用于與四端子傳感器一起使用的控制電路和包括這種控制電路的測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于與四端子傳感器一起使用的控制電路，所述傳感器具有第一和第二驅(qū)動(dòng)端子以及第一和第二測(cè)量端子，所述控制電路被配置來(lái)利用激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述第一和第二驅(qū)動(dòng)端子中的至少一個(gè)以感測(cè)所述第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差并控制所述激勵(lì)信號(hào)，如此所述第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差便在目標(biāo)電壓范圍內(nèi)，且其中所述控制電路包括在其傳遞特性中的N個(gè)極點(diǎn)和在其傳遞特性中的N-1個(gè)零點(diǎn)，如此當(dāng)回路增益降至單位增益時(shí)，閉合回路周圍的相移基本上不為2π弧度或其倍數(shù)，其中N大于1。
【專利說(shuō)明】用于與四端子傳感器一起使用的控制電路和包括這種控制電路的測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及用于與四端子傳感器一起使用的控制電路、四端子傳感器和控制電路的組合以及提高與四端子傳感器一起使用時(shí)的測(cè)量系統(tǒng)的精確度的方法。例如，傳感器可以是生物傳感器，比如葡萄糖傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0002]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于與四端子傳感器一起使用的控制電路，傳感器具有第一和第二驅(qū)動(dòng)端子以及第一和第二測(cè)量端子，控制電路被配置來(lái)利用激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)第一和第二驅(qū)動(dòng)端子中的至少一個(gè)以感測(cè)第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差并控制激勵(lì)信號(hào)，如此第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差便在目標(biāo)電壓范圍內(nèi)，且其中控制電路包括在其增益頻率傳遞特性中的N個(gè)極點(diǎn)和在其增益頻率傳遞特性中的N-1個(gè)零點(diǎn)，如此當(dāng)回路增益降至單位增益時(shí)，閉合回路周圍的相移基本上不為2 弧度或其倍數(shù)，其中N ^ 2且為整數(shù)。
[0003]因此，有可能使用控制電路中更高的增益(與僅通過(guò)在低頻下減小開(kāi)環(huán)增益直到控制電路中的閉環(huán)增益已降至單位增益的這個(gè)時(shí)間，同時(shí)將增益隨頻率的變化保持為基本上-20dB每10倍頻變化而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的情況相比)在多個(gè)頻率下對(duì)四端子傳感器的阻抗進(jìn)行阻抗測(cè)量。
[0004]以上提到的N個(gè)極點(diǎn)和N-1個(gè)零點(diǎn)是在控制電路具有足夠增益以使振蕩發(fā)生的頻率下發(fā)生的極點(diǎn)和零點(diǎn)。這意味著例如回路內(nèi)的正向通路中的增益大于單位增益。優(yōu)選地，增益裕度包括在回路內(nèi)以允許制造變化或溫度變化，且因此
【發(fā)明內(nèi)容】
中提及的N個(gè)極點(diǎn)和N-1個(gè)零點(diǎn)在增益大于由增益裕度修改的單位增益的頻率下發(fā)生，如在增益為0.5或更少比如0.3處。
[0005]在高于控制器增益或回路增益已降至小于單位增益(優(yōu)選地由增益裕度修改)，如此增益便例如小于0.5的頻率的頻率空間內(nèi)發(fā)生的極點(diǎn)不會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定且可被忽略。
[0006]在控制電路內(nèi)使用更高的增益意味著可將第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差更嚴(yán)密地控制為目標(biāo)值或目標(biāo)值范圍，且因此也將相應(yīng)地改進(jìn)對(duì)其它參數(shù)的測(cè)量。
[0007]有利的是，控制電路具有用于接受差分參考電壓的第一和第二參考電壓輸入端子。差分參考電壓為第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差設(shè)定目標(biāo)電壓。
[0008]有利的是，四端子傳感器包括負(fù)載，其阻抗(除其它外)作為化學(xué)品、酶或生物材料的濃度的函數(shù)而變化?？蛇x地，負(fù)載的阻抗可作為反應(yīng)的函數(shù)而變化。已知可生產(chǎn)用于對(duì)生物參數(shù)進(jìn)行電子檢測(cè)的傳感器。這種廣泛使用的電可讀生物傳感器的實(shí)例包括用于治療糖尿病的血糖測(cè)量條。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第二方面， 提供了與四端子傳感器一同構(gòu)成本發(fā)明的第一方面的實(shí)施方案的控制電路。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了運(yùn)行包括多端子傳感器和激勵(lì)電路的儀器回路的方法，其中多端子傳感器具有與第一感測(cè)端子不同的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)端子，且其中多端子傳感器具有另一個(gè)端子，且其中激勵(lì)電路被配置來(lái)測(cè)量第一感測(cè)端子和另一個(gè)端子之間的電壓差，并使用這個(gè)電壓差來(lái)控制施加到所述至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)端子的激勵(lì)信號(hào)以將第一感測(cè)端子和另一個(gè)端子之間的電壓差保持為目標(biāo)值或保持在目標(biāo)范圍內(nèi)，且其中激勵(lì)電路被配置為在其傳遞特性具有至少一個(gè)零點(diǎn)，如此其便滿足巴克豪森穩(wěn)定性準(zhǔn)則。
[0011]優(yōu)選地，所述至少一個(gè)零點(diǎn)被定位在低于激勵(lì)電路的正向增益已降至小于單位增益的頻率，如此包含激勵(lì)電路的閉合回路便無(wú)法經(jīng)歷自持振蕩。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]現(xiàn)在將通過(guò)非限制性實(shí)例參考附圖描述本發(fā)明，其中:
[0013]圖1是構(gòu)成本發(fā)明的實(shí)施方案的測(cè)量電路的電路圖；
[0014]圖2是電流測(cè)量電路的電路圖；
[0015]圖3是另一個(gè)電流測(cè)量電路的電路圖；
[0016]圖4是表示可應(yīng)用于對(duì)合適的測(cè)量單元進(jìn)行電化學(xué)分析的激勵(lì)信號(hào)的圖；
[0017]圖5是電化學(xué)葡萄糖測(cè)量單元的電流相對(duì)于時(shí)間的理想化演變的圖；
[0018]圖6是血糖測(cè)試傳感器的阻抗與頻率的圖；
[0019]圖7是已被其生產(chǎn)商穩(wěn)定以防止自激振蕩的運(yùn)算放大器的增益頻率傳遞特性；
[0020]圖8是放大器的相移與頻率關(guān)系的圖表，其增益頻率響應(yīng)已在圖7中示出；
[0021]圖9示出圖1中的電路的一部分，但是包括了寄生組件；
[0022]圖10是圖1的電路的增益頻率特性的圖表，其響應(yīng)特性中不存在任何補(bǔ)償零點(diǎn)；
[0023]圖11是已在圖10中示出增益頻率響應(yīng)的電路的相位頻率響應(yīng)的圖表；
[0024]圖12是本發(fā)明的實(shí)施方案的增益頻率響應(yīng)的圖表；
[0025]圖13是其增益頻率響應(yīng)在圖12中示出的實(shí)施方案的相位頻率圖表；
[0026]圖14是電路的電路圖，電路中的前兩個(gè)級(jí)可用于引入兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，或所有三個(gè)級(jí)可用于引入三個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)；
[0027]圖15是根據(jù)本發(fā)明的可被穩(wěn)定的差分儀器回路的圖；以及
[0028]圖16是用于引入極點(diǎn)零點(diǎn)對(duì)的另一個(gè)電路的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]圖1是由四端子傳感器(通常指示為2)與控制電路(指示為4)和電流測(cè)量電路(指示為8)結(jié)合組成的測(cè)量電路的電路圖。四端子傳感器包括負(fù)載10，其阻抗作為被測(cè)變量的函數(shù)而變化。因此，例如，負(fù)載可以是用于生物學(xué)測(cè)量的單元，其阻抗作為分析物濃度的函數(shù)變化。分析物可例如是血糖。單元可附接至襯底并連接至襯底上的端子，如此單元10可被電激勵(lì)且監(jiān)控流過(guò)單元的電流。作為這個(gè)測(cè)量的一部分，可希望非常精確地知道單元10兩端的電壓以及通過(guò)其的電流。至單元10以及從單元10的連接可遭受制造變化并可表現(xiàn)出阻抗，且阻抗確實(shí)會(huì)改變，這將影響電壓測(cè)量的精確度。為了克服這種阻抗問(wèn)題，可將單元作為四端子傳感器的一部分提供。四端子傳感器包括理論上連接至單元一端的第一驅(qū)動(dòng)端子20和理論上連接至單元的相對(duì)端的第二驅(qū)動(dòng)端子22。由電阻器24表示的阻抗可存在于第一驅(qū)動(dòng)端子20和單元10的第一端之間。這個(gè)第一阻抗24可以是有意的，或其可僅僅是單元10的屬性以及與其進(jìn)行的連接的函數(shù)，且因此可被看作是寄生分量。相似地，第二電阻26可存在于單元10的第二側(cè)與第二驅(qū)動(dòng)端子22之間的通路中。通過(guò)具有分別連接至單元10的第一和第二端的第一和第二測(cè)量端子30和32，四端子傳感器克服了這些電阻24和26的問(wèn)題。這些連接也可表現(xiàn)出如分別由電阻器34和36表示的有意或寄生阻抗。盡管此處已使用“端子”一詞，但是應(yīng)理解其可被術(shù)語(yǔ)“節(jié)點(diǎn)”代替。
[0030]如果連接至這些第一和第二測(cè)量端子30和32的測(cè)量電路中沒(méi)有電流或基本上沒(méi)有電流，那么在第一和第二測(cè)量端子30和32出現(xiàn)的單元輸出電壓將精確地表示單元10兩端的電壓差。實(shí)際上，這種條件可由使用高阻抗前端的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。這種高阻抗前端通常將絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管用作輸入設(shè)備。結(jié)果是，這種電路基本上不從測(cè)量端子汲取電流。
[0031]控制電路6已被示意性地表示為運(yùn)算放大器。這基本上是正確的，因?yàn)楸M管其具有第一至第四輸入41至44，但是其在圖1中示出的閉合回路內(nèi)的作用是驅(qū)動(dòng)其輸出節(jié)點(diǎn)
50處的電壓以使輸入41處出現(xiàn)的電壓和輸入42處出現(xiàn)的電壓之間的電壓差與信號(hào)輸入44處出現(xiàn)的信號(hào)和參考電壓輸入43處出現(xiàn)的信號(hào)之間的電壓差之和最小化?？捎蛇\(yùn)算放大器形成這些差值的每一個(gè)(即，輸入41和42處的信號(hào)之間的差值以及輸入43和44處的信號(hào)之間的差值)，然后這些差值的每一個(gè)可用作另一個(gè)運(yùn)算放大器的輸入。
[0032]可以理解,第一輸入41和第二輸入42的值之間，以及輸入43和輸入44處的電壓之間存在小的電壓差，但是這個(gè)電壓差的大小取決于控制電路6的增益。廣義上而言，電壓差的大小隨著控制電路6的增益的增大成比例地減小。因此，控制電路6內(nèi)的高增益導(dǎo)致單元10兩端的電壓差被如此控制以致其與由參考電路52生成并被供應(yīng)至控制電路6的參考輸入42和43的電壓差精確匹配。輸入偏移的影響已被忽略，且假設(shè)將使用合適的技術(shù)，比如自動(dòng)調(diào)零來(lái)減少這些誤差來(lái)源。
[0033]為了控制單元10兩端的電壓，電流必須流經(jīng)單元，例如從第一驅(qū)動(dòng)端子20流至第二驅(qū)動(dòng)端子22。作為單元所響應(yīng)的對(duì)生物材料進(jìn)行的測(cè)量的一部分，有必要知道通過(guò)單元的電流大小。為此，提供了電流測(cè)量電路8。在圖1所示的實(shí)例中，測(cè)量電路8已被定位在第二驅(qū)動(dòng)端子22和小信號(hào)接地60之間。然而，還可在控制電路6的輸出節(jié)點(diǎn)50和四端子傳感器2的第一驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)20之間的反饋回路內(nèi)提供電流測(cè)量電路8。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在一定程度上取決于其認(rèn)為最方便執(zhí)行的電流測(cè)量技術(shù)或電路來(lái)進(jìn)行自由選擇。
[0034]參考電壓52可被配置來(lái)生成DC電壓脈沖，在這種情況下希望測(cè)量電流相對(duì)于時(shí)間的演變。然而，出于檢驗(yàn)和校準(zhǔn)的目的，可能還希望參考電壓52生成變化的信號(hào)，例如交替的正弦曲線，且在這種情況下變得希望測(cè)量電路8知道正弦信號(hào)的相位，如此便可測(cè)量電流的大小和相變，以例如推斷單元10的復(fù)阻抗?？赏ㄟ^(guò)將第一和第二測(cè)量端子之間的電壓差的大小和相位與流過(guò)傳感器的電流的大小和相位進(jìn)行比較來(lái)確定復(fù)阻抗。
[0035]圖2示意性地圖示了第一電流測(cè)量電路，其包括串聯(lián)安置在第二驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)22和小信號(hào)接地60之間的感測(cè)電阻器70?？捎赡M數(shù)字轉(zhuǎn)換器80測(cè)量電阻器70兩端出現(xiàn)的電壓。取決于電路設(shè)計(jì)者所需的速度和精確度要求，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器80可在任何合適的轉(zhuǎn)換器技術(shù)，比如sigma-delta、逐次逼近或閃存技術(shù)中執(zhí)行。
[0036]圖3示出圖2的變化，其中電流感測(cè)電阻器被放置在運(yùn)算放大器90的反饋回路中，運(yùn)算放大器90使其反相輸入連接至第二驅(qū)動(dòng)端子22，且其非反相輸入連接至小信號(hào)接地60。這種構(gòu)造可能是有利的，因?yàn)檫@意味著憑借形成虛接地的放大器90，第二驅(qū)動(dòng)端子22處的電壓基本保持恒定，且可選擇電阻器70的阻抗以在放大器90的輸出處給出更大的輸出電壓范圍。再一次說(shuō)明，輸出電壓可被模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器80數(shù)字化。
[0037]負(fù)載10可例如是電子測(cè)量的電化學(xué)條，葡萄糖條是其常見(jiàn)實(shí)例。圖4圖示了用于這種條的安培計(jì)測(cè)量協(xié)議。在安培計(jì)測(cè)量過(guò)程中，DC電壓在時(shí)間Ttl被施加在所述條的兩端并保持恒定，直到時(shí)間T1為止。時(shí)間T1和Ttl之差基本上為I秒，且電壓的大小可以是大約500mV。測(cè)量協(xié)議過(guò)程中，經(jīng)過(guò)單元的電流變化基本上如圖5中所示。因此，電流快速上升至初始值Ici并衰減至值曲線形狀為Cottrellian曲線(其遵循Cottrell方程),其形狀
K
基本上隨^?而變化。參數(shù)K的值作為分析物濃度的函數(shù)而變化。然而,K的值也可作為其 它參數(shù)的函數(shù)變化，一個(gè)常見(jiàn)參數(shù)為溫度，但是存在污染物時(shí)其也可變化。在Cottrell方程的更復(fù)雜形式中，K的值作為被測(cè)量物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)的平方根而變化，且其為擴(kuò)散系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)為溫度的函數(shù)。因此，希望在主要測(cè)試之前或之后進(jìn)行一些校正測(cè)量以推斷可用于修改K值的因素，如此以致例如葡萄糖測(cè)試變得更精確。
[0038]本領(lǐng)域的工作者已觀察到一些這些誤差的來(lái)源，比如可通過(guò)測(cè)量單元10的復(fù)阻抗來(lái)推斷溫度和一些干擾性化學(xué)品。因此，例如已觀察到，對(duì)于葡萄糖測(cè)量單元而言，如圖6中所示的阻抗相對(duì)于頻率的變化具有通常指示為100的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置可用于例如為溫度測(cè)量導(dǎo)出校正因子。因此，測(cè)量作為頻率函數(shù)的阻抗使得能夠推斷單元10的溫度。期望這種方法可被沿用到響應(yīng)于各個(gè)分析物的許多生物傳感器。
[0039]例如，如果某人想要測(cè)量溫度，那么可認(rèn)為通過(guò)在所述單元內(nèi)裝配溫度傳感器，溫度測(cè)量將會(huì)更好地進(jìn)行，但是這可能沒(méi)有像最初想像般可取。首先，溫度傳感器將幾乎肯定傾向于測(cè)量襯底(其上形成單元)的溫度而非單元的溫度。因此，當(dāng)將生物樣本(比如，血液)被引入至測(cè)量單元時(shí)，所述單元的溫度將不同于襯底的溫度，且將需要均衡時(shí)間，在此期間樣本中的化學(xué)品(分析物)，比如葡萄糖和單元內(nèi)用于測(cè)試那些化學(xué)品的試劑之間可發(fā)生反應(yīng)。此外，溫度傳感器的形成將需要額外的處理步驟，且溫度傳感器本身可能將會(huì)遭受制造誤差，且因此可能實(shí)際上不會(huì)改進(jìn)溫度測(cè)量，以及因此對(duì)相關(guān)參數(shù)(比如，擴(kuò)散率)的估計(jì)。
[0040]通常，單元的復(fù)阻抗是通過(guò)在某一范圍的頻率下(比如IkHz、2kHz、10kHz和20kHz)在單元兩端誘發(fā)例如量級(jí)為15mV的低壓正弦波來(lái)測(cè)量的。這個(gè)阻抗可以已知的方式用于對(duì)溫度應(yīng)用校正因子。然而，這會(huì)造成其自身的測(cè)量問(wèn)題。
[0041 ] 如之前所述，控制電路可被看作非常像運(yùn)算放大器那樣運(yùn)行。電子工程師通常知道連接在反饋回路中的放大器具有進(jìn)入自持振蕩的能力。此外，大多數(shù)工程師知道運(yùn)算放大器的生產(chǎn)商通過(guò)有意在放大器中插入低頻極點(diǎn)(即，低通濾波器)來(lái)防止自激振蕩，以修改放大器的增益與頻率響應(yīng)。廣義上而言，且如圖7中所圖示，在頻率響應(yīng)特性中插入單個(gè)極點(diǎn)110使得增益(以分貝表達(dá))減小_20dB每十倍頻。這在高于極點(diǎn)110位置的頻率下引入作為頻率函數(shù)的-90°的相移，如圖8所圖示。大多數(shù)電氣工程師帶著這樣的工作“經(jīng)驗(yàn)法則”離開(kāi)大學(xué)，即，回路中的增益超過(guò)單位增益時(shí)，只要回路的增益僅減小_20dB每十倍頻，那么放大器或反饋回路將保持穩(wěn)定。
[0042]其結(jié)果是，只要低于運(yùn)算放大器的單位增益頻率下只存在一個(gè)極點(diǎn)，則可確保穩(wěn)定性。然而，一般而言，很難確保只存在一個(gè)極點(diǎn)。
[0043]圖9詳細(xì)圖示了圖1中的四端子傳感器，但是這次包括了寄生組件，尤其是寄生電容器120和122的效應(yīng)。可看到，寄生電容120與電阻器34 —起作用以形成低通濾波器，其斷點(diǎn)將由電阻器34的電阻和寄生電容器120的電容決定。這個(gè)低通濾波器將另一個(gè)極點(diǎn)置于控制電路中的前向信號(hào)通路的頻率響應(yīng)中。類似地，電阻器36和寄生電容器122也形成低通濾波器。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)這些兩個(gè)極點(diǎn)在相同頻率下，因此可被看作是單個(gè)低通濾波器。如果并非是極點(diǎn)可被看作形成單個(gè)低通濾波器的情況，那么通常一個(gè)極點(diǎn)將比另一個(gè)極點(diǎn)更麻煩，因此作為優(yōu)選，本文描述的恢復(fù)回路穩(wěn)定性的措施將應(yīng)用于極點(diǎn)中更為麻煩的一個(gè)。
[0044]圖10示意性地圖示了圖1中所示電路的頻率響應(yīng)特性,其中由于主極點(diǎn)110通過(guò)設(shè)計(jì)而被包括以提供回路穩(wěn)定性，所以主極點(diǎn)110存在于控制電路頻率響應(yīng)中，且由于在電阻器34和寄生電容器120以及電阻器36和寄生電容器122之間不注意地形成濾波器，所以存在另一個(gè)極點(diǎn)140。如果寄生極點(diǎn)140發(fā)生在控制電路6的開(kāi)環(huán)增益未降至OdB以下(低于單位增益)的頻率下，那么頻率響應(yīng)具有在已達(dá)到單位增益的某一區(qū)域(通常以150指示)內(nèi)下降_40dB每十倍頻的能力。類似地，第二極點(diǎn)將在頻率響應(yīng)中另外增加90°的相移，如圖11所示，如此在單位增益頻率下，控制電路中的相移基本上為180°。由于負(fù)反饋回路，這結(jié)合了 180°的相移，給出總共大約360°的相移，并因此將電路放置在其能夠經(jīng)歷自持振蕩的位置。通常，工程師面對(duì)這個(gè)問(wèn)題時(shí)知道可通過(guò)將放大器的開(kāi)環(huán)增益減小至較低的值來(lái)解決不穩(wěn)定性，如圖10中的曲線160所指示，如此與OdB線的截點(diǎn)便出現(xiàn)在-20dB每十倍頻處。然而，這種技術(shù)帶來(lái)穩(wěn)定性的同時(shí)減小了開(kāi)環(huán)增益，且因此增大了參考電壓和測(cè)量的電壓差之間的誤差電壓。此外，增益必然隨頻率減小，因此在2kHz下的增益將比在IkHz下的增益小6dB，在IOkHz下的增益將(根據(jù)定義)比在IkHz下的增益小20dB，且在20kHz下的增益將比在IkHz下的增益小26dB。目標(biāo)電壓差和參考電壓差之間的誤差將相應(yīng)地增大。因此，可看到引入電路穩(wěn)定性的這種方法對(duì)測(cè)量精確度有很大影響。
[0045]抗自持振蕩的穩(wěn)定性可通過(guò)例如在低于單位增益頻率的頻率響應(yīng)中引入零點(diǎn)170來(lái)解決，如此頻率響應(yīng)的斜率便從低于零點(diǎn)170的頻率下的_40dB每十倍頻修改成高于零點(diǎn)170的頻率下以及單位增益頻率下的_20dB每十倍頻。圖12示出了這種配置。圖12還示出在高于單位增益(OdB)頻率的頻率下發(fā)生的另一個(gè)極點(diǎn)172，僅為了指出此處的極點(diǎn)不會(huì)引入自持振蕩。圖13示出這種傳遞函數(shù)的一般化相位曲線，其示出相變?cè)诹泓c(diǎn)170之下基本上為-180°，在零點(diǎn)170和極點(diǎn)172的位置之間基本上升至-90°，并在高于極點(diǎn)172的頻率的頻率下返回至-180°。
[0046]值得指出的是，如所示在低于零點(diǎn)170的頻率的頻率下發(fā)生的_40dB每十倍頻的增益改變不會(huì)造成振蕩。這對(duì)于許多電子工程師而言是違反直覺(jué)的。然而，由巴克豪森穩(wěn)定性準(zhǔn)則決定電路是否振蕩。巴克豪森準(zhǔn)則適用于反饋回路中的線性電路。所述準(zhǔn)則稱，如果A為電路的正向通路中的放大元件的增益，且@ (Jco)為反饋通路的傳遞函數(shù)，如此M便為電路的反饋回路周圍的回路增益，那么電路將僅在以下頻率下維持穩(wěn)態(tài)振蕩:
[0047]i)回路增益等于單位增益的絕對(duì)值，S卩I PA I =1;以及
[0048]ii)回路周圍的相移為零或2 的整數(shù)倍。
[0049]巴克豪森準(zhǔn)則是振蕩的必要條件，但非充分條件。滿足所述準(zhǔn)則的一些電路不會(huì)振蕩。然而，如果電路不滿足所述準(zhǔn)則，那么其將不會(huì)振蕩。這確認(rèn)了，如圖12所示，即便在相對(duì)較低頻率下的高增益在正向通路中伴隨有-180°的相移，加上由于形成反饋回路所致的另外-180°的相移(因此基本上相當(dāng)于2 )，相對(duì)較低頻率下的高增益本身將不會(huì)創(chuàng)造振湯條件。
[0050]圖12的增益頻率特性可通過(guò)引入另外的極點(diǎn)和零點(diǎn)來(lái)修改，但僅當(dāng)頻率響應(yīng)超過(guò)單位增益值，頻率響應(yīng)僅下降20dB每十倍頻時(shí)才足以改變。因此，朝向圖的較低頻率端的響應(yīng)可取決于多少極點(diǎn)已被引入頻率響應(yīng)特性中而下降_40dB每十倍頻、-60dB每十倍頻、-80dB每十倍頻或更多dB每十倍頻。
[0051]圖14圖示了在頻率響應(yīng)中提供了三個(gè)極點(diǎn)和兩個(gè)零點(diǎn)的電路，為了說(shuō)明，電路僅被繪制為單端電路，其接收代表單元輸出信號(hào)的負(fù)幅度的第一輸入200和代表參考信號(hào)的幅度的第二輸入202。這些信號(hào)的每一個(gè)經(jīng)由各自的阻抗210和212被輸入至第一運(yùn)算放大器216的反相輸入214中。運(yùn)算放大器216使其非反相輸入連接至小信號(hào)接地，且電容器220連接在第一放大器216的輸出222和其反相輸入214之間。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，放大器216的反饋回路中存在電容器220形成了積分器。理想的積分器將極點(diǎn)置于OHz下。然而，鑒于實(shí)際上放大器216具有有限增益，那么極點(diǎn)實(shí)際上被定位在接近OHz而非實(shí)際上在OHz下?？商峁┹敵龉?jié)點(diǎn)224以選擇性地允許電路的運(yùn)行，如現(xiàn)有技術(shù)中所描述。
[0052]然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，還與相關(guān)聯(lián)的零點(diǎn)一起提供一個(gè)或多個(gè)極點(diǎn)。極點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)可由電路區(qū)塊(通常指示為240)提供，在本實(shí)例中，已經(jīng)串聯(lián)提供了兩個(gè)這種區(qū)塊240、240a。然而，可憑借僅包括一個(gè)電路區(qū)塊240，或?qū)嶋H上三個(gè)或更多這種電路區(qū)塊來(lái)實(shí)踐本發(fā)明。電路區(qū)塊240包括另一個(gè)運(yùn)算放大器250，使其非反相輸入連接至小信號(hào)接地。在另一個(gè)運(yùn)算放大器250的反相輸入和向其供應(yīng)信號(hào)的電路之間提供輸入電阻器252,在本實(shí)例中其為在放大器216周圍形成的積分器。另一個(gè)放大器250周圍的反饋回路包括與電阻器256串聯(lián)的電容器254?？煽吹?，在低頻下電容器254的阻抗占主導(dǎo)地位，且因此反饋回路表現(xiàn)為積分器。在這種特定配置中，電路區(qū)塊240提供的另一個(gè)極點(diǎn)基本上在OHz下發(fā)生。還可看到，當(dāng)頻率上升時(shí)，電容器254的阻抗減小并開(kāi)始變得不如另一個(gè)電阻器256








I
的阻抗重要。事實(shí)上，電容器254的電容C254和電阻器256的電阻R256的值在
下插入零點(diǎn)。通過(guò)檢查可另外觀察到，在高于區(qū)塊240中引入零點(diǎn)的頻率的頻率下，區(qū)塊240的增益由電阻器256與電阻器252之比決定。提供輸出節(jié)點(diǎn)260，如此從這個(gè)節(jié)點(diǎn)260拾取的信號(hào)與圖1的輸出節(jié)點(diǎn)50對(duì)應(yīng)。假如由電容器254和電阻器256形成的零點(diǎn)在低于控制電路6的單位增益頻率下發(fā)生，那么將確保穩(wěn)定性。
[0053]也可提供與第一區(qū)塊相似的另一區(qū)塊(但是相似部分通過(guò)附上〃a〃來(lái)指示)來(lái)引入第二極點(diǎn)零點(diǎn)對(duì)。由另一個(gè)電路區(qū)塊引入的零點(diǎn)不需要被定位在與由第一區(qū)塊提供的零點(diǎn)相同頻率的頻率下。
[0054]圖15圖示了圖1中所示電路的另外變`化，其中提供了兩個(gè)控制電路。上控制電路(其包括附加極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)償，如上文中所描述)從第一參考電壓發(fā)生器270接收第一參考電壓，并控制第一測(cè)量端子30處的電壓以匹配由第一參考電壓發(fā)生器270提供的參考電壓。第二控制電路302從第二參考電壓發(fā)生器307接收第二參考電壓，并將第二測(cè)量端子32處的電壓控制為等于來(lái)自第二參考電壓發(fā)生器307的電壓。因此，傳感器的上下分支以雙端方式被驅(qū)動(dòng)至各自的電壓。電流測(cè)量電阻器70可被插入任一控制回路中(因?yàn)楦鶕?jù)定義，每一個(gè)控制回路中的電流必須相同，且電阻器70兩端出現(xiàn)的電壓可被差分輸入模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器80數(shù)字化。
[0055]圖16是如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的可用于提供極點(diǎn)零點(diǎn)對(duì)的另一個(gè)電路的電路圖。其包括具有作為信號(hào)輸入的非反相輸入的運(yùn)算放大器320。電容器322連接在放大器320的輸出和放大器320的反相輸入之間。電阻器324將反相輸入連接至小信號(hào)接地。
[0056]應(yīng)注意，設(shè)計(jì)者也可將零點(diǎn)置于傳遞特性中，而不形成關(guān)聯(lián)的極點(diǎn)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，這種零點(diǎn)可作為高通濾波器(有源濾波器或無(wú)源濾波器)執(zhí)行。
[0057]因此，有可能通過(guò)合適地插入附加極點(diǎn)(優(yōu)選地作為積分器)和零點(diǎn)(優(yōu)選地作為高通濾波器)來(lái)修改所述控制電路或每一個(gè)控制電路的頻率響應(yīng)，以使得能夠使用(與僅通過(guò)單獨(dú)使用增益衰減而非通過(guò)引入附加的極點(diǎn)零點(diǎn)對(duì)來(lái)減小控制電路的開(kāi)環(huán)增益來(lái)確保穩(wěn)定性的情況相比)高得多的回路增益。
[0058]此處呈現(xiàn)的權(quán)利要求是以單項(xiàng)從屬格式撰寫的，以便適合在USPTO申請(qǐng)。然而，為了在經(jīng)常使用多項(xiàng)從屬權(quán)利要求的其它地區(qū)使用，除技術(shù)上明確不可行的地區(qū)之外，每一項(xiàng)從屬權(quán)利要求將被假設(shè)為多次從屬于享有相同獨(dú)立權(quán)利要求的所有前述從屬權(quán)利要求。
【權(quán)利要求】
1.一種用于與四端子傳感器一起使用的控制電路，所述傳感器具有第一驅(qū)動(dòng)端子和第二驅(qū)動(dòng)端子以及第一測(cè)量端子和第二測(cè)量端子，所述控制電路被配置來(lái)利用激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述第一驅(qū)動(dòng)端子和所述第二驅(qū)動(dòng)端子中的至少一個(gè)以感測(cè)所述第一測(cè)量端子和所述第二測(cè)量端子之間的電壓差并控制所述激勵(lì)信號(hào)，如此所述第一測(cè)量端子和所述第二測(cè)量端子之間的所述電壓差便在目標(biāo)電壓范圍內(nèi)，且其中所述控制電路包括在其傳遞特性中的N個(gè)極點(diǎn)和在其傳遞特性中的N-1個(gè)零點(diǎn)，如此當(dāng)回路增益降至單位增益時(shí)，閉合回路周圍的相移基本上不為2 弧度或其倍數(shù)，其中N大于I。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其中所述或每一個(gè)零點(diǎn)被定位在開(kāi)環(huán)回路傳遞特性中的所述控制電路表現(xiàn)為大于單位增益的頻率下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其中所述極點(diǎn)中的至少一個(gè)由積分器提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制電路，其中極點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)由運(yùn)算放大器的反饋回路中的電容器和電阻器的串聯(lián)組合提供。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其還包括用于接受參考信號(hào)的至少一個(gè)參考信號(hào)輸入端，且其中所述控制電路發(fā)揮作用以使所述第一測(cè)量端子和所述第二測(cè)量端子之間的電壓差基本上與所述至少一個(gè)參考信號(hào)匹配。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的控制電路，其還包括用于在多個(gè)頻率下生成所述參考信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其還包括用于測(cè)量流過(guò)所述四端子傳感器的電流的電流傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制電路，其還包括用于測(cè)量流過(guò)所述四端子傳感器的電流的電流傳感器和用于檢測(cè)所述四端子傳感器的電壓和流過(guò)所述傳感器的電流之間的相位差的相位檢測(cè)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制電路，其與具有響應(yīng)于被測(cè)變量而變化的阻抗的四端子傳感器結(jié)合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制電路，其中所述被測(cè)變量為生物樣本。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制電路，其中所述被測(cè)變量為血糖水平。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的控制電路，其與用于測(cè)量生物樣本參數(shù)的四端子傳感器結(jié)合，其中在多個(gè)頻率下進(jìn)行了多個(gè)阻抗測(cè)量以確定用于生物參數(shù)測(cè)量的校正因子。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的控制電路，其中對(duì)cottrellian曲線的衰減常數(shù)應(yīng)用了校正。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的控制電路，其中在生物樣本的生物參數(shù)測(cè)試過(guò)程中，所述控制電路被運(yùn)行以保持所述第一測(cè)量端子和所述第二測(cè)量端子之間的DC電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制電路，其中所述四端子傳感器以單端方式被驅(qū)動(dòng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的控制電路，其中所述四端子傳感器以雙端方式被驅(qū)動(dòng)。
17.—種運(yùn)行包括多端子傳感器和激勵(lì)電路的儀器回路的方法，其中所述多端子傳感器具有與第一感測(cè)端子不同的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)端子，且其中所述多端子傳感器具有另一個(gè)端子，且其中所述激勵(lì)電路被配置來(lái)測(cè)量所述第一感測(cè)端子和所述另一個(gè)端子之間的電壓差并使用這個(gè)電壓差來(lái)控制施加到所述至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)端子的激勵(lì)信號(hào)以將所述第一感測(cè)端子和所述另一個(gè)端子之間的電壓差保持為目標(biāo)值或保持在目標(biāo)范圍內(nèi)，且其中所述激勵(lì)電路被配置為在其傳遞特性中具有至少一個(gè)零點(diǎn)，如此其便滿足巴克豪森穩(wěn)定性準(zhǔn)則。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述激勵(lì)電路在其傳遞特性中具有N個(gè)極點(diǎn)和N-1個(gè)零點(diǎn)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述極點(diǎn)被作為積分器提供。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其還包括在多個(gè)頻率下對(duì)所述激勵(lì)信號(hào)提供AC分量或?qū)⑺黾?lì)信號(hào)作為AC分量提供，并在多個(gè)頻率下測(cè)量所述多端子傳感器的復(fù)阻抗。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其還包括使用對(duì)復(fù)阻抗的測(cè)量來(lái)補(bǔ)償所述多端子傳感器的參數(shù)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述傳感器包括化學(xué)品或生物感測(cè)單元，且所述被補(bǔ)償?shù)膮?shù)為所述感測(cè)單元內(nèi)的溫度。
23.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述N-1個(gè)零點(diǎn)發(fā)生在所述控制回路具有大于單位增益的增益的頻率下。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述N-1個(gè)零點(diǎn)發(fā)生在控制回路具有大于0.5的增益的頻率下。
25.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述N個(gè)極點(diǎn)發(fā)生在所述控制回路具有大于單位增益的增益的頻率下。
26.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述傳感器為四端子葡萄糖傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N27/00GK103675025SQ201310445679
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月25日
【發(fā)明者】C·G·萊登, D·伯克, D·A·登普西, D·G·歐基夫, P·C·柯比 申請(qǐng)人:美國(guó)亞德諾半導(dǎo)體公司