降低傳感器調(diào)理電路噪聲的研究

1、第19卷第2期儀器儀表學報V o l.1921998年4月CH I N ESE JOU RNAL O F SC IEN T IF I C I N STRUM EN T A p r.1998降低傳感器調(diào)理電路噪聲的研究3張守愚俞樸朱佩霞(上海交通大學上海200030摘要本文通過對高精度表面輪廓傳感器調(diào)理電路的研究,總結出降低傳感器調(diào)理電路噪聲的分析方法和具體措施。選用同步積分器代替RC有源帶通濾器,并配以同步解調(diào)器構成窄頻帶測量系統(tǒng),有效地抑制了電路的噪聲和干擾。提出電路參數(shù)選取原則和前置放大器設計的一般方法。在傳感器與放大器之間采用輸入變壓器作為阻抗匹配,獲得前置放大器的最佳源電阻,實現(xiàn)電路的

2、最佳噪聲匹配,所研究的調(diào)理電路與自制表面輪廓傳感器配合,成功地檢測出1nm的微小位移。本文給出的分析方法與措施,對其它測量系統(tǒng)有借鑒意義。關鍵詞噪聲調(diào)理電路傳感器0引言在大規(guī)模集成電路的研制和生產(chǎn)過程中,需要檢測鍍膜層的厚度、檢查蝕刻圖形的表面輪廓或測量臺階高度。目前利用差動電感原理或差動變壓器原理制作的表面輪廓傳感器進行接觸式測量仍然是最常用的方法之一。因為它不但行之有效而且使用方便。但由于需要分辨出納米級的微小位移,輸出信號極其微弱,因此要求傳感器的調(diào)理電路具有極低的噪聲。本文研究并設計了一種適合上述傳感器的調(diào)理電路。該電路與相應傳感器配合。已成功地檢測出1nm的微小位移。1傳感器的原理1

3、與調(diào)理電路框圖圖1為傳感器的結構原理圖。由差動線圈2和鐵芯3組成的電感轉換元件是該傳感器的核心部件。工作時觸針1與被測工件表面接觸,且相對工件表面水平移動。隨著工件表面的起伏,由彈簧4、測力調(diào)整機構5、支承6和杠桿7組成的靈敏杠桿系統(tǒng)帶動鐵心3在線圈2中運動。當鐵心位于上下線圈的中間位置時兩線圈電感量相等,由它們構成的交流測量電橋無信號電壓輸出;當鐵心偏離中間位置時,兩線圈的電感量不再相等,電橋失去平衡,有信號電壓輸出。其幅值與觸針上下位移的大小成正比,相位隨位移方向改變而變化。此信號電壓輸入后續(xù)調(diào)理電路。3上海市科學技術委員會資助項目,本文于1996年10月收到。 圖1傳感器結構原理圖圖2為

4、調(diào)理電路框圖。該電路按差動電感式傳感器的特點設計。振蕩器輸出信號通過交流電橋?qū)ξ灰菩盘栠M行調(diào)制,經(jīng)前置放大器放大后進行濾波,然后對信號進行解調(diào),最后經(jīng)直流放大得到滿量程輸出為±5V 的信號。為滿足不同位移量的檢測要求,防止放大器飽和,電路中還設有衰減器(圖中未標出,將整個量程分為100nm 、500nm 、1000nm 、5000nm 、10000nm 、50000nm 和100000nm 七檔 。圖2 調(diào)理電路框圖圖3前置放大器的噪聲模型2降低電路噪聲的理論依據(jù)由電子系統(tǒng)的噪聲理論知,放大器的噪聲帶寬可表示為f N =1G 00G (f df (1式中G (f 為功率增益的頻率函數(shù)

5、,G o 。由于測試系統(tǒng)的輸出噪聲與系統(tǒng)的噪聲帶寬平方根成正比,因此,只要壓縮電路帶寬,就有望獲得優(yōu)良的噪聲性能。前置放大器對調(diào)理電路的噪聲性能影響最大。這是因為:(1前置放大器產(chǎn)生的噪聲將隨信號一起被后級電路放大,而由本課題傳感器靈敏度估算知,當觸針產(chǎn)生1nm 位移時,測量電橋的輸出信號電壓僅為若干毫微伏;(2前置放大器與傳感器相接,其參數(shù)直接影響到二者的噪聲匹配。因此,需要著重分析前置放大器的噪聲模型。前置放大器的噪聲模型如圖3所示。圖中R s 為傳感器的等效源電阻,由于工作頻率不高,忽略了線圈鐵損;L s 為傳感器的等效電感;V s 為傳感器測量電橋輸出信號電壓;E ns 為傳感器源電阻

6、產(chǎn)生的熱噪聲電壓;E n 和I n 分別為前置放大器的內(nèi)部噪聲電壓和電流;G p 為分布電容。對上述噪聲模型進行分析。設前置放大器的輸出電壓為V o ,輸出噪聲電壓為E no ,電路傳輸系數(shù)為K t 。于是,輸出信噪比為S o N o =V 2o E 2no 等效輸入噪聲為E ni =E no K t由圖3知E 2no =E 2ns1(122L s C p 2+2R 2s C 2p +E 2n +I 2n 2L 2s +R 2s (122L s C p 2+2R 2s C 2p由于K 2t =1(122L s C p 2+2R 2s C 2p 951第2期降低傳感器調(diào)理電路噪聲的研究故E 2n

7、i =E 2ns +E 2n (122L s C p 2+2R 2s C 2p +I 2n (2L 2s +R 2s (2由式(2可知,只要在設計和選擇前置放大器與傳感器的有關參數(shù)時,分別減小E ns 項、E n 項和I n 項的貢獻,就有望獲得噪聲性能優(yōu)良的前置放大器。3技術措施根據(jù)電感式傳感器的特點,設計了圖2所示的調(diào)理電路方案。首先采用性能優(yōu)良的專用振蕩器產(chǎn)生載波信號,通過交流電橋?qū)π盘栠M行調(diào)制。調(diào)制信號經(jīng)前置放大器放大后,通過濾波器壓縮通頻帶,再經(jīng)解調(diào)器將測量信號解調(diào)出來。這樣電路工作在極窄的頻帶上,降低了輸出噪聲。上述電路需要著重研究的是前置放大器和帶通濾波器與解調(diào)器的方案選擇和設計

8、。為了獲得性能穩(wěn)定的帶通濾波器,可以采用兩種方案。方案之一是設計制作中心頻率和品質(zhì)因素嚴格穩(wěn)定的二階或高階有源RC 帶通濾波器;方案之二是采用頻率自動跟蹤濾波器。前者由于很難獲得參數(shù)嚴格不變的元件,故難以實現(xiàn)。而且當振蕩器頻率稍有變動時,濾波器的Q 值和增益將發(fā)生變化,引起輸出不穩(wěn)定,故不予采用。采用同步積分器2作為頻率自動跟蹤濾波器是一種較好的方案,如圖4a 所示。圖4同步積分器及其輸出特性圖4b 為同步積分器的輸出特性。由圖可見,它實質(zhì)上是一梳狀濾波器,基頻(即輸入信號頻率與R 、C 參數(shù)無關。R 、C 的參數(shù)變化僅影響噪聲帶寬。在基波處的噪聲帶寬f N 1=1 4RC ,總的噪聲帶寬f

9、N =28f N 1。只要合理選擇R 、C 值,R 、C 的變化對其性能的影響就可以忽略。采用同步積分器的另一好處是:當一級同步積分器對噪聲和干擾的抑制能力不足時,可以用多級串聯(lián)的方式獲得更窄的通頻帶。單級電路特性按6dB oct 衰減,二級電路則按12dB oct 衰減。設置同步解調(diào)器是為了使信號電壓解調(diào)出來并抑制傳感器的零位電壓。為了進一步抑制電路噪聲,采用具有類似于同步積分器傳輸特性的同步解調(diào)器。解調(diào)器的時間常數(shù)T o =R o C o ,并使之與同步積分器的時間常數(shù)T =RC 相等。這時電路對載波頻率0以外的噪聲按12dB oct 衰減。若采用二級同步積分器串聯(lián)時,則按18dB oct

10、 衰減?？梢婋娐穭討B(tài)儲備更高。由此可知,為提高測量精度,應盡量加大時間常數(shù)T o ,但T o 越大,對信號快速變化的適應能力就越差。在測量表面輪廓時,被測表面是不平的,信號頻譜中包含許多較高的頻率成分。為了真實反映被測面的形狀,積分時間常數(shù)受到限制。設輸入信號S (t 是頻率為8s 的調(diào)幅波,即S (t =V s =V s m co s 8s t Sin 0t并假設08s ,設調(diào)幅波最高頻率信號幅值失真不超過3dB ,則有061儀器儀表學報第19卷11+(R 0C 08s 212由此得T 0=R 0C 0=1 8s設計時可據(jù)此選擇R 0、C 0。針對被測對象的多樣性,設置了多檔時間常數(shù)供選用。

11、前置放大器對電路噪聲的影響最大。由式(2知,為了降低前置放大器的等效輸入噪聲電壓E ni ,需要分別減小E ns 、E n 和I n 項的貢獻。其中E ns 項由傳感器設計所決定。減小E ns ,可采用盡可能粗的導線繞制線圈,以減小源電阻。這里著重研究E n 項。可以適當調(diào)節(jié)C p 值,使電路趨于諧振,使E n 項的貢獻明顯下降。取工作頻率為5KH z ,這時L s 約為20m H ,經(jīng)計算C p 為20pf 左右,具體數(shù)值可在電路試驗時確定。至于I n 項的貢獻,在較小的源電阻R s 和電感L s 時,它并不是主要成分。前置放大器采用場效應晶體管與運算放大器組合的形式。這是因為以結型場效應晶

12、體管作前級放大器可以獲得較小的等效輸入噪聲電壓E ni 和低的噪聲系數(shù)。后級用運算放大器則是為了獲得足夠大的增益。由于3DJ 4F 場效應晶體管工作在5KH z 時的內(nèi)部噪聲電壓E n 約為5nv H Z,電流I n 約為8fA H Z,這時它的最佳源電阻3應為R so =E n I n 600K 8。但是傳感器的源電阻僅數(shù)十歐姆,兩者不能獲得最佳噪聲匹配。為此采用了輸入變壓器匹配法。用R 2K A G 26×22型軟磁鐵氧體罐型磁心制作匹配變壓器,其變比1n =100,這時R so =n 2R s 約與600k 8相當。采用這種方法的好處是,當傳感器的源電阻需要變化時,只要改變變壓

13、器變比就能方便地獲得最佳噪聲匹配。4效果與結論上述措施用于調(diào)理電路后,其噪聲性能優(yōu)良。調(diào)理電路與所研制的高精度表面輪廓傳感器相配合,測得的各檔量程的分辨力、重復性和放大率如表1所示。在±180m 范圍內(nèi)線性度優(yōu)于015%F S 。表1傳感器及調(diào)理電路綜合性能量程 nm分辨力 nm 標準器值 nm 實測值 nm 重復性(%垂直放大率100524524512×10510005084085002×10410000100無標準件10450000103由此可得到以下幾點結論(1電感式傳感器采用先調(diào)制后解調(diào)的調(diào)理電路,不僅是為了獲得信號和抑制傳感零位電壓所需,而且有利于降低電

14、路的噪聲。這種方法普遍適用于其它形式的傳感器調(diào)理電路中。(2同步積分器作頻率自動跟蹤濾波器是一種積極方法,能取得極好的濾波效果,有效地抑制電路噪聲和干擾。(3采用同步解調(diào)器與同步積分器配合電路,能進一步抑制噪聲和干擾,獲得更高的動態(tài)161第2期降低傳感器調(diào)理電路噪聲的研究261儀器儀表學報第19卷儲備。(4對前置放大器的噪聲模型進行分析,并據(jù)此進行行之有效的電路設計,能有效地降低其噪聲電平。(5傳感器調(diào)理電路采用變壓器匹配法是方便地獲得最佳噪聲匹配的有效措施。(6本文的分析方法與技術措施可以推廣到其它測量系統(tǒng)。參考文獻1俞樸,上海交通大學學報,1995,V o l129,N o14,42472

15、唐鳴賓,南京大學學報(自然科學版,1979,N o1l,81983戴逸松,電子系統(tǒng)噪聲及低噪聲設計方法,吉林人民出版社,1984,6,145149Research on Reduc i ng No ise of Cond ition i ng C ircu its of Sen sorZhang,Shou2yuYu,PuZhu,Pei2x ia(S hang hai J iaotong U niversity S hang hai200030ABSTRACT:T h is paper repo rts the analyzing m ethods and specific step s fo

16、r reducing no ise of conditi on ing circu its by studying the conditi on ing circu its fo r su rface p rofile m ea2 su rem en t w ith h igh p recisi on.T he circu its w ith self2designed su rface p rofile sen so r has suc2 ceeded in detecting m icro disp lacem en t of one nanom eter.B asing on no is

17、e theo ry of electron ic system,the no ise m odel of p ream p lifier is analyzed,the conditi on ing circu its fo r su rface p ro2 file sen so rs are designed.A synch ron izing in tegrato r is em p loyed to con struct a narrow2band detecting system w ith a synch ronou s dem odu lato r based on the dy

18、nam ical track ing filter rather than the general R.C.active bandpass filter.It is effective to restrain circu its no ises and distu rbances.T he no ise m odel of p ream p lifier is given and analysed.In o rder to get low ou tp u t no ise of p ream p lifier,tw o w ays are em p loyed:one is to reduce the tem peratu re no ise of sou rce resisto r of the sen so r as low as po ssib le;ano ther is to m ake the w o rk frequency to be resonance frequency as near as po ssib le.FET S and am p lifiers are com b ined to fo r m the p