Lock in measurement

 

정의상 가정	역학적파동 푸리에 급수
내용상 가정	Bandwidth : 신호에 중첩되어 있는 여러 frequency의 주파수 범위(예를들어 신호에 10Hz 100Hz 1500Hz의 신호가 중첩되어있다면 bandwidth는 10~1500=>1490Hz)
공식	소자의 저항을 측정할 때 Sine 전류파를 가해 출력되는 전압파와 비교해 입력파의 주파수와 같은 출력파만 검출하여, Noise를 확실하게 줄여주는 측정 방법
단위
응용	소자 전기 전자 계측, 측정 First Harmonics, Second Harmonics, Delta

 

↑파란 박스의 글자를 클릭하시면 가정과 응용으로 넘어 가실 수 있습니다!!

 

소자의 저항측정에 가장 큰 noise는 바로 진동입니다.

형광등의 주파수인 60Hz부터 지구의 진동인 1Hz, 사람의 맥박, 각종 전파 소자내의 전기적인 상호작용 모두 각기 다른 주파수의 Noise가 삽입되게 됩니다. 다음과 같은 파형을 보더라도 우리가 원하는 Sine 신호에서큰 주파수와 작은 주파수가 섞여서 알고싶은 신호에 영향을 줍니다.

 

이는 시간 차원을 주파수 차원으로 변환하는 Fourier 변환을 거쳐 본다면

여러 주파수로 나눠지어 원래 신호주파수를 제외한 신호들을 모두 제거하는 Filter를 사용하면됩니다.

이를 저항측정에 적용한 방법이 바로 Lock-in이라고 하는 것입니다.

 

연구자가 따로 어떤 setting을 할 필요가 없이 lockin 측정 장비가 있습니다. 대표적으로SRS(Standard Research System)에서 나오는 SR serise인데요. 대표적으로 SR860입니다.

아무래도 AC wave를 다루는 장비이다 보니 사진에서 보이듯 BNC cable을 사용하고 있네요.

 

Lock in은 기본적으로 작은 ac signal을 검출하는데 사용하는 방법입니다. Phase-sensitive detection이라는 기술을 사용하는데요.

바로 signal의 bandwidth를 줄이는 것입니다. 다시말해 신호가 갖고 있는 주파수의 범위를 딱 정해버리는 것입니다.

 

익히알고 계시겠지만 모든 signal은 여러개의 frequency신호가 중첩되어있습니다. 따라서 lock in은 input signal 자체를 특정 frequency로 주고 그 frequency의 signal만 뽑아냅니다.

 

기본적으로 AC를 가하는 것으로 회로에 AC전압이 흐르게 되는 상황입니다. 따라서 회로에 다이오드 같은 non linear소자가 없어 방향성이 없는 경우 측정이 잘 됩니다.

그렇다면 AC에서 어떤 신호를 가져오는 것일까요?

 

다음과 같은 신호에서 outout을 signal이라 할때

으로 나오는 값에 엄청 낮은 Low pass filter를 적용시킨다면, Signal 값을 일정하게 유추할 수 있습니다.

다시말해 AC로 input이 입력되었을때 input에 반응하여 나오는 AC값을 정확하게 구할 수 있는 것입니다.

 

이런 방식으로 한다면 엄청나게 좁은 bandwidth를 가능케 하여 noise를 혁신적으로 줄일 수 있습니다.

 

이때 refrence wave는 votage source에서 직접 공급받아야 정확하게 측정 가능합니다.

 

그렇다면 위와같은 signal에서 어떤 값을 lock in은 제공할 까요?

뒤에 있는 cos이 약간 마음에 걸리는데요, 이를 제거해주기 위해 Vpsd signal에 90도 만큼 phase shift를 하여 sin으로 만듭니다. 다시말해

로 사용할 수 있고, Lock in에서는 두 값모두 보여줍니다. 참고로 X는 inphase라 하고 Y는 quadrature라 합니다.

따라서 Lock in에서는 완전한 signal을 구하기 위해 이들을 제곱하여 더하는데 이를 magnitude R으로

을 볼 수 있습니다.

 

여기서 보이는 위상차인 $$\theta$$는 입력 전류파와 출력 전압파의 파의 위상차이로 물질내부에 커패시터성분이 있는지, 인덕터 성분이 있는지 보여줍니다. 기본적으로는 저항 체계에서 180도나 0도가 가장 완성적인 위상차입니다.

 

이외 Lock-in에서는 두배, 세배 파장에 대한 출력도 읽을 수 있는데, 이는 소자의 스핀의 토크나 여타 다른 물리적인 현상을 검출 할 수 있습니다. 이는

소자 전기 전자 계측, 측정 First Harmonics, Second Harmonics, Delta 후반부에서 다루겠습니다.

 

마지막으로 lock in의 블록다이어그램을 보며 마치겠습니다.

 

 

 

 

 

 

추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.

읽어주셔서 감사합니다!