정현 신호를 발생시키는 것 또한 바람직할 수 있고, 이 경우에는 예컨대 셀(10)의 복소 임피던스를 추론하기 위해 전류 흐름의 크기 및 위상 변화가 측정될 수 있도록 측정 회로(8)는 정현 신호의 위상을 알고 있는 것이 바람직하게 된다. 복소 임피던스는 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차의 크기 및 위상을 센서를 통하는 전류 흐름의 크기 및 위상과 비교함으로써 결정될 수 있다.

도 2는 제2 구동 노드(22)와 소신호 그라운드(60) 사이에 직렬로 배치된 감지 레지스터(70)을 포함하는 제1 전류 측정 회로를 개략적으로 예시하고 있다. 레지스터(70) 양단에 발생하는 전압은 아날로그 대 디지털 컨버터(80)에 의해 측정될 수 있다. 아날로그 대 디지털 컨버터(80)는 회로 설계자에 의해 요구되는 속도 및 정확도 요건에 의존하여 시그마-델타, 연속하는 근사 또는 플래시 기술과 같은 어떠한 적합한 컨버터 기술로라도 구현될 수 있다.

도 3은 도 2에 대한 변종을 도시하고 있는데, 반전 입력이 제2 구동 단자(22)에 접속되고 비-반전 입력이 소신호 그라운드(60)에 접속된 연산 증폭기(90)의 피드백 루프에 전류 감지 레지스터가 놓여 있다. 이러한 구성은 가상 접지를 형성하는 증폭기(90) 덕분에 제2 구동 단자(22)에서의 전압이 실질적으로 상수로 유지된다는 것을 의미하므로 이로울 수 있고, 레지스터(70)의 임피던스는 증폭기(90)의 출력에서 더 큰 출력 전압 범위를 주도록 선택될 수 있다. 또다시, 출력 전압은 아날로그 대 디지털 컨버터(80)에 의해 디지털화될 수 있다.

부하(10)는, 예컨대, 전자적으로 측정되는 전기화학적 스트립일 수 있고, 그 중 포도당 스트립이 흔한 예이다. 그러한 스트립에 대한 전류 측정 프로토콜이 도 4에 예시되어 있다. 전류 측정 동안, DC 전압이 시각(T₀)에서 스트립 양단에 인가되고 시각(T₁) 때까지 상수로 유지된다. 시각(T₀)과 시각(T₁) 간 차이는 실질적으로 1초이고 전압의 크기는 대략 500㎷일 수 있다. 측정 프로토콜 동안 셀 양단의 전류는 도 5에 도시된 바와 같이 실질적으로 변한다. 그러므로 전류는 초기 값(I₀)으로 급속히 상승하고 값(I₁)으로 감쇠한다. 곡선형은 그 형상이 실질적으로

로 변하는 코트렐 곡선이다(그것은 코트렐 방정식(Cottrell equation)을 따른다). 파라미터 K의 값은 분석대상 농도의 함수로서 변한다. 그렇지만, K의 값은 또한 다른 파라미터, 흔한 것으로는 온도의 함수로서 변할 수 있지만, 그것은 또한 오염물이 있을 때 변할 수도 있다. 더 복잡한 형태의 코트렐 방정식에 있어서, K의 값은 측정되는 종에 대한 확산 계수의 제곱근으로서 변하고, 그것은 온도의 함수인 확산 계수이다. 따라서, 예컨대, 포도당 테스트가 더 정확하게 되도록 K의 값을 수정하는데 사용될 수 있는 인자를 추론하기 위해 주 테스트 전에 또는 후에 어떤 정정 측정을 하는 것이 바람직하다.

온도 및 어떤 간섭 화학물질과 같은 이들 에러 소스 중 몇몇이 셀(10)의 복소 임피던스를 측정함으로써 추론될 수 있음을 연구원은 관찰하여 왔다. 그리하여, 예컨대, 도 6에 도시된 바와 같이 주파수에 대해 임피던스의 변동은 일반적으로 100으로 나타낸 전환점을 갖는다는 것이 포도당 측정 셀에 대해 관찰되었다. 전환점의 위치는, 당업자에게 알려져 있는 바와 같이, 예컨대 온도의 측정에 대한 정정 인자를 유도하는데 사용될 수 있다. 그리하여 주파수의 함수로서 임피던스를 측정하는 것은 셀(10)의 온도가 추론되는 것을 가능하게 한다. 이러한 접근법은 각자의 분석대상에 응답하는 많은 생물학적 센서에 확장될 수 있다고 기대된다.

예컨대, 온도를 측정하기 바라면, 셀 내 온도 센서를 제조함으로써 온도 측정이 더 잘 수행될 것이라고 생각될 수 있지만, 이것은 처음 가정될 수 있는 것만큼 바람직한 것은 아니다. 우선, 온도 센서는 셀의 온도보다는 셀이 형성되어 있는 기판의 온도를 측정하려는 경향이 거의 틀림없이 있을 것이다. 그리하여, 혈액과 같은 생물학적 샘플이 측정 셀 내에 도입될 때, 셀의 온도는 기판의 온도와 다를 것이고, 포도당과 같이 샘플 내 화학물질(분석대상)과 그들 화학물질의 테스트에 사용되는 셀 내 에이전트 사이에 반응이 발생할 수 있는 등화 시간이 필요할 것이다. 부가적으로, 온도 센서의 형성은 부가적 프로세싱 단계를 필요로 할 것이고 온도 센서 자체는 아마도 제조 에러가 있을 것이고 그 이유로 실제로는 온도 측정 및 그리하여 확산도와 같은 관련 파라미터의 추정을 개선할 수 없다.

전형적으로 셀의 복소 임피던스는 1㎑, 2㎑, 10㎑ 및 20㎑와 같은 주파수의 범위에서 예컨대 15㎷의 차수의, 셀 양단 저전압 정현파를 유발함으로써 측정된다. 이러한 임피던스는 알려져 있는 방식으로 온도에 대한 정정 인자를 적용하는데 사용될 수 있다. 그렇지만, 이것은 그 자신의 측정 문제를 가져온다.

전술한 바와 같이, 제어 회로는 매우 연산 증폭기처럼 동작하는 것으로 간주할 수 있다. 일반적으로 전자 공학자는 피드백 루프에서 접속된 증폭기는 자려 발진에 들어갈 수 있는 능력을 가짐을 일반적으로 알고 있다. 더욱, 대부분의 공학자는 연산 증폭기의 제조자가 증폭기의 이득 대 주파수 응답을 수정하도록 증폭기에 저주파수 극, 즉, 저역 통과 필터를 고의적으로 삽입함으로써 자려 발진에 대비해 지킨다는 것을 알고 있다. 넓은 관점에서, 그리고, 도 7에 예시된 바와 같이, 주파수 응답 특성에서 단일 극(110)의 삽입은 이득(데시벨로 표현)이 -20㏈/데케이드(decade)만큼 감소하도록 야기한다. 이것은 도 8에 예시되는 바와 같이 극(110)의 위치 위 주파수에서 -90°의 주파수의 함수로서 위상 변이를 도입한다. 대부분의 전기 공학자는 증폭기 또는 피드백 루프는 루프에서의 이득이 단위 이득을 교차함에 따라 루프의 이득이 -20㏈/데케이드로 감소할 뿐인 한 여전히 안정하게 있을 것이라는 실무적 "경험 법칙"으로 대학을 나온다.

이 결과는 연산 증폭기의 단위 이득 주파수 아래에 하나의 극만이 존재하는 한 안정성이 보장될 수 있다는 것이다. 그렇지만, 일반적으로, 하나의 극만이 존재하는 것을 보장하기가 어렵다.

도 9는 도 1의 4 단자 센서를 더 상세하게 예시하지만, 이번에는 기생 성분의 효과, 및 특히 기생 커패시터(120, 122)를 포함하고 있다. 기생 정전용량(120)은 레지스터(34)의 저항 및 기생 커패시터(120)의 정전용량에 의해 브레이크 포인트가 결정될 저역 통과 필터를 형성하도록 레지스터(34)와 결합하여 역할함을 알 수 있다. 이러한 저역 통과 필터는 제어 회로 내 순방향 신호 경로의 주파수 응답에 추가적 극을 놓는다. 유사하게, 레지스터(36)와 기생 커패시터(122)는 또한 저역 통과 필터를 형성한다. 단순화를 위해, 이들 2개의 극은 동일 주파수에 있고 그러므로 단일 저역 통과 필터인 것으로 간주할 수 있다고 상정될 것이다. 극들이 단일 저역 통과 필터를 형성하는 것으로 간주될 수 있는 것이 아니라면, 일반적으로 하나는 다른 하나보다 더 문제가 될 것이고, 루프 안정성을 회복하기 위한 본 명세서에서 설명된 측정은 선호도의 사항으로서 극들 중 더 문제가 되는 하나에 인가될 것이다.

도 10은 도 1에 도시된 회로에 대한 주파수 응답 특성을 개략적으로 예시하는데, 기본 극(110)은 루프 안정성을 제공하기 위해 설계에 의해 포함되는 덕분에 제어 회로 주파수 응답에 존재하고, 추가적 극(140)은 레지스터(34)와 기생 커패시터(120) 및 레지스터(36)와 기생 커패시터(122) 사이에 의도치 않게 형성된 필터의 결과로서 존재한다. 제어 회로(6)의 개루프 이득이 0㏈ 아래(단위 이득 아래)로 떨어지지 않은 주파수에서 기생 극(140)이 발생하면, 그때 주파수 응답은, 단위 이득에 도달되는, 일반적으로 150으로 지정된, 영역에 걸쳐 -40㏈/데케이드로 떨어질 수 있는 능력을 갖는다. 유사하게, 제2 극은 단위 이득 주파수에서 제어 회로 내 위상 변이가 실질적으로 180°이 되도록, 도 11에 도시된 바와 같이, 주파수 응답에 추가적 90°의 위상 변이를 추가할 것이다. 이것은 네거티브 피드백 루프 때문에 180° 위상 변이와 조합하여 대략 360°의 총 위상 변이를 부여하여 결과적으로 자려 발진을 겪을 수 있는 위치에 회로를 놓는다. 전형적으로 이러한 문제와 직면할 때 공학자는 0㏈ 직선과의 절편이 -20㏈/데케이드에서 발생하도록 도 10의 곡선(160)에 의해 나타낸 바와 같이 증폭기의 개루프 이득을 더 낮은 값으로 줄임으로써 불안정성이 해결될 수 있음을 알고 있다. 그렇지만, 이러한 기술은 안정성을 가져오는 반면, 개루프 이득을 줄이고 결과적으로 기준 전압과 측정된 전압 차 사이에 에러 전압을 증가시킨다. 더욱, 이득은 주파수에 따라 필연적으로 줄어들어서 2㎑에서의 이득은 1㎑에서보다 6㏈ 더 작고, 10㎑에서의 이득은, 정의에 의해, 1㎑에서보다 20㏈ 더 작고, 20㎑에서의 이득은 1㎑에서보다 26㏈ 더 작을 것이다. 그에 대응하여 목표 전압 차와 기준 전압 차 사이의 에러는 증가할 것이다. 그러므로, 회로 안정성을 도입하는 이러한 접근법은 측정 정확도에 있어서 상당한 불이익을 수반함을 알 수 있다.

자력 발진에 대항하는 안정성은, 예컨대, 주파수 응답의 경사가 영점(170) 아래 주파수에서 -40㏈/데케이드인 것으로부터 영점(170) 위의 주파수에서 그리고 단위 이득 주파수에서 -20㏈/데케이드로 수정되도록 단위 이득 주파수 아래 주파수 응답에 영점(170)을 도입함으로써 해결될 수 있다. 그러한 배열이 도 12에 도시되어 있다. 또한 도 12는 여기에서 극은 자려 발진을 도입하지 않는다는 것을 단지 지적하기 위해 단위 이득(영 ㏈) 주파수 위의 주파수에서 발생하는 추가적 극(172)을 도시하고 있다. 도 13은 그러한 전달 함수에 대해 일반화된 위상 플롯을 도시하고 있는데, 위상 변화는, 영점(170) 아래에서 실질적으로 -180°이고, 영점(170)과 극(172)의 위치 사이에서 상승하여 실질적으로 -90°로 되고, 극(172)의 주파수 위의 주파수에서 되돌아가 -180°로 된다.

영점(170)의 주파수 아래 주파수에서 발생하는 것으로 도시된 바와 같이 -40㏈/데케이드의 이득 변화를 갖는 것은 발진을 야기하지 않는다는 점을 지적할만하다. 이것은 많은 전자 공학자에게 반직관적이다. 그렇지만 회로가 발진하는지 아닌지는 바크하우젠 안정성 기준에 의해 결정된다. 바크하우젠의 기준은 피드백 루프 내 선형 회로에 적용된다. A가 회로의 순방향 경로에서 증폭하는 엘리먼트의 이득이고 β(Jω)가 피드백 경로의 전달 함수이고 그래서 βA가 회로의 피드백 루프 둘레 루프 이득이면, 그때 회로는,

i) 루프 이득의 절대 크기가 단위 이득과 같고, 즉,

= 1이고;

ii) 루프 둘레 위상 변이가 영 또는 2π의 정수 배인 주파수에서만 정상 상태 발진을 지속할 것이다.

바크하우젠 기준은 발진에 필요 조건이지만 충분 조건은 아니다. 기준을 만족하는 어떤 회로들은 발진하지 않는다. 그렇지만, 회로가 그 기준을 만족하지 않으면 그때 그것은 발진하지 않을 것이다. 이것은 비교적 저주파수에서의 고이득이 피드백 루프 형성 덕분에 순방향 경로에서의 -180°플러스 추가적 -180°의 위상 변이(그리하여 실질적으로는 2π)를 수반하더라도 도 12에 도시된 바와 같이 그 자체는 발진 조건을 생성하지 않을 것임을 확인하는 것이다.

도 12의 이득-주파수 특성은 추가적 극 및 영점의 도입에 의해 수정될 수 있고, 주파수 응답은 그것이 단위 이득 값을 교차함에 따라 20㏈/데케이드만큼만 떨어지는 것이 충분할 뿐이다. 그러므로, 그래프의 하위 주파수의 끝을 향하는 응답은 주파수 응답 특성에 얼마나 많은 극이 도입되었는지에 의존하여 -40, -60, -80 또는 그 이상의 ㏈/데케이드만큼 떨어질 수 있다.

도 14는 주파수 응답에서 3개의 극과 2개의 영점을 제공하는 회로를 예시하고 있는데, 단지 예시적 목적으로 회로는 셀 출력 신호의 부정 크기를 표현하는 제1 입력(200) 및 기준 신호의 크기를 표현하는 제2 입력(202)을 수신하는 싱글 엔디드 회로(single ended circuit)로 도시되어 있다. 이들 신호의 각각은 각자의 임피던스(210, 212)를 통해 제1 연산 증폭기(216)의 반전 입력(214)에 입력된다. 연산 증폭기(216)는 소신호 그라운드에 접속된 비-반전 입력 및 제1 증폭기(216)의 출력(222)과 그 반전 입력(214) 사이에 접속된 커패시터(220)를 갖는다. 증폭기(216)의 피드백 루프에서 커패시터(220)의 존재는 적분기를 형성하는 것으로 당업자에 의해 인지될 것이다. 이상적 적분기는 0㎐에 극을 놓는다. 그렇지만, 실제로 증폭기(216)가 유한 이득을 가지면, 그때 극은, 실제로는, 0㎐에 가깝지만 실제로는 아닌 위치에 결정된다. 출력 노드(224)는 종래 기술에서 설명된 바와 같이 회로의 동작을 선택적으로 가능하게 하도록 제공될 수 있다.

그렇지만, 본 발명의 일 실시예에 따라 하나 이상의 극이 연관된 영점과 결합하여 더 제공된다. 극 및 영점 쌍은 일반적으로 240으로 나타낸 회로 블록에 의해 제공될 수 있는데, 그 중, 이 예에서는, 2개의 그러한 블록(240, 240a)이 직렬로 제공되었다. 그렇지만, 본 발명은 하나의 회로 블록(240)만을 또는 참으로 그러한 회로 블록 중 3개 이상을 포함하여 실시될 수 있다. 회로 블록(240)은 그 비-반전 입력이 소신호 그라운드에 접속되는 추가적 연산 증폭기(250)를 포함한다. 입력 레지스터(252)는 추가적 연산 증폭기(250)의 반전 입력과 그것에 신호를 공급하는 회로, 이 경우에는 증폭기(216) 둘레에 형성된 적분기의 사이에 제공된다. 추가적 증폭기(250) 둘레의 피드백 루프는 레지스터(256)와 직렬의 커패시터(254)를 포함한다. 저주파수에서 커패시터(254)의 임피던스가 우세하고 그 이유로 피드백 루프는 적분기로 거동함을 알 수 있다. 이러한 특정 배열에 있어서, 회로 블록(240)에 의해 제공된 추가적 극은 실질적으로 0㎐에서 발생한다. 또한 주파수가 상승함에 따라 커패시터(254)의 임피던스는 줄어들어 추가적 레지스터(256)의 임피던스보다 덜 중요하게 되기 시작한다. 실제로, 레지스터(256)의 저항(R₂₅₆) 및 커패시터(254)의 정전용량(C₂₅₄)의 값은

에서 영점을 삽입한다. 블록(240)에서 도입된 영점의 주파수 위의 주파수에서 블록(240)의 이득은 레지스터(256)의 비 대 레지스터(252)의 비에 의해 결정됨을 검사에 의해 더 관찰될 수 있다. 출력 노드(260)는 이 노드(260)로부터 따낸 신호가 도 1의 출력 노드(50)에 대응하도록 제공된다. 커패시터(254) 및 레지스터(256)에 의해 형성된 영점이 제어 회로(6)의 단위 이득 주파수 아래에서 발생하면, 그때 안정성이 보장될 것이다.

제1 블록과 유사하지만 첨자 "a"로 지정된 유사한 부분을 갖는 추가적 블록이 또한 제2 극 영점 쌍을 도입하도록 제공될 수 있다. 추가적 회로 블록에 의해 도입된 영점은 제1 블록에 의해 제공된 영점과 동일한 주파수에 위치결정될 필요는 없다.

도 15는 도 1에 도시된 회로의 또 다른 변종을 예시하는데, 2개의 제어 회로가 제공되고 있다. 이전에 설명된 바와 같은 부가적 극-영점 보상을 포함하는 상위 제어 회로는 제1 기준 전압 발생기(270)로부터 제1 기준 전압을 수신하고 제1 측정 단자(30)에서의 전압이 제1 기준 전압 발생기(270)에 의해 제공된 그 기준 전압과 정합하도록 제어한다. 제2 제어 회로(302)는 제2 기준 전압 발생기(307)로부터 제2 기준 전압을 수신하고 제2 측정 단자(32)에서의 전압이 제2 기준 전압 발생기(307)로부터의 전압과 동등하도록 제어한다. 그리하여 센서의 상위 및 하위 지로는 듀얼 엔디드 방식(dual ended manner)으로 각자의 전압으로 구동된다. 전류 측정 레지스터(70)는 정의에 의해 각각의 제어 루프에서 전류가 동일해야 하므로 제어 루프 중 어느 하나에 삽입될 수 있고, 레지스터(70) 양단에 발생하는 전압은 차등 입력 아날로그 대 디지털 컨버터(80)에 의해 디지털화될 수 있다.

도 16은 당업자에게 알려져 있는 바와 같이 극 영점 쌍을 제공하는데 사용될 수 있는 추가적 회로의 회로도이다. 그것은 신호 입력으로서 역할하는 비반전 입력을 갖는 연산 증폭기(320)를 포함한다. 커패시터(322)는 증폭기(320)의 출력과 증폭기(320)의 반전 입력 사이에 접속되어 있다. 레지스터(324)는 반전 입력을 소신호 그라운드에 접속시킨다.

설계자는 연관된 극을 형성함이 없이 전달 특성에서 영점을 놓을 수도 있음을 주목해야 한다. 그러한 영점은 당업자에게 알려져 있는 바와 같이 능동 필터 또는 수동 필터 중 어느 하나로 고역 통과 필터로서 구현될 수 있다.

그러므로, 부가적 극 영점 쌍의 도입에 의해서보다는 이득 감축 단독의 사용에 의해 제어 회로의 개루프 이득을 단지 감축함으로써 안정성이 보장되었다면 그랬을 것보다 더 높은 루프 이득이 채용될 수 있게 하도록 부가적 극(바람직하게는 적분기로서) 및 영점(바람직하게는 고역 통과 필터로서)의 적절한 삽입에 의해 그 또는 각각의 제어 회로의 주파수 응답을 수정하는 것이 가능하다.

여기에서 제시된 청구범위는 USPTO에 제출하는데 적합하도록 단일 종속 포맷으로 작성되고 있다. 그렇지만, 다중 종속 청구항이 빈번하게 사용되는 다른 관할에서의 사용에 대하여는, 각각의 종속 청구항은, 명확하게 기술적으로 실현 가능하지 않은 경우를 제외하고는, 동일 독립 청구항을 공유하는 모든 선행 종속 청구항에 다중적으로 종속되는 것으로 상정되는 것이다.

Claims

4 단자 센서와 함께 사용하기 위한 제어 회로로서, 상기 센서는 제1 및 제2 구동 단자 및 제1 및 제2 측정 단자를 가지며, 상기 제어 회로는 상기 제1 및 제2 측정 단자간 전압 차를 감지하도록 상기 제1 및 제2 구동 단자 중 적어도 하나를 여기 신호로 구동하고, 상기 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차가 전압의 목표 범위 내에 있도록 상기 여기 신호를 제어하도록 배열되되, 상기 제어 회로는, 루프 이득이 단위 이득으로 떨어질 때 폐루프 둘레 위상 변이가 실질적으로 2π 라디안 또는 그 배수가 아니도록, 전달 특성에서 N개의 극 및 그 전달 특성에서 N-1개의 영점을 포함하고, 상기 N은 1보다 큰 수인 것인 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 또는 각각의 영점은 상기 제어 회로가 단위 이득보다 더 큰 이득을 나타내는 주파수에서 개루프 전달 특성에서 위치결정되는 것인 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 극 중 적어도 하나는 적분기에 의해 제공되는 것인 제어 회로.
제3항에 있어서, 극 및 영점 쌍은 연산 증폭기의 피드백 루프에서 레지스터 및 커패시터의 직렬 조합에 의해 제공되는 것인 제어 회로.
제1항에 있어서, 기준 신호를 받아들이기 위한 적어도 하나의 기준 신호 입력을 더 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 제1 및 제2 측정 단자 간 전압 차를 상기 적어도 하나의 기준 신호와 실질적으로 정합시키도록 역할하는 것인 제어 회로.
제5항에 있어서, 복수의 주파수에서 상기 기준 신호를 발생시키기 위한 신호 발생기를 더 포함하는 제어 회로.
제1항에 있어서, 상기 4 단자 센서를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 센서를 더 포함하는 제어 회로.
제6항에 있어서, 상기 4 단자 센서를 통해 흐르는 전류를 측정하기 위한 전류 센서 및 상기 센서를 통해 흐르는 전류와 상기 4 단자 센서에서의 전압 간 위상 차를 검출하기 위한 위상 검출기를 더 포함하는 제어 회로.
제1항에 있어서, 측정량에 응답하여 변화하는 임피던스를 갖는 4 단자 센서와 조합되는 제어 회로.
제9항에 있어서, 상기 측정량은 생물학적 샘플인 것인 제어 회로.
제9항에 있어서, 상기 측정량은 혈당 수준인 것인 제어 회로.
제6항에 있어서, 생물학적 샘플의 파라미터를 측정하기 위한 4 단자 센서와 조합되되, 생물학적 파라미터의 측정에 사용하기 위한 정정 인자를 결정하도록 복수의 주파수에서 복수의 임피던스 측정이 이루어지는 것인 제어 회로.
제12항에 있어서, 정정은 코트렐 곡선(cottrellian curve)의 감쇠 상수에 적용되는 것인 제어 회로.
제10항에 있어서, 생물학적 샘플의 생물학적 파라미터 테스트 동안, 상기 제어 회로는 상기 제1 및 제2 측정 단자 간 DC 전압을 유지하도록 조작되는 것인 제어 회로.
제9항에 있어서, 상기 4 단자 센서는 싱글 엔디드 방식(single ended manner)으로 구동되는 것인 제어 회로.
제9항에 있어서, 상기 4 단자 센서는 듀얼 엔디드 방식(dual ended manner)으로 구동되는 것인 제어 회로.
다수-단자 센서 및 여기 회로를 포함하는 계기 루프를 조작하는 방법으로서, 상기 다수-단자 센서는 제1 감지 단자와 구별되는 적어도 하나의 구동 단자를 갖고, 상기 다수-단자 센서는 추가적 단자를 가지며, 상기 여기 회로는 상기 제1 감지 단자와 상기 추가적 단자 간 전압 차를 측정하고 이 전압 차를 사용해서 상기 적어도 하나의 구동 단자에 인가된 여기 신호를 제어하여 상기 제1 감지 단자와 상기 추가적 단자 간 전압 차를 목표 값으로 또는 목표 범위 내로 유지하도록 배열되며, 상기 여기 회로는 바크하우젠 안정성 기준(Barkhausen stability criterion)을 만족하도록 해당 회로의 전달 특성에서 적어도 하나의 영점을 갖도록 배열되는 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제17항에 있어서, 상기 여기 회로는 해당 회로의 전달 특성에서 N개의 극 및 N-1의 영점을 갖는 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제18항에 있어서, 상기 극은 적분기로서 제공되는 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제17항에 있어서, 복수의 주파수에서 AC 성분이거나 그 성분을 갖는 상기 여기 신호를 제공하고, 복수의 주파수에서 상기 다수-단자 센서의 복소 임피던스를 측정하는 것을 더 포함하는, 계기 루프의 조작 방법.
제20항에 있어서, 상기 다수-단자 센서의 파라미터를 보상하도록 상기 복소 임피던스의 측정을 사용하는 것을 더 포함하는, 계기 루프의 조작 방법.
제21항에 있어서, 상기 센서는 화학 또는 생물학적 감지 셀을 포함하고, 보상되는 상기 파라미터는 상기 감지 셀 내 온도인 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제17항에 있어서, 상기 N-1개의 영점은 상기 제어 루프가 단위 이득보다 큰 이득을 갖는 주파수에서 발생하는 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제17항에 있어서, 상기 N-1개의 영점은 상기 제어 루프가 0.5보다 큰 이득을 갖는 주파수에서 발생하는 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제17항에 있어서, 상기 N개의 극은 상기 제어 루프가 단위 이득보다 큰 이득을 갖는 주파수에서 발생하는 것인, 계기 루프의 조작 방법.
제17항에 있어서, 상기 센서는 4 단자 포도당 센서인 것인, 계기 루프의 조작 방법.