陈振生，王 月，张玉林，李长青

（1.山东凯文科技职业学院 电工电子实训中心，山东 济南 250200；2.山东大学 控制科学与工程学院，山东 济南 250061）

电子束曝光机在曝光制版工作中，有一个把电子束斑和电子束流调整到最佳配合的重要工作环节[1]。这就要求随时不断地测量束斑和束流，根据实测数据与束斑和束流最佳配合数据相比较的结果，通过自动调整曝光机相关工作部件参数，实现束斑和束流的最佳配合。长期的曝光机运行实验表明，在束斑和束流的测量过程中，存在严重的环境干扰信号，并且低频干扰远强于高频干扰，而低频干扰的主体又是工频电压干扰。亚微米电子束曝光机的束流在纳安级，如此小的束流测量不消除干扰是无法得到准确测量的。束流得不到准确测量也就谈不上把束斑和束流调整到最佳。为此除了对工作室电子设备环境布局进行防干扰设计外，专门研制了一种其中心频率能自动线性跟踪工频频率的工频陷波器，把它串联在束流测量电路中，大大提高了束流的测量准确度，保证了束斑和束流的最佳配合，为电子束曝光机性能指标的提高提供了重要的工作基础。

1 陷波器的工作原理分析

自动跟踪工频陷波器的原理框图如图1所示。压控带通滤波器的通带增益为1，其中心频率受控于控制电压VC。减法器的增益系数为1。压控带通滤波器和减法器构成压控带阻滤波器，其控制电压就是带通滤波器的控制电压VC。220 V的工频电压经隔离变压器降压后给陷波器提供参考频率fr。fr经F/V变换器后，给压控带阻滤波器提供控制电压Vc。合理设计电路参数，可使带阻滤波器的中心频率等于参考频率fr（工频频率），并且工频变化，控制电压Vc也跟踪变化，从而使电路成为自动跟踪工频陷波器，其抑制工频干扰的能力不受工频频偏影响。

1.1 压控带通滤波器

图1 自动跟踪工频陷波器原理框图Fig.1 Fandamental diagram of auto-tracking wavetrap for power frequency

压控带通滤波器电路如图2所示。图中集成模拟乘法器M1和集成运放Am构成零输出电阻的高性能乘法器，其相乘增益为1。运放A1构成积分器电路。积分器电路与M1和Am所构乘法器组成压控低通滤波器，其输入信号电压是Vi，控制电压是Vc。同理，乘法器M2和运放An构成高性能相乘增益为1的乘法器，与A2构成的积分器组成压控高通滤波器，其输入信号电压是压控低通滤波器的输出电压V01，其控制电压也是Vc，即压控高通滤波器和压控低通滤波器的控制电压为同一电压。运放A3构成增益为2的同相放大器，其输出V03就是压控带通滤波器的输出[2]。

由于集成模拟乘法器的输入阻抗远大于1 kΩ，A1所构成积分器的输出电阻近似为零，因此对于由M1、Am和A1所构成的压控低通滤波器，在复频域中可得到[3]：

由（2）式得低通滤波器的截止频率为：

同理可得由M2、An和A2所构成的高通滤波器的传输函数为：

图2 压控带通滤波器电Fig.2 Circuit of voltage controlled bandpass filter

由（4）式可得高通滤波器的截止频率为：

由（3）和（5）式可知，低通滤波器和高通滤波器具有相同的截止频率。

低通滤波器、高通滤波器与A3构成的同相放大器相串联而组成带通滤波器，其传输函数为：

式中2是同相放大器的增益，把（2）式和（4）式代入上式得带通滤波器的传输函数为[3]：

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由（6）式可得带通滤波器的中心频率、通带增益和品质因数分别为：

由（7）可知，带通滤波器的中心频率与控制电压VC成线性关系。

1.2 压控陷波器

压控陷波器电路如图3所示[4]。集成仪表放大器INA105是单位增益差动放大器，在此处起到单位增益减法器的作用。减法器的输出电压Vo为：V0（S）=Vi（S）-V03（S） （8）

图3 压控陷波器电路Fig.3 Circuit of voltage controlled wave trap

式中V03（S）为压控带通滤波器的输出，所以有：

把（6）式带人上式可得压控陷波器的传输函数为[3]：

由（9）式可得压控陷波器的中心频率、通带增益和品质因数分别为：

由（10）式可见，压控陷波器的中心频率与控制电压Vc成线性关系，而通带增益和Q值均为常数。

1.3 自动跟踪工频陷波器

在图1所示的原理框图电路中，假定F/V变换器的变换系数为K，即VC=Kfr。由（10）式可得陷波器的中心频率fo=Kfr/4πRC，其中fr为参考频率，也就是工频。如果转换系数为：

则中心频率fo=fr，即电路成为中心频率自动跟踪工频的陷波器，而且陷波器的其他性能参数与工频无关，均为常数。

图4 F/V变换器电路Fig.4 Circuit of F/V converter

图1中所示的F/V转换器的电路如图4所示。由于9 400 F/V变换器的输入比较器是过零比较器，所以对于任何波形的输入信号都可以进行正确的转换，只是要求输入信号的幅度大于±200 mV。9 400 F/V变换器非常适合对工频输入信号的转换，取输入工频信号振幅为3 V[5]。变换器电路输出输入关系为：

式中K为变换器的变换系数

把上式代入（11）式，可求得中心频率自动跟踪工频的条件为：

电路中 Vref=6 V，Cref=0.01 μf，C=0.1 μf，R=20 kΩ， 可求得满足中心频率自动跟踪工频的Rint阻值为：

为便于实验调整，Rint由300 kΩ电阻和200 KΩ可变电阻串联而成。

2 高精度设计要点

为了保证高精度线性跟踪，必须精心选择电路中各元器件，合理设计各单元电路[6]。

1）F/V变换器的变换系数K要准确稳定。为此，F/V转换器采用精密集成F/V变换器9400，其线性精度可达0.01%，温度系数≤±50×10-6/℃ 。9400 外围电路中 Rint、Rbias均采用高精度低温度系数RX70型电阻，Ccref、Cint均采用精密钽电容。

2）图2电路中的集成模拟乘法器M1和M2选用MC1594L，其输出精度在室温下为±0.03%。要精心设计MC1954L的外围电路，决定相乘增益大小的RX、RY采用高精度稳定电阻，3个调零电位器WX、WY和WZ均采用精密线绕电位器。

3）集成模拟乘法器MC1594L与集成运放构成新的性能更好的零输出电阻乘法器电路，为保证性能稳定可靠，图2中的RL调整确定后（使增益系数为1），要采用精密电阻设定。

4）电路中所有集成运放均采用高精度集成运放OP-07E，其失调电压 VOS≤45 μV，失调电压温度系数小于 0.3 μV/℃，失调电流温度系数小于8 PA/℃ 。集成运放的工作电源要用高稳定稳压电源。

5）图2电路中的电阻R、2R以及电容C要满足精度高于0.01%的要求，要经过严格测定、老化和筛选。电阻R和3个2R电阻要严格匹配。R选用精密线绕电阻RX70-0.5型，其稳定系数α≤10-6／℃。C选用介质损耗小的聚苯乙烯电容。

6）图1中的变压器要采用具有3层屏蔽的隔离电源变压器，并且做到原边屏蔽接大地，中间屏蔽接束流测量滤波电路的外壳，副边屏蔽接测量滤波电路的保护地。只有这样才能最大限度地隔离工频电源电压对F／V变换电路、陷波器电路以及整个束流测量系统的干扰影响[7]。

3 调试方法

调试电路如图5所示。

图5 调试电路Fig.5 Circuit of test and adjustment

1）开关S2与3 V接通，使F/V变换器的输入为3 V恒定直流电压，也就是使F/V变换器的参考频率输入fr=0。调F/V转换器的20 kΩ调零电位器，使F/V变换器输出电压Vc=0。

开关S1与地接通使Vi=0 V，调压控带通滤波器中的运放失调补偿电路使压控带通滤波器的输出V03=0，再调减法器中的失调补偿电路使Vo=0.

2）开关S1与振幅3V正弦电压接通，即使Vi为振幅为3 V的正弦信号电压。Vi频率在30～70 Hz之间连续可调。S2与Vi接通，使F/V变换器的输入就是正弦电压Vi，即变换器的参考频率fr就是Vi的频率，也就是陷波器的中心频率就是输入信号Vi的频率。调图2中所示电路中的两电阻RL（调两相乘乘法器相乘增益），使Vi频率在30～70 Hz变换期间，VO趋向于零或最小。

3）开关S1和S2与步骤（2）的状态相同，调F/V变换器电路的Rint（调变换器的变换系数 K），使Vi的频率 在 30～70 Hz变换期间，VO始终接近零或最小。

4） 重复 1）、2）、3）步骤，直到性能最佳，即 Vi的频率 在30～70 Hz变换期间，VO始终近似为零。

4 结束语

工频干扰是电子束曝光机束流测量中的主要干扰，也是电子束曝光机其他电气部件的主要干扰，抑制工频干扰是精密电子仪器设备抗干扰的重点和难点。文中提出的陷波器是一种新型的高精度线性自动跟踪工频陷波器，其抗干扰性能不受工频频偏的影响，并且调试方便，性能稳定，便于达到最佳工作状态。在电子束曝光机束流和束斑测量电路中，未接入该陷波器之前，测量电路输出的工频干扰在50 mV以上。

接入该陷波器后，通过长时间的实际运行，测量电路输出电压的工频干扰峰-峰值在2 mV以下，从而有效地提高了束流和束斑的测量精度。该陷波器也可应用在任何微弱信号的测量电路中，根据具体情况，可与低通滤波器串联使用，将会得到具体的特定滤波效果。如果要得到更高品质因数的陷波器，可将上述两陷波器串联使用。

[1]顾文琪.电子束曝光微纳加工技术[M].北京：北京工业大学出版社，2004.

[2]谭博学，苗汇静.集成电路原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2003.

[3]康华光，陈大钦，张林.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]杨振江，蔡德芳.新集成电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[5]赵家贵.电子电路设计[M].北京：中国计量出版社，2005.

[6]陈青山.世界最新集成运算放大器特性、引脚及互换全集[M].长沙：湖南科学技术出版社，2005.

[7]周志敏，纪爱华.电磁兼容技术[M].北京：科学出版社，2007.