락인앰프란?
락인앰프는 입력된 신호에서 특정 주파수를 가진 성분의 신호를 추출할 수 있는 회로를 가진 장치입니다.
락인앰프는 기준인 기준 신호와 입력 신호를 장치 내에서 믹서로 곱하여 노이즈를 제거하고, 저역 통과 필터를 통해 원하는 특정 주파수의 신호를 추출합니다. 시상수라는 장치 고유의 값이 설정되어 있으며, 시상수가 클수록 출력 신호의 흔들림을 줄일 수 있습니다.
락인앰프의 사용 용도
락인앰프는 특히 분광 측정과 같은 광학 분야에서 많이 사용됩니다. 때로는 현미경과 함께 사용되기도 합니다. 락인 앰프의 구체적인 사용 용도는 천체 관측과 같은 우주 물리학 측정, 나노미터 단위의 박막의 분광 측정 등 미약한 신호를 검출하는 실험입니다.
두께가 수백 나노미터 이하의 박막 등 시료 유래의 신호가 약한 측정에서는 락인 앰프와 같은 신호 증폭, 노이즈 제거를 하는 장치가 필수적입니다. 이외에도 형광현미경이나 라만분광현미경, 원자간력현미경 등의 프로브 현미경에서 사용되는 경우가 많습니다.
락인앰프의 원리
락인앰프의 작동 원리는 입력 신호를 프리앰프로 증폭한 후, 기준인 기준 신호와 믹서로 곱하고, 저역 통과 필터로 불필요한 노이즈 성분을 제거하여 입력 신호에서 원하는 특정 주파수의 신호를 검출하는 회로적인 신호 처리입니다.
락인앰프 내에서 입력 신호와 기준 신호를 곱하여 입력 신호와 기준 신호의 주파수의 합, 차이로 표현된 출력을 생성합니다. 입력 신호를 Vi=Acos(ωit+Φ), 기준 신호를 Vr=Bcosωrt라고 하면, 출력의 주파수는 {cos[(ωi-ωr)t+Φ]+cos[(ωi+ωθ)t+Φ]}에 비례합니다.
다만, 락인앰프에서는 로우패스 필터를 작용시키기 때문에 남는 성분은 ωi-ωr이 0에 가까운 신호만 남게 됩니다. 즉, 락인앰프를 통과시킴으로써 기준 신호와 주파수가 가까운 입력 신호만 추출하여 노이즈와 같은 임의의 성분을 제거할 수 있습니다.
락인앰프의 기준이 되는 기준 신호는 흔히 정현파를 사용하는 경우가 많습니다. 회로의 단순화, 저비용화를 위해 구형파를 기준 신호로 사용하기도 하지만, 이 경우 잡음 제거 성능은 정현파보다 떨어집니다.
락인앰프의 기타 정보
1. 락인앰프의 시간 상수 및 노이즈
락인앰프에는 고유한 시간 상수라는 것이 있습니다. 여기서 시간상수란 회로에 장착된 저항의 저항값과 커패시터의 커패시턴스 값의 곱으로 표현되는 값을 말합니다. 락인앰프의 출력에 포함된 노이즈의 크기는 시상수의 역수에 비례하므로 시상수가 클수록 출력 신호의 노이즈는 작아집니다. 일반적인 시간 상수의 크기는 10밀리초에서 10초 정도이지만, 디지털 처리를 하는 장치의 시간 상수는 1000초 정도입니다.
락인앰프는 입력 신호의 노이즈 레벨을 나타내는 지표인 SN비(신호와 잡음의 비율: 단위 dB)의 영향을 받습니다. 전단에 노이즈 레벨이 낮은 앰프를 사용하면 락인앰프의 측정 정확도가 떨어지므로 입력 신호의 노이즈 레벨에 주의를 기울여야 합니다.
2. 초퍼란?
초퍼는 블레이드를 일정한 주기로 회전시키는 장치를 말합니다. 락인앰프와 초퍼를 조합한 고감도 측정은 분광 측정에서 일반적인 방법 중 하나입니다.
연속광의 광로 위에 블레이드를 놓으면 블레이드가 광로 위에 있을 때는 빛이 차단되고, 블레이드가 광로 위에 없을 때는 빛이 빠져나가게 되어 측정광을 일정한 주기를 가진 신호로 변환할 수 있습니다. 흡수계수가 큰 결정이나 전파 손실이 큰 광도파로의 측정에서는 측정광이 시료에 강하게 흡수되기 때문에 검출할 수 있는 빛의 세기가 작아지고 상대적으로 노이즈의 영향이 커집니다.
이러한 측정에는 락인앰프와 초퍼를 함께 사용하는 것이 더 효과적입니다. 초퍼와 변조기로 노이즈가 적은 고주파 신호로 변조하고, 락인 앰프를 사용하여 효율적으로 복조하면 노이즈가 적은 신호를 원래의 주파수에서 얻을 수 있습니다.
3. 디지털 락인앰프
요즘의 락인앰프는 주파수 확장에 따라 빠르게 디지털화가 진행되고 있습니다. 락인앰프의 성능 향상을 위해서는 우수한 SN비가 우수한 기준 신호와 가파른 저역 통과 필터가 필수적인데, 이 요건을 만족하는 구성이 바로 디지털 락인 앰프입니다.
PLL(Phase Locked Loop)을 활용하여 외부의 기준 신호와 주파수 및 위상이 일치하는 디지털 정현파를 내부에서 새롭게 생성함으로써 왜곡 및 외래 노이즈를 억제하여 우수한 SN비가 우수한 기준 신호를 사용할 수 있습니다. 또한, 다단 구성의 디지털 로우패스 필터를 사용하여 가파른 필터 특성도 구현할 수 있습니다. 이 디지털 락인 앰프의 등장으로 현재 600MHz까지 고주파수 측정이 가능해졌습니다.