一種自動跟蹤工頻陷波器的研究與設計

陳振生，王 月，張玉林，李長青

（1.山東凱文科技職業學院 電工電子實訓中心，山東 濟南 250200；2.山東大學 控制科學與工程學院，山東 濟南 250061）

電子束曝光機在曝光制版工作中，有一個把電子束斑和電子束流調整到最佳配合的重要工作環節[1]。這就要求隨時不斷地測量束斑和束流，根據實測數據與束斑和束流最佳配合數據相比較的結果，通過自動調整曝光機相關工作部件參數，實現束斑和束流的最佳配合。長期的曝光機運行實驗表明，在束斑和束流的測量過程中，存在嚴重的環境干擾信號，并且低頻干擾遠強于高頻干擾，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的束流在納安級，如此小的束流測量不消除干擾是無法得到準確測量的。束流得不到準確測量也就談不上把束斑和束流調整到最佳。為此除了對工作室電子設備環境布局進行防干擾設計外，專門研制了一種其中心頻率能自動線性跟蹤工頻頻率的工頻陷波器，把它串聯在束流測量電路中，大大提高了束流的測量準確度，保證了束斑和束流的最佳配合，為電子束曝光機性能指標的提高提供了重要的工作基礎。

1 陷波器的工作原理分析

自動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。減法器的增益系數為1。壓控帶通濾波器和減法器構成壓控帶阻濾波器，其控制電壓就是帶通濾波器的控制電壓VC。220 V的工頻電壓經隔離變壓器降壓后給陷波器提供參考頻率fr。fr經F/V變換器后，給壓控帶阻濾波器提供控制電壓Vc。合理設計電路參數，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和集成運放Am構成零輸出電阻的高性能乘法器，其相乘增益為1。運放A1構成積分器電路。積分器電路與M1和Am所構乘法器組成壓控低通濾波器，其輸入信號電壓是Vi，控制電壓是Vc。同理，乘法器M2和運放An構成高性能相乘增益為1的乘法器，與A2構成的積分器組成壓控高通濾波器，其輸入信號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。運放A3構成增益為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大于1 kΩ，A1所構成積分器的輸出電阻近似為零，因此對于由M1、Am和A1所構成的壓控低通濾波器，在復頻域中可得到[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所構成的高通濾波器的傳輸函數為：

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構成的同相放大器相串聯而組成帶通濾波器，其傳輸函數為：

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、通帶增益和品質因數分別為：

由（7）可知，帶通濾波器的中心頻率與控制電壓VC成線性關系。

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為[3]：

由（9）式可得壓控陷波器的中心頻率、通帶增益和品質因數分別為：

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

1.3 自動跟蹤工頻陷波器

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。如果轉換系數為：

則中心頻率fo=fr，即電路成為中心頻率自動跟蹤工頻的陷波器，而且陷波器的其他性能參數與工頻無關，均為常數。

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零比較器，所以對于任何波形的輸入信號都可以進行正確的轉換，只是要求輸入信號的幅度大于±200 mV。9 400 F/V變換器非常適合對工頻輸入信號的轉換，取輸入工頻信號振幅為3 V[5]。變換器電路輸出輸入關系為：

式中K為變換器的變換系數

把上式代入（11）式，可求得中心頻率自動跟蹤工頻的條件為：

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

為便于實驗調整，Rint由300 kΩ電阻和200 KΩ可變電阻串聯而成。

2 高精度設計要點

為了保證高精度線性跟蹤，必須精心選擇電路中各元器件，合理設計各單元電路[6]。

1）F/V變換器的變換系數K要準確穩定。為此，F/V轉換器采用精密集成F/V變換器9400，其線性精度可達0.01%，溫度系數≤±50×10-6/℃ 。9400 外圍電路中 Rint、Rbias均采用高精度低溫度系數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%。要精心設計MC1954L的外圍電路，決定相乘增益大小的RX、RY采用高精度穩定電阻，3個調零電位器WX、WY和WZ均采用精密線繞電位器。

3）集成模擬乘法器MC1594L與集成運放構成新的性能更好的零輸出電阻乘法器電路，為保證性能穩定可靠，圖2中的RL調整確定后（使增益系數為1），要采用精密電阻設定。

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

5）圖2電路中的電阻R、2R以及電容C要滿足精度高于0.01%的要求，要經過嚴格測定、老化和篩選。電阻R和3個2R電阻要嚴格匹配。R選用精密線繞電阻RX70-0.5型，其穩定系數α≤10-6／℃。C選用介質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，中間屏蔽接束流測量濾波電路的外殼，副邊屏蔽接測量濾波電路的保護地。只有這樣才能最大限度地隔離工頻電源電壓對F／V變換電路、陷波器電路以及整個束流測量系統的干擾影響[7]。

3 調試方法

調試電路如圖5所示。

圖5 調試電路Fig.5 Circuit of test and adjustment

1）開關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F/V轉換器的20 kΩ調零電位器，使F/V變換器輸出電壓Vc=0。

開關S1與地接通使Vi=0 V，調壓控帶通濾波器中的運放失調補償電路使壓控帶通濾波器的輸出V03=0，再調減法器中的失調補償電路使Vo=0.

2）開關S1與振幅3V正弦電壓接通，即使Vi為振幅為3 V的正弦信號電壓。Vi頻率在30～70 Hz之間連續可調。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Vi的頻率。調圖2中所示電路中的兩電阻RL（調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）開關S1和S2與步驟（2）的狀態相同，調F/V變換器電路的Rint（調變換器的變換系數 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 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 結束語

工頻干擾是電子束曝光機束流測量中的主要干擾，也是電子束曝光機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備抗干擾的重點和難點。文中提出的陷波器是一種新型的高精度線性自動跟蹤工頻陷波器，其抗干擾性能不受工頻頻偏的影響，并且調試方便，性能穩定，便于達到最佳工作狀態。在電子束曝光機束流和束斑測量電路中，未接入該陷波器之前，測量電路輸出的工頻干擾在50 mV以上。

接入該陷波器后，通過長時間的實際運行，測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量精度。該陷波器也可應用在任何微弱信號的測量電路中，根據具體情況，可與低通濾波器串聯使用，將會得到具體的特定濾波效果。如果要得到更高品質因數的陷波器，可將上述兩陷波器串聯使用。

[1]顧文琪.電子束曝光微納加工技術[M].北京：北京工業大學出版社，2004.

[2]譚博學，苗匯靜.集成電路原理及應用[M].北京：電子工業出版社，2003.

[3]康華光，陳大欽，張林.電子技術基礎[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：西安電子科技大學出版社，2000.

[5]趙家貴.電子電路設計[M].北京：中國計量出版社，2005.

[6]陳青山.世界最新集成運算放大器特性、引腳及互換全集[M].長沙：湖南科學技術出版社，2005.

[7]周志敏，紀愛華.電磁兼容技術[M].北京：科學出版社，2007.