성명: 김문석

직책: 책임연구원

소속: 한국표준과학연구원

요약

초전도-금속-초전도(Superconductor-Metal-Superconductor) 접합으로 구성된 프로그램 가능 조셉슨 전압표준(Programmable Josephson Voltage Standard: PJVS) 어레이 소자 (Array Chip)를 이용하여 교류 전압 합성기(AC Voltage Waveform Synthesizer)를 개발하였다.

시스템에 사용되는 고속 바이어스장치는 14-bit DAC (PXI-5412)를 이용하여 구성하였다. 각 바이어스 채널은 T-clock을 이용해 동기화 되었다.

개발 배경

원리적으로, 여러 개의 Cell (Junction Cluster)로 구성된 조셉슨 소자에 마이크로파 (Microwave) 바이어스를 가하고 임의의 시간에 임의의 전압이 발생 되도록 전류 바이어스를 각 Cell 별로 가해주면 교류 파형을 얻을 수 있다.

Cell이 0 전압 상태에서 n = ±1 스텝전압으로 전이하는 동안에는 양자화 된 전압이 출력되지 않으므로 그 만큼 불확도 성분이 커지게 된다. 따라서 가능한 한 고속의 바이어스 장치를 개발하는 것이 중요하다.

둘째, 이러한 교류 합성기는 여러 개의 Cell을 동시에 작동하게 되므로 바이어스 신호간의 동기화 (Synchronization)가 반드시 필요하다.

따라서 적절한 시간 기준 (Time Base)을 이용하여 바이어스 신호들의 동시성을 확보하여야 한다.

조셉슨 소자를 이용한 교류 표준전압 구현을 위해서는, 고속의 바이어스 전환과 바이어스 채널간의 동기화가 반드시 필요하다. 사용된 PXI-5412의 출력전압 Rise Time은 약 20 ns이며, 10 MHz 기준 주파수와 T-clock을 이용해 1ns 이내로 채널 간 동기화가 가능하다(그림 1 참조).

 또한 사용된 PXI 본체는 PXI 8336 Optical Interface Board를 통해 Control PC와 전기적 절연이 가능하므로 불필요한 전기적 간섭을 제거할 수 있다.

본론

그림 2는 개발된 전압 합성기 및 평가시스템의 전경과 개략적인 구성을 보여준다.

시스템은 임의의 전압을 출력할 수 있는 다중 채널 디지털-아날로그 변환기 (DA Converter)와 이 전압출력을 전류로 변환해주는 전압-전류 변환기 (Bipolor Voltage-to-Current Converter: VCC)로 구성된다.

 디지탈-아날로그 변환기는 내쇼날인스트루먼트의 PXI-5412를 채용하였다.  

 한 장의 보드는 -12V에서 12V까지의 전압을 14비트의 분해능으로 출력할 수 있으며, 전압 세팅 시간은 약 20ns이다.

네 개의 채널을 구성하기 위해 모두 4 장의 보드를 사용하였고, 각각의 출력신호는 KRISS의 10 MHz Reference를 통하여 1ns 이내로 동기화 시켰다. 이 출력 전압은 양방향 전압-전류 변환기로 입력이 된다.

변환기의 출력을 바이어스 전류로 쓰기 위해서는 모든 채널의 출력을 정확하게 조절할 수 있어야 한다.

 (채널 간의 출력 차이는 아날로그 보드의 전압 차이와 VCC를 구성하는 소자들의 특성이 채널 별로 다르기 때문에 나타날 수 있다.)

한 예로, 그림 2의 구성에서 첫 번째 Cell에만 전류공급을 하려면, Ch. 1 VCC는 필요한 전류를 출력하고, Ch. 2 VCC는 두 번째 Cell이후로 전류가 흐르지 않도록 극성이 반대이고 크기가 동일한 전류를 출력하여야 한다.

 물론  곡선 상의 전압 스텝의 폭이 크다면 문제가 없지만, 그렇지 않다면 계산 가능한(Calculable) 전압 출력을 얻을 수 없다.

 이런 문제를 해결하기 위해 표준 저항을 전류출력 단에 연결해 입력전압-출력전류 곡선을 미리 얻어 놓고, 실제로 소자에 바이어스를 가할 때는 이 곡선을 내삽 (Interpolation)하여 출력 전류가 최적 바이어스 점과 정확히 일치하도록 입력 전압을 미세 조절하는 컴퓨터 프로그램을 개발하였다.

시스템에는 마이크로파 바이어스를 위한 마이크로파 합성기와 증폭기 그리고 출력 전압을 평가할 열-전압 변환기 및 디지털 전압계가 부가된다.

 시스템과 컴퓨터 사이에 불필요한 전기적 간섭을 최소화시키기 위해서 전압 합성기와 계측기기는 각각 광케이블(Optical Cable)과 GPIB Isolator를 통해서 컴퓨터와 연결된다.

<그림1> 웨이브폼 합성Waveform Synthesis)을 위한 바이어스 트레인

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

 PJVS 어레이 소자를 이용하여 4 채널 교류전압 합성기를 개발하였다.

개발된 16 채널 전류 바이어스 장치의 전류 전이시간은 약 400ns이며, 동기화 시간은 1ns 미만이다.

합성 교류전압 파형들은 주기 당 샘플 수가 2, 4, 8, 16 개이며, 파형의 최대 (Peak) 전압은 약 0.673V이었다. 합성 가능한 파형의 최대 주파수 및 전압은 1000Hz, 1V 수준이다.

100 Hz에서 16개의 샘플을 가진 전압 파형의 경우 불확도는 약 10 mV/V로 평가된다.

앞으로 바이어스 채널을 늘여 샘플수를 증가시키면 10-6 V/V 혹은 그 이하의 불확도를 얻을 수 있을 것으로 예상한다.

계산 가능한 교류 전압의 합성은 전기표준 전 분야에 걸쳐 폭 넓은 파급을 가져올 것이다.

현재까지 개발된 기술 수준을 조금 더 높인다면, 가까운 시일 내에 조셉슨 교류전압의 최초 응용 사례가 될 것으로 주목되는 (비정현) 전력표준 확립의 토대가 마련 될 것으로 기대한다.

<그림2> 조셉슨 웨이브폼 합성과 계측 시스템의 블록다이어그램

NI 솔루션을 선택한 이유

1. 빠른 전압 출력 전이 (20ns)

2. T-Clock을 이용한 채널 간 동기화

3. 옵티컬 인터페이스