降低传感器调理电路噪声的研究

1、第19卷第2期仪器仪表学报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降低传感器调理电路噪声的研究3张守愚俞朴朱佩霞(上海交通大学上海200030摘要本文通过对高精度表面轮廓传感器调理电路的研究,总结出降低传感器调理电路噪声的分析方法和具体措施。选用同步积分器代替RC有源带通滤器,并配以同步解调器构成窄频带测量系统,有效地抑制了电路的噪声和干扰。提出电路参数选取原则和前置放大器设计的一般方法。在传感器与放大器之间采用输入变压器作为阻抗匹配,获得前置放大器的最佳源电阻,实现电路的

2、最佳噪声匹配,所研究的调理电路与自制表面轮廓传感器配合,成功地检测出1nm的微小位移。本文给出的分析方法与措施,对其它测量系统有借鉴意义。关键词噪声调理电路传感器0引言在大规模集成电路的研制和生产过程中,需要检测镀膜层的厚度、检查蚀刻图形的表面轮廓或测量台阶高度。目前利用差动电感原理或差动变压器原理制作的表面轮廓传感器进行接触式测量仍然是最常用的方法之一。因为它不但行之有效而且使用方便。但由于需要分辨出纳米级的微小位移,输出信号极其微弱,因此要求传感器的调理电路具有极低的噪声。本文研究并设计了一种适合上述传感器的调理电路。该电路与相应传感器配合。已成功地检测出1nm的微小位移。1传感器的原理1

3、与调理电路框图图1为传感器的结构原理图。由差动线圈2和铁芯3组成的电感转换元件是该传感器的核心部件。工作时触针1与被测工件表面接触,且相对工件表面水平移动。随着工件表面的起伏,由弹簧4、测力调整机构5、支承6和杠杆7组成的灵敏杠杆系统带动铁心3在线圈2中运动。当铁心位于上下线圈的中间位置时两线圈电感量相等,由它们构成的交流测量电桥无信号电压输出;当铁心偏离中间位置时,两线圈的电感量不再相等,电桥失去平衡,有信号电压输出。其幅值与触针上下位移的大小成正比,相位随位移方向改变而变化。此信号电压输入后续调理电路。3上海市科学技术委员会资助项目,本文于1996年10月收到。 图1传感器结构原理图图2为

4、调理电路框图。该电路按差动电感式传感器的特点设计。振荡器输出信号通过交流电桥对位移信号进行调制,经前置放大器放大后进行滤波,然后对信号进行解调,最后经直流放大得到满量程输出为±5V 的信号。为满足不同位移量的检测要求,防止放大器饱和,电路中还设有衰减器(图中未标出,将整个量程分为100nm 、500nm 、1000nm 、5000nm 、10000nm 、50000nm 和100000nm 七档 。图2 调理电路框图图3前置放大器的噪声模型2降低电路噪声的理论依据由电子系统的噪声理论知,放大器的噪声带宽可表示为f N =1G 00G (f df (1式中G (f 为功率增益的频率函数

5、,G o 。由于测试系统的输出噪声与系统的噪声带宽平方根成正比,因此,只要压缩电路带宽,就有望获得优良的噪声性能。前置放大器对调理电路的噪声性能影响最大。这是因为:(1前置放大器产生的噪声将随信号一起被后级电路放大,而由本课题传感器灵敏度估算知,当触针产生1nm 位移时,测量电桥的输出信号电压仅为若干毫微伏;(2前置放大器与传感器相接,其参数直接影响到二者的噪声匹配。因此,需要着重分析前置放大器的噪声模型。前置放大器的噪声模型如图3所示。图中R s 为传感器的等效源电阻,由于工作频率不高,忽略了线圈铁损;L s 为传感器的等效电感;V s 为传感器测量电桥输出信号电压;E ns 为传感器源电阻

6、产生的热噪声电压;E n 和I n 分别为前置放大器的内部噪声电压和电流;G p 为分布电容。对上述噪声模型进行分析。设前置放大器的输出电压为V o ,输出噪声电压为E no ,电路传输系数为K t 。于是,输出信噪比为S o N o =V 2o E 2no 等效输入噪声为E ni =E no K t由图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期降低传感器调理电路噪声的研究故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,只要在设计和选择前置放大器与传感器的有关参数时,分别减小E ns 项、E n 项和I n 项的贡献,就有望获得噪声性能优良的前置放大器。3技术措施根据电感式传感器的特点,设计了图2所示的调理电路方案。首先采用性能优良的专用振荡器产生载波信号,通过交流电桥对信号进行调制。调制信号经前置放大器放大后,通过滤波器压缩通频带,再经解调器将测量信号解调出来。这样电路工作在极窄的频带上,降低了输出噪声。上述电路需要着重研究的是前置放大器和带通滤波器与解调器的方案选择和设计

8、。为了获得性能稳定的带通滤波器,可以采用两种方案。方案之一是设计制作中心频率和品质因素严格稳定的二阶或高阶有源RC 带通滤波器;方案之二是采用频率自动跟踪滤波器。前者由于很难获得参数严格不变的元件,故难以实现。而且当振荡器频率稍有变动时,滤波器的Q 值和增益将发生变化,引起输出不稳定,故不予采用。采用同步积分器2作为频率自动跟踪滤波器是一种较好的方案,如图4a 所示。图4同步积分器及其输出特性图4b 为同步积分器的输出特性。由图可见,它实质上是一梳状滤波器,基频(即输入信号频率与R 、C 参数无关。R 、C 的参数变化仅影响噪声带宽。在基波处的噪声带宽f N 1=1 4RC ,总的噪声带宽f

9、N =28f N 1。只要合理选择R 、C 值,R 、C 的变化对其性能的影响就可以忽略。采用同步积分器的另一好处是:当一级同步积分器对噪声和干扰的抑制能力不足时,可以用多级串联的方式获得更窄的通频带。单级电路特性按6dB oct 衰减,二级电路则按12dB oct 衰减。设置同步解调器是为了使信号电压解调出来并抑制传感器的零位电压。为了进一步抑制电路噪声,采用具有类似于同步积分器传输特性的同步解调器。解调器的时间常数T o =R o C o ,并使之与同步积分器的时间常数T =RC 相等。这时电路对载波频率0以外的噪声按12dB oct 衰减。若采用二级同步积分器串联时,则按18dB oct

10、 衰减。可见电路动态储备更高。由此可知,为提高测量精度,应尽量加大时间常数T o ,但T o 越大,对信号快速变化的适应能力就越差。在测量表面轮廓时,被测表面是不平的,信号频谱中包含许多较高的频率成分。为了真实反映被测面的形状,积分时间常数受到限制。设输入信号S (t 是频率为8s 的调幅波,即S (t =V s =V s m co s 8s t Sin 0t并假设08s ,设调幅波最高频率信号幅值失真不超过3dB ,则有061仪器仪表学报第19卷11+(R 0C 08s 212由此得T 0=R 0C 0=1 8s设计时可据此选择R 0、C 0。针对被测对象的多样性,设置了多档时间常数供选用。

11、前置放大器对电路噪声的影响最大。由式(2知,为了降低前置放大器的等效输入噪声电压E ni ,需要分别减小E ns 、E n 和I n 项的贡献。其中E ns 项由传感器设计所决定。减小E ns ,可采用尽可能粗的导线绕制线圈,以减小源电阻。这里着重研究E n 项。可以适当调节C p 值,使电路趋于谐振,使E n 项的贡献明显下降。取工作频率为5KH z ,这时L s 约为20m H ,经计算C p 为20pf 左右,具体数值可在电路试验时确定。至于I n 项的贡献,在较小的源电阻R s 和电感L s 时,它并不是主要成分。前置放大器采用场效应晶体管与运算放大器组合的形式。这是因为以结型场效应晶

12、体管作前级放大器可以获得较小的等效输入噪声电压E ni 和低的噪声系数。后级用运算放大器则是为了获得足够大的增益。由于3DJ 4F 场效应晶体管工作在5KH z 时的内部噪声电压E n 约为5nv H Z,电流I n 约为8fA H Z,这时它的最佳源电阻3应为R so =E n I n 600K 8。但是传感器的源电阻仅数十欧姆,两者不能获得最佳噪声匹配。为此采用了输入变压器匹配法。用R 2K A G 26×22型软磁铁氧体罐型磁心制作匹配变压器,其变比1n =100,这时R so =n 2R s 约与600k 8相当。采用这种方法的好处是,当传感器的源电阻需要变化时,只要改变变压

13、器变比就能方便地获得最佳噪声匹配。4效果与结论上述措施用于调理电路后,其噪声性能优良。调理电路与所研制的高精度表面轮廓传感器相配合,测得的各档量程的分辨力、重复性和放大率如表1所示。在±180m 范围内线性度优于015%F S 。表1传感器及调理电路综合性能量程 nm分辨力 nm 标准器值 nm 实测值 nm 重复性(%垂直放大率100524524512×10510005084085002×10410000100无标准件10450000103由此可得到以下几点结论(1电感式传感器采用先调制后解调的调理电路,不仅是为了获得信号和抑制传感零位电压所需,而且有利于降低电

14、路的噪声。这种方法普遍适用于其它形式的传感器调理电路中。(2同步积分器作频率自动跟踪滤波器是一种积极方法,能取得极好的滤波效果,有效地抑制电路噪声和干扰。(3采用同步解调器与同步积分器配合电路,能进一步抑制噪声和干扰,获得更高的动态161第2期降低传感器调理电路噪声的研究261仪器仪表学报第19卷储备。(4对前置放大器的噪声模型进行分析,并据此进行行之有效的电路设计,能有效地降低其噪声电平。(5传感器调理电路采用变压器匹配法是方便地获得最佳噪声匹配的有效措施。(6本文的分析方法与技术措施可以推广到其它测量系统。参考文献1俞朴,上海交通大学学报,1995,V o l129,N o14,42472

15、唐鸣宾,南京大学学报(自然科学版,1979,N o1l,81983戴逸松,电子系统噪声及低噪声设计方法,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