一種自動(dòng)跟蹤工頻陷波器的研究與設(shè)計(jì)

陳振生，王 月，張玉林，李長(zhǎng)青

（1.山東凱文科技職業(yè)學(xué)院 電工電子實(shí)訓(xùn)中心，山東 濟(jì)南 250200；2.山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

電子束曝光機(jī)在曝光制版工作中，有一個(gè)把電子束斑和電子束流調(diào)整到最佳配合的重要工作環(huán)節(jié)[1]。這就要求隨時(shí)不斷地測(cè)量束斑和束流，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與束斑和束流最佳配合數(shù)據(jù)相比較的結(jié)果，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整曝光機(jī)相關(guān)工作部件參數(shù)，實(shí)現(xiàn)束斑和束流的最佳配合。長(zhǎng)期的曝光機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)表明，在束斑和束流的測(cè)量過(guò)程中，存在嚴(yán)重的環(huán)境干擾信號(hào)，并且低頻干擾遠(yuǎn)強(qiáng)于高頻干擾，而低頻干擾的主體又是工頻電壓干擾。亞微米電子束曝光機(jī)的束流在納安級(jí)，如此小的束流測(cè)量不消除干擾是無(wú)法得到準(zhǔn)確測(cè)量的。束流得不到準(zhǔn)確測(cè)量也就談不上把束斑和束流調(diào)整到最佳。為此除了對(duì)工作室電子設(shè)備環(huán)境布局進(jìn)行防干擾設(shè)計(jì)外，專(zhuān)門(mén)研制了一種其中心頻率能自動(dòng)線(xiàn)性跟蹤工頻頻率的工頻陷波器，把它串聯(lián)在束流測(cè)量電路中，大大提高了束流的測(cè)量準(zhǔn)確度，保證了束斑和束流的最佳配合，為電子束曝光機(jī)性能指標(biāo)的提高提供了重要的工作基礎(chǔ)。

1 陷波器的工作原理分析

自動(dòng)跟蹤工頻陷波器的原理框圖如圖1所示。壓控帶通濾波器的通帶增益為1，其中心頻率受控于控制電壓VC。減法器的增益系數(shù)為1。壓控帶通濾波器和減法器構(gòu)成壓控帶阻濾波器，其控制電壓就是帶通濾波器的控制電壓VC。220 V的工頻電壓經(jīng)隔離變壓器降壓后給陷波器提供參考頻率fr。fr經(jīng)F/V變換器后，給壓控帶阻濾波器提供控制電壓Vc。合理設(shè)計(jì)電路參數(shù)，可使帶阻濾波器的中心頻率等于參考頻率fr（工頻頻率），并且工頻變化，控制電壓Vc也跟蹤變化，從而使電路成為自動(dòng)跟蹤工頻陷波器，其抑制工頻干擾的能力不受工頻頻偏影響。

1.1 壓控帶通濾波器

圖1 自動(dòng)跟蹤工頻陷波器原理框圖Fig.1 Fandamental diagram of auto-tracking wavetrap for power frequency

壓控帶通濾波器電路如圖2所示。圖中集成模擬乘法器M1和集成運(yùn)放Am構(gòu)成零輸出電阻的高性能乘法器，其相乘增益為1。運(yùn)放A1構(gòu)成積分器電路。積分器電路與M1和Am所構(gòu)乘法器組成壓控低通濾波器，其輸入信號(hào)電壓是Vi，控制電壓是Vc。同理，乘法器M2和運(yùn)放An構(gòu)成高性能相乘增益為1的乘法器，與A2構(gòu)成的積分器組成壓控高通濾波器，其輸入信號(hào)電壓是壓控低通濾波器的輸出電壓V01，其控制電壓也是Vc，即壓控高通濾波器和壓控低通濾波器的控制電壓為同一電壓。運(yùn)放A3構(gòu)成增益為2的同相放大器，其輸出V03就是壓控帶通濾波器的輸出[2]。

由于集成模擬乘法器的輸入阻抗遠(yuǎn)大于1 kΩ，A1所構(gòu)成積分器的輸出電阻近似為零，因此對(duì)于由M1、Am和A1所構(gòu)成的壓控低通濾波器，在復(fù)頻域中可得到[3]：

由（2）式得低通濾波器的截止頻率為：

同理可得由M2、An和A2所構(gòu)成的高通濾波器的傳輸函數(shù)為：

圖2 壓控帶通濾波器電Fig.2 Circuit of voltage controlled bandpass filter

由（4）式可得高通濾波器的截止頻率為：

由（3）和（5）式可知，低通濾波器和高通濾波器具有相同的截止頻率。

低通濾波器、高通濾波器與A3構(gòu)成的同相放大器相串聯(lián)而組成帶通濾波器，其傳輸函數(shù)為：

式中2是同相放大器的增益，把（2）式和（4）式代入上式得帶通濾波器的傳輸函數(shù)為[3]：

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由（6）式可得帶通濾波器的中心頻率、通帶增益和品質(zhì)因數(shù)分別為：

由（7）可知，帶通濾波器的中心頻率與控制電壓VC成線(xiàn)性關(guān)系。

1.2 壓控陷波器

壓控陷波器電路如圖3所示[4]。集成儀表放大器INA105是單位增益差動(dòng)放大器，在此處起到單位增益減法器的作用。減法器的輸出電壓Vo為：V0（S）=Vi（S）-V03（S） （8）

圖3 壓控陷波器電路Fig.3 Circuit of voltage controlled wave trap

式中V03（S）為壓控帶通濾波器的輸出，所以有：

把（6）式帶人上式可得壓控陷波器的傳輸函數(shù)為[3]：

由（9）式可得壓控陷波器的中心頻率、通帶增益和品質(zhì)因數(shù)分別為：

由（10）式可見(jiàn)，壓控陷波器的中心頻率與控制電壓Vc成線(xiàn)性關(guān)系，而通帶增益和Q值均為常數(shù)。

1.3 自動(dòng)跟蹤工頻陷波器

在圖1所示的原理框圖電路中，假定F/V變換器的變換系數(shù)為K，即VC=Kfr。由（10）式可得陷波器的中心頻率fo=Kfr/4πRC，其中fr為參考頻率，也就是工頻。如果轉(zhuǎn)換系數(shù)為：

則中心頻率fo=fr，即電路成為中心頻率自動(dòng)跟蹤工頻的陷波器，而且陷波器的其他性能參數(shù)與工頻無(wú)關(guān)，均為常數(shù)。

圖4 F/V變換器電路Fig.4 Circuit of F/V converter

圖1中所示的F/V轉(zhuǎn)換器的電路如圖4所示。由于9 400 F/V變換器的輸入比較器是過(guò)零比較器，所以對(duì)于任何波形的輸入信號(hào)都可以進(jìn)行正確的轉(zhuǎn)換，只是要求輸入信號(hào)的幅度大于±200 mV。9 400 F/V變換器非常適合對(duì)工頻輸入信號(hào)的轉(zhuǎn)換，取輸入工頻信號(hào)振幅為3 V[5]。變換器電路輸出輸入關(guān)系為：

式中K為變換器的變換系數(shù)

把上式代入（11）式，可求得中心頻率自動(dòng)跟蹤工頻的條件為：

電路中 Vref=6 V，Cref=0.01 μf，C=0.1 μf，R=20 kΩ， 可求得滿(mǎn)足中心頻率自動(dòng)跟蹤工頻的Rint阻值為：

為便于實(shí)驗(yàn)調(diào)整，Rint由300 kΩ電阻和200 KΩ可變電阻串聯(lián)而成。

2 高精度設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為了保證高精度線(xiàn)性跟蹤，必須精心選擇電路中各元器件，合理設(shè)計(jì)各單元電路[6]。

1）F/V變換器的變換系數(shù)K要準(zhǔn)確穩(wěn)定。為此，F(xiàn)/V轉(zhuǎn)換器采用精密集成F/V變換器9400，其線(xiàn)性精度可達(dá)0.01%，溫度系數(shù)≤±50×10-6/℃ 。9400 外圍電路中 Rint、Rbias均采用高精度低溫度系數(shù)RX70型電阻，Ccref、Cint均采用精密鉭電容。

2）圖2電路中的集成模擬乘法器M1和M2選用MC1594L，其輸出精度在室溫下為±0.03%。要精心設(shè)計(jì)MC1954L的外圍電路，決定相乘增益大小的RX、RY采用高精度穩(wěn)定電阻，3個(gè)調(diào)零電位器WX、WY和WZ均采用精密線(xiàn)繞電位器。

3）集成模擬乘法器MC1594L與集成運(yùn)放構(gòu)成新的性能更好的零輸出電阻乘法器電路，為保證性能穩(wěn)定可靠，圖2中的RL調(diào)整確定后（使增益系數(shù)為1），要采用精密電阻設(shè)定。

4）電路中所有集成運(yùn)放均采用高精度集成運(yùn)放OP-07E，其失調(diào)電壓 VOS≤45 μV，失調(diào)電壓溫度系數(shù)小于 0.3 μV/℃，失調(diào)電流溫度系數(shù)小于8 PA/℃ 。集成運(yùn)放的工作電源要用高穩(wěn)定穩(wěn)壓電源。

5）圖2電路中的電阻R、2R以及電容C要滿(mǎn)足精度高于0.01%的要求，要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)定、老化和篩選。電阻R和3個(gè)2R電阻要嚴(yán)格匹配。R選用精密線(xiàn)繞電阻RX70-0.5型，其穩(wěn)定系數(shù)α≤10-6／℃。C選用介質(zhì)損耗小的聚苯乙烯電容。

6）圖1中的變壓器要采用具有3層屏蔽的隔離電源變壓器，并且做到原邊屏蔽接大地，中間屏蔽接束流測(cè)量濾波電路的外殼，副邊屏蔽接測(cè)量濾波電路的保護(hù)地。只有這樣才能最大限度地隔離工頻電源電壓對(duì)F／V變換電路、陷波器電路以及整個(gè)束流測(cè)量系統(tǒng)的干擾影響[7]。

3 調(diào)試方法

調(diào)試電路如圖5所示。

圖5 調(diào)試電路Fig.5 Circuit of test and adjustment

1）開(kāi)關(guān)S2與3 V接通，使F/V變換器的輸入為3 V恒定直流電壓，也就是使F/V變換器的參考頻率輸入fr=0。調(diào)F/V轉(zhuǎn)換器的20 kΩ調(diào)零電位器，使F/V變換器輸出電壓Vc=0。

開(kāi)關(guān)S1與地接通使Vi=0 V，調(diào)壓控帶通濾波器中的運(yùn)放失調(diào)補(bǔ)償電路使壓控帶通濾波器的輸出V03=0，再調(diào)減法器中的失調(diào)補(bǔ)償電路使Vo=0.

2）開(kāi)關(guān)S1與振幅3V正弦電壓接通，即使Vi為振幅為3 V的正弦信號(hào)電壓。Vi頻率在30～70 Hz之間連續(xù)可調(diào)。S2與Vi接通，使F/V變換器的輸入就是正弦電壓Vi，即變換器的參考頻率fr就是Vi的頻率，也就是陷波器的中心頻率就是輸入信號(hào)Vi的頻率。調(diào)圖2中所示電路中的兩電阻RL（調(diào)兩相乘乘法器相乘增益），使Vi頻率在30～70 Hz變換期間，VO趨向于零或最小。

3）開(kāi)關(guān)S1和S2與步驟（2）的狀態(tài)相同，調(diào)F/V變換器電路的Rint（調(diào)變換器的變換系數(shù) K），使Vi的頻率 在 30～70 Hz變換期間，VO始終接近零或最小。

4） 重復(fù) 1）、2）、3）步驟，直到性能最佳，即 Vi的頻率 在30～70 Hz變換期間，VO始終近似為零。

4 結(jié)束語(yǔ)

工頻干擾是電子束曝光機(jī)束流測(cè)量中的主要干擾，也是電子束曝光機(jī)其他電氣部件的主要干擾，抑制工頻干擾是精密電子儀器設(shè)備抗干擾的重點(diǎn)和難點(diǎn)。文中提出的陷波器是一種新型的高精度線(xiàn)性自動(dòng)跟蹤工頻陷波器，其抗干擾性能不受工頻頻偏的影響，并且調(diào)試方便，性能穩(wěn)定，便于達(dá)到最佳工作狀態(tài)。在電子束曝光機(jī)束流和束斑測(cè)量電路中，未接入該陷波器之前，測(cè)量電路輸出的工頻干擾在50 mV以上。

接入該陷波器后，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行，測(cè)量電路輸出電壓的工頻干擾峰-峰值在2 mV以下，從而有效地提高了束流和束斑的測(cè)量精度。該陷波器也可應(yīng)用在任何微弱信號(hào)的測(cè)量電路中，根據(jù)具體情況，可與低通濾波器串聯(lián)使用，將會(huì)得到具體的特定濾波效果。如果要得到更高品質(zhì)因數(shù)的陷波器，可將上述兩陷波器串聯(lián)使用。

[1]顧文琪.電子束曝光微納加工技術(shù)[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

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[3]康華光，陳大欽，張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]楊振江，蔡德芳.新集成電路[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[5]趙家貴.電子電路設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005.

[6]陳青山.世界最新集成運(yùn)算放大器特性、引腳及互換全集[M].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2005.

[7]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.電磁兼容技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.