（流体机械及工程专业论文）低温等离子体朗缪探针诊断电路研究.pdf

i ，_ ， f t 夺 ad i s s e r t a t i o ni nf l u i dm e c h a n i c sa n d e n g i n e e r i n g s t u d y o ft h el a n g m u i rp r o b ed i a g n o s t i cc i r c u i t f o rt h el o w t e m p e r a t u r ep l a s m a b yl 肛y u n s o n g s u p e i s o r ：p r o f e s s o rb ad e c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y 2 0 0 8 !厶ii 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：弦霰橄 日 期：加罗年国1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，i)，。t 东北大学硕士学位论文摘要 低温等离子体朗缪探针诊断电路研究 摘要 低温等离子体已在材料、微电子、化工、机械及环保等众多学科领域中得到较广泛 的应用。利用等离子体化学活性的薄膜沉积和刻蚀，是尖端电子器件制造中不可缺少的 工艺。其中，等离子体化学气相沉积( p 删技术用来研制各种聚合物薄膜、类金刚石 薄膜及碳纳米管等新材料；反应性离子刻蚀( r i e ) 已经成为超大规模集成电路( v l s l ) 的微 细加工中必不可少的工艺技术。所以，对等离子体进行诊断以获取其特性及等离子体加 工过程的机理显得越来越重要，它可为深入了解等离子体运行机理和寻找其工业应用中 的最佳工艺参数提供有用的信息。 朗缪探针具有结构简单、容易制造、空间分辨率高、使用灵活等许多优点，作为常 规诊断手段一直广泛应用于各种等离子体装置。利用探针的v n 特性曲线可以确定出等 离子体电子温度t e 、电子密度n e 、离子密度n ，、空间电位v 。等参数。而其他等离子体 诊断方法如光谱分析法和微波透射法等，设备比较复杂，能获得的等离子体参数较少。 根据朗缪探针的结构和工作原理，它需要具有较高扫描频率的电源，同时对探针电 流及扫描电压的采集速率的要求也很高。这样可以减少朗缪探针对等离子体的影响，使 探针具有更好的诊断效果。从众多已发表的文献来看，常见的朗缪探针诊断系统存在的 普遍缺点就是不能很好的满足以上两点要求，从而导致诊断结果不能很好的反映等离子 体参数。 在本文中，提出了一种新型的朗缪探针实现方案，包括朗缪探针、探针扫描电源、 和数据采集模块等。其中，探针扫描电源采用m 删8 芯片，能够产生1 h z 一1 m h z 分 段可调的锯齿波；并采用功率放大器芯片p a 8 8 ，将扫描电压放大为1 0 0 v 作为朗缪探 针的扫描电源。数据采集模块利用研华p c l 8 1 8 h g 数据采集卡与计算机连接。另外， 根据射频补偿原理设计了用于降低射频干扰的扼流线圈，制作朗缪探针并安装于r f 5 0 0 型真空镀膜机上。利用朗缪探针对等离子体进行诊断的实验中，得到探针电源扫描频率 为1 0 h z 和1 0 0 h z 时测得的朗缪探针电压和电流。实验结果和分析表明，研发的朗缪探 针诊断电路具有一定的精确度，能够为等离子体诊断提供有用的信息。 关键词：等离子体诊断；朗缪探针：锯齿波发生器；射频补偿 n _ 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo f t h el a n g m u i rp r o b ed i a g n o s t i cc i r c u i t f o rt h el o w - 1 奄m p e r a t u r ep l a s m a a bs t r a c t k l w - t e m p e f a t u r cp l 勰m ah 弱b e e nw i d e l ya p p l i e dt 0v 撕o u sf i e l d s0 fi n d u s 略 鲫c h 弱m a t e r i a l ，m i 啪e l e c t l 0 n i c s ，c h e m i c a le n g i n e e 血g ，m a c h i n e ，a n de n v i m 砌e n t p r o t e c t i f i i i i ld e p o s i t i o n 柚de t c h i n 舀w l l i c hu s i i l gt h ec h e m i c a l 剃v i t yo fp i a s m a a 他t h ee s s e n t i a lp r o c e s si na d v 柚c e de l e c t r o n i ce q u i p m e n tm 柚u f a c t u r e f o ri n s t 卸c c ， p l a s m ac h 锄i c a lv a p o rd e p o s i t i o nt e c h n i q u ei sl i s e df o rr c s e a r c h i n gk i n d s0 fp o l y m e r f i l m ，d i 锄0 n d - l i k cf i l m 觚dc a ) 0 nn 柚o m e t e rt u b e ，e t c a n dr c a c t i v ei o ne t c h i n gh a s b e e nt h l en c c i e s s a r yp r o c e 鹳i nt l l ef i n ep 眦e s s i n g0 fv e 巧l a 唱e s c a l ei n t e 伊a t i o n s oi t b e c o m e sm 0 他i m p o n a n tt 0 a ( u i r cp l a s m ac h 撇c t e 墙 趾dm e c h 锄i s m0 ft l l e p r o c e s s i n gt h r o u g hd i a g n o s i n gp l a s m a i tc a na f ! f b r du s e f l l li n f 0 衄a t i o nf 研f u n h e r s t u d yo ft h ep l 弱m am e c h a n i s ma n ds c a f c h i n gt h eb e s tp 加c e s s i i i gp 猢e t e 娼 l a n g m u i rp r o b ep o s s e s s e sl o t so fa d v 觚t a g e si np l a s m ad i a 印o s t i c ，s u c h 弱 s i m p l ee q u i p m e n t 锄de a s ym a n u f a c t u 坨，h i g hs p a c cr c s o l v i n gp o w e r ，a n df l e x i b l ee t c nh 弱b c e nw i d e l y 印p l i e di np l a s m ae q u i p m e n t 弱an o r m a ld i a 印o s t i ct e c h n i q u e f r o mt h ep r 曲ev ic u r v e sw ec a l la c q u i r ep l a s m ae l e c t r o nt e m p e r a t u r c ，e l e c t r o n d e n s i t y i o nd e n s i t y 觚ds p a c cp o t e n t i a le t c o t h e rp l 嬲m ad i a g i l o s t i ct c c h n i q u e s ，l i k e s p e c t m 】m 觚a l y s i st e c h n i q u e 勰dm i c r o w a v et r 孤s m i s s i o nt e 倒q u e ，a 舱c o m p l e x 觚d 啪a c q u i r cl e 蹒p l a s m ap a r a l n e t e l a o c 0 r d i i i gt ot h es t m c t u r c 缸dp r i n c i p l eo f g m u i rp r o b c ，ah i g l l 丘e q u e n c y s u p p l yi sn e c e s s a f y m e 锄w h i l e ，s a m p l i n gf k q u e n c y0 fp r o b ec i i 仃e m 锄ds c 柚n i n g v 0 l t a g em u s tb es u 艏c i e n t s 0 弱t 0r e d u c ct h ei n f l u e n c e0 fl a n g m u i rp r o b eo np l a s m a a l t 0g c tb e t t e rd i a 印0 s t i cr c s u l t s f t o mt h ep a p e r sr e l ) o n e d ，c o m m o nl a n g m u i r p r o b ed i a 印o s t i cs y s t e mu s u a l l yc 锄ts a t i s f yt h ea b 0 v er e q u e s t s ，锄dc 觚te x a c t l y r c n e c tp l a s m ap 盯锄e t e l i nt h i sp a p e r w eg i v ean e w l a n g m u i rp r o b es c h e m e ，i n c l u d i n gk m g m u i rp r o b e ， p r o b es u p p l y ；a n dd a t as 锄p l i n gm o d u l e t 1 i ep r o b es u p p l y w i t hm a x 0 3 8 伽 g e n e r a t ea l t e r a b l es a w t o o t h - w a v em g c f r o m1 h zt 01 m h z n e n ，p o w e r 锄p l i f i e r p a 8 8 锄p l i f i c st h es c a n n j n gv o l l a g eu pt o 1 0 0 va sl a n 舯u i rp r o b es u p p l y d a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ea d o p t s p c l 8 18 h gd a t a a c q u i s i t i 9 n c 缸dt oc o n n e c tw i t h c o m p u t e li na d d i t i o n ，c h o c k sa r ed e s i g n e dt 0r c d u c er a d i o 丘i e q u e n c yi n t e r f e f e n c e 1 1 1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e d0 nr fc o m p e n s a t i o nt l l e o 锄ds e l f - m a d el a n g m u i rp r o b ei si n s t a l l e d 伽 r f 5 0 0v a c i l u mf i l m i n gm a c h i n c i i it h ee x p e r i i n e n t0 fp l a s m ad i a g i l o s t i cw i t h l a n g m u i rp r o b e ，p r o b ev o i t a g e锄dc u 玎e n t u n d e r1 0 i i z觚d1 0 0 h zs c 锄n i n g 丘c q u e n c ya r er o c o r d e d e x p e r i m e n tr e s u l t s 觚d 柚a l y s i ss h o wt h a t ，t l l e s c l f 二m a d e l a n g m u i rp r o b cd i a 印o s t i cc i r c l l i t sp o s s e s sc c r t a i l lp r c c i s i o n ，柚dc a l la 肋r du s e f u l i i l f 0 珊a t i o nf b fd i a g n o s i n gp l 弱m a k e y w o r d s ：p l a s m ad i a 趴0 s t i c l a n g m u i rp r o b e ，s a 叭0 0 t h w a v eg e n e r a t o r ，r a d i o 丘e q u e n c yc o m p e n s a t i o n 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明1 摘要一。 第一章绪论 1 1 低温等离子体及其在工业中的应用l 1 2 等离子体诊断的必要性2 1 3 低温等离子体诊断技术概述2 1 3 1 静电探针法2 1 3 2 光谱分析法3 1 3 3 微波透射法4 1 3 4 几种诊断方法的比较5 1 4 存在问题与本文研究内容5 第二章朗缪探针诊断电路7 2 1 朗缪探针诊断原理。7 2 1 1 朗缪探针适用范围。7 2 1 2 朗缪探针理论的基本前提7 2 1 3 朗缪探针原理。7 2 1 4 由v n 特性曲线获取等离子体参数：。9 2 2 传统朗缪探针电路及其优缺点1 0 2 2 1 基于k e i t h l e v 6 1 7 静电计的探针电路1 1 2 2 2 基于计算机声卡的探针电路1 1 2 2 3 基于数据采集卡的探针电路1 2 2 2 4 基于l 幼v i e w 软件及相关硬件的探针电路1 3 2 3 改进的朗缪探针诊断电路方案1 4 2 3 1 朗缪探针锯齿波信号发生器1 5 v ( 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 2 功率放大器电路2 2 2 3 3 朗缪探针电流电压检测电路。2 4 2 3 4 朗缪探针电路总体方案。2 5 2 4 本章小结2 6 第三章朗缪探针及探针数据采集模块 3 1 朗缪探针结构2 7 3 1 1 朗缪探针的射频补偿设计2 7 3 1 2 朗缪探针实现方案3 2 3 2 朗缪探针数据采集模块3 3 3 2 1 研华p c l 8 1 8 h g 数据采集卡3 3 3 2 2 探针电路的连接方式4 2 3 2 3 数据采集软件4 5 3 3 本章小结4 5 第四章低温等离子体朗缪探针诊断实验4 6 4 1 实验设备4 6 4 1 1r f 5 0 0 型真空镀膜机简介4 6 4 1 2 真空镀膜机的朗缪探针诊断系统。4 7 4 2 实验结果及其分析：4 9 4 3 本章小结5 2 第五章结论与展望 参考文献。 致谢 v 1 东北大学硕士学位论丈第一章绪论 第一章绪论 1 1 低温等离子体及其在工业中的应用 等离子体是指电离的气态物质，它被称为物质的第四态，由自由电子、离子 和中性原子或分子组成。它是准中性的粒子系统，一般以气态或类液态混合物存 在。由于带电粒子间的长程库仑力相互作用，使等离子体的许多特性包含许多粒 子同时相互作用的集体性质【。它的主要物理参数有电子温度t e 、电子密度n c 、 离子密度n i 、空间电位v 岛、电离度等。 按等离子体中电子和离子能量的不同可以将等离子体分为高温等离子体和 低温等离子体。当等离子体中的离子温度t i 接近电子温度t c 时，我们称其为高 温等离子体( 1 0 e v ) 。当等离子体中的离子温度远低于电子温度即t 。 t i 。 ( 3 ) 电子和离子的平均自由程k 、k 均大于探针直径d ，且探针周围的空间 电荷鞘层厚度h 小于探针直径d ，即b d h 。 ( 4 ) 粒子与探针表面发生碰撞时无二次发射，不会发生化学反应。 2 1 3 朗缪探针原理 在等离子体中插入一根悬浮金属丝，由于等离子体内电子质量远小于离子质 量，因而电子速度远远大于离子速度，这将导致悬浮在等离子体中的金属丝表面 在极短时间内积累相当数量的负电荷，以致产生明显的负电位，此负电位排斥电 子而吸引离子。当这个过程达到平衡时，金属丝的电位为v f ，等离子体空间电 位为v s p ，则在v s p - v f 的作用下，电子电流等于离子电流即j 。_ j i 。v f 即为金属丝 东北大学硕士学位论文第二章朗缪探针诊断电路 的悬浮电位。显然v f v s p ，在金属丝与等离子体之间形成了一个电位差为v s p - v f 的鞘层。如果在等离子体中的金属丝末端连上简单的电路，便构成了l a n 舯u i r 探针系统，如图2 1 所示。在不影响等离子体状态的情况下，调节电位器使探针 的电位由负变正，记录下与之对应的探针电流，我们就可以得到探针的v 仃特性 曲线，如图2 2 所示。 图2 1 朗缪探针电路示意图 f 缝2 1s c h e m t i cd i a g r a mo fl 肋鄹吣i rp f o b ed r c l l i t 。b 1 一口u 芦 ai | b c ， i 、 0 、 7 图2 2 朗缪探针的v i 特性曲线 f 远2 2 c u e o f l a n 舯u i r p r o b e 8 东北大学硕士学位论文第二章朗缪探针诊断电路 下面将朗缪探针v i 特性曲线分为a 、b 、c 三个区域进行分析： a 区：饱和离子电流区。在该区域，探针电位( v p ) 远远小于等离子体空间 电位( v 印) ，即v p v 印。此时，全部电子都受鞘层的排斥而不能到达探针表面， 只有正离子能被探针收集，探针所收集到的是最大离子电流，将之称为探针饱和 离子电流。 c 区：饱和电子电流区。与a 区的情形类似，在该区，v p 之v 印，此时全部正 离子都受到鞘层的排斥而不能到达探针表面，只有电子能被探针收集，探针收集 到的是最大电子电流，将之称为探针饱和电子电流。 b 区：过渡区。该区的情形稍微复杂一点。在该区，v p v 罐，因此，落在鞘 层表面的正离子全部能到达探针表面，构成探针电流( 1 p ) 的一部分；由于它在 数量上较电子电流小得很多，为了方便起见，往往忽略它对i p 的贡献，只考虑电 子电流。在该区，我们假定电子能量分布仍为m 觚w e u 分布。当v p 变得比v 印 越来越负时，能够克服鞘层的排斥而到达探针表面的电子数也就越来越少。实际 上，能够克服鞘层的排斥而到达探针的电子数是对m 觚w e l l 分布函数某一区间的 积分。显然，此积分函数具有指数函数的性质。所以，在过渡区探针电流( i p ) 具有指数函数的形状。正因为如此，朗缪探针的v l 特性函数携带了电子能量分 布函数的信息( 即电子温度的信息) 与等离子体性质的其他信息。 ；7 2 1 4 由v i 特性曲线获取等离子体参数 ( 1 ) 等离子体空间电位v 印与悬浮电位v f 由前面的分析可知，当v p 苫v s p 时，探针电流到达电子饱和电流；而当v p 3 5 0 。 ( 3 ) 独立的工作频率和脉冲占空比调节功能，占空比调节范围1 5 8 5 。 ( 4 ) 低阻抗定压输出，输出电阻典型值0 1q ，输出电压2 v ”，具有输出过 载短路保护。 ( 5 ) 输出正弦波失真度：o 7 5 。 ( 6 ) 内部功能齐全，外围电路简单，使用方便。 图2 9m a x 0 3 8 内部结构框图 f 毽2 9s c h e m a t i cd i a g r 锄o fm a x 0 3 8 1 6 东北大学硕士学位论文第二章朗缪探针诊断电路 ( 二) m a x 0 3 8 内部结构及工作原理 m a x 0 3 8 内部结构框图见图2 9 ，它主要由振荡器、参考电压源、恒流源发 生电路，多路选择开关、比较器、相位检测器、输出缓冲器等部分组成。 m a 煳3 8 工作电源采用5 v ，功耗为4 0 0 m w 。内部提供2 5 v 基准电压，其 作用是通过外接可调电阻r 、r f 向振荡电流发生器的i 烈端和删端提供频 率粗调电流和频率细调电压；通过r d 向d a d j 端提供脉冲占空比调节电压。这 三种参数经振荡电流发生器处理后，向振荡器( 主振荡器为三角波振荡器) 提供充 电电流，该电流对外接电容c f 充电形成振荡，产生三角波信号a 、b 、c 。信号 a 送正弦波形成电路，产生正弦波：信号b 、c 送入比较器1 ，产生方波。此两 路波形连同a 路输出的三角波同时送入混合器，由a 0 、a 1 控制端选择其中的 一种波形输出，具体情况由表2 1 给出。惝3 8 各个引脚的功能由表2 2 给出。 表2 1 输出波形的选择 t a b l e2 。1o u t p u tw a v es e l e c t t a b l e2 2f u n c t i 彻0 fm a x 0 3 8p i n s 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章朗缪探针诊断电路 2 3 1 2 锯齿波发生器设计方案 图2 1 0 给出了m a x 0 3 8 的信号源结构框图，它包括电源模块、波形选择、 频段选择、频率粗调和细调、波形占空比调节及输出调节。我们对信号发生器的 设计就是分别针对图中各部分进行的。 区圈匮圃 匹圈 匡圃 l 输出放大i l 输出调节l 医亟圃医塑圃 图2 1 0 m a x 0 3 8 信号源结构框图 f i g 2 1 0s c h e m a t i cd i a g 豫mo fm a x 0 3 8s i 髓a l 电源模块 m a x 0 3 8 工作电源的典型值为v + = + 5 v 、v = 5 v ，l + = 3 5 m a 、i = 4 5 m a 。 为简单起见，我们可以根据这个指标来选择市场上常见的5 v 供电模块。另外， 不充分的电源旁路会导致芯片电路发生振荡，因此要给两个电源管脚各并联一个 1 肛f 陶瓷电容。 波形选择 m a x 0 3 8 的输出波形由a 0 、a l 的不同组合来进行选择，见表2 1 。由于本 设计方案只需要锯齿波，所以选取a o = 1 、a l = o ，可以通过a 0 端接+ 5 v 、a 1 端接地来实现。 频段选择 m a x 0 3 8 输出信号的频率由注入引脚i 玳的电流i 矾、电容c f 以及引脚删 上的电压决定的。当= 0 v 时，基本输出频率岛由下式给出： 岛( m h z ) = i 嘶a 黼f )( 2 7 ) 式中：k 值在2 7 5 毗a 之间。要获得最佳特性，选择i 小在1 0 4 0 毗a ， c f 的容量在2 0 p f 1 0 毗f 。对于固定频率操作，使i 聃大约为1 0 即a ，并选择一 个恰当的电容值。流入引脚i i n 的电流可用在r e f 引脚和i i n 引脚间串联电阻 r 矾，由2 5 0 v 的参考电压来驱动( 即i = v r e 胡己曲。此时，振荡频率的计算公式 为： 以m h z ) = v r 口瓜i n c f ( p f ) ( 2 8 ) 一1 8 东北大学硕士学位论文第二章朗缪探针诊断电路 为了产生1 h z 1 m h z 的输出频率，采取分频段的办法，分为六个频段： l h z 1 0 ，1 0 h z 1 0 0 h z ，1 0 0 h z l k h z 1 k h z 1 0 k h z ，1 0 k h z 1 舭，1 0 0 k h z 1 m h z 。下面计算选择各个频段所需要电容c f 的大小，计算结 果见表2 3 。 当岛= 1 m h z 时，选择的电容c 6 = 1 0 0 p f ，由公式( 2 8 得 r 玳= 、，r e f 偷c f = 2 5 0 v ( 1 m h z 幸1 0 0 p f ) = 2 5 0 kq 当岛= 1 m h z 1 0 0 k h z 时，计算电容c 5 。旬= l o o 圈舷；令r 玳= 2 5 k q ， 此时c 5 = 2 5 0 、，( 2 5 kq 1 0 0 l ( i z ) = l n f 。 固定c 5 = 1 n f ，调整r 眦到最大2 5 0 kq 时，局= 2 舶v ( 2 5 0 k q 毒l n f ) = 1 0 舷。 同理可得岛= 1 0 舷1 k h z 时，c 4 = 0 0 珈f ； 勤= 1 k h z 1 0 0 h z 时，c 3 = 0 m f ； 毛= 1 0 0 h z 1 0 h z 时，c 2 = 耻f ； 岛= 1 0 h z 1 h z 时，c l = 1 毗f ； 表2 3 电容c f 与频段的对应关系 t a b l c2 3r e l a t i o n s h i pb e t ) l ，nc fa n d 舶q u e n c y 翦：， 频率粗调 删0 3 8 的输出频率可以用改变i 矾的大小来实现粗调。由( 2 8 ) 式可知 r 矾= v 她f i 聃 ( 2 9 ) 当h = 1 嘞陡时，r 矾= 2 5 0 v 1 吮a = 2 5 0 kq ； 当h = 4 0 魄a 时，r 积= 2 5 0 v 4 0 吮a ：6 2 5 kq 这说明当r 矾在2 5 0 k q 6 2 5 k q 之间变化时性能最佳，为了调节方便，可 选用一个固定电阻r 5 = 6 2 5 k q 和一个精密电位器r 6 = 2 5 0 k q 来构成r 肘，这里 r 6 为频率粗调电位器。 频率细调 m a x 0 3 8 输出频率的细调可以由改变引脚f 柚j 的电压v e a d j 来实现。一旦 基本频率( 或中心频率) f o 用i 玳来产生，则它可通过建立一个电压v 籼j 不为0 来 进一步改变。电压v 釉j 可以在2 4 + 2 4 v 之间变化，而引起输出频率的变化是 1 9 东北大学硕士学位论文 第二章朗缪探针诊断电路 v 删= 0 时的基本频率岛的o 3 到1 7 倍。电压v 删超过2 4 v 将引起不稳定和 频率反斜率变化。对于任何频率，引脚删的电压v 删由下式给出： v e 八d j = ( f o - f ；) 0 2 9 1 5 1 5 d( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中：f x 为输出频率，坛为v 喇：o 时的频率。 反之，如果v 删是已知的，则： f x = ( 1 - 0 2 9 1 5 v e 删) 宰岛( 2 1 1 ) 在引脚m 有一个由引脚v - 提供的2 5 陬a 的恒流源，因此在v i t e f 端和 删端接可变电阻r f 来调整v 渊，r f 阻值为： r f = ( v r e f - v e 删) 2 5 嘞【a ( 2 1 2 ) 式( 2 1 2 ) 中，v r e f 和是有符号的数，所以使用时要注意正确的代数约 定。根据设计要求，将频率细调的范围取在2 0 ，即f x 愉= 1 2 0 8 。由式( 2 1 0 ) 可知，当f x 偷= 1 2 时，即调整率为+ 2 0 时，v 删= ( 1 1 2 ) 0 2 9 1 5 = 加6 8 6 v ， 故r f = ( 2 5 一v r 删) 2 5 毗a = ( 2 5 + 0 6 8 6 ) 偿；i 耻a - 1 2 7kq 。当f x 倚= 0 8 时，即调 整率为2 0 时，。、，f a d j = ( 1 0 8 ) 0 2 9 1 5 = 0 6 8 6 v ，故r f = ( 2 5 、，) 2 5 毗a - _ ( 2 5 o 6 8 6 ：2 5 毗a = 7 2 6k q 。 由以上计算我们可以得到，当r f = 7 2 6 k q 1 2 7 l 【q 时，频率细调为2 0 ， 令可调电阻r 刚= 1 2 7 7 2 6 = 5 4 4 kq ，而r f = 7 2 6 kq 。 占空比调节 引脚删上的电压控制波形的占空比。当v d a d j = o ，占空比d c 为5 0 。 v d a 脚从+ 2 3 v 变到2 3 v 时，占空比d c 从1 5 变化到8 5 ，大概每伏变化1 5 。 超过2 3 v 将使频率漂移和引起不稳定。引脚删上的电压可由下式给出： v d a d j = o 0 5 7 5 ( 5 0 - 妁 ( 2 1 3 ) 或者 v d a d j = 5 7 5 ( o 5 - t o n 厂r 0 )( 2 1 4 ) 式中：v d a 阱为引脚d a d j 上的电压( 注意其极性) ；d c 为占空比( 以计算) ；t 0 n 是波形为高电平的时间；t 0 为波形周期。反之，如果v d a d j 已知，则d c 和t 0 n 分别为： d c = 5 0 一1 7 4 v d a d j ( 2 1 5 ) t 0 n = ( 0 5 0 1 7 4 v d a d j ) t o( 2 1 6 ) 2 0 - 东北大学硕士学位论文 第二章朗缪探针诊断电路 n a d j 与删类似，它有一个由引脚v 提供的2 5 雎a 的恒流源，v - 必须是 电压源。调节占空比的电阻r d 阻值为： r d = ( v 艇f - v d 删) 2 5 0 皿a( 2 1 7 ) 式中v r e f 和v d 枷都是带符号的。当占空比d c 从1 5 变化到8 5 ，分别计算 r d 和r d w 。 d c = 1 5 时，v d a d j = o 0 5 7 5 ( 5 m 1 5 ) = 2 0 1 v ，r d = 【2 5 v - 2 0 1 v 】2 5 毗a = 2 kq ； d c = 8 5 时，v d a d j = 0 0 5 7 5 ( 5 0 - 8 5 ) = 2 0 1 v ，r d = 【2 5 v + 2 0 1 v 】2 5 0 缸a = 1 8 kq 。则 r d 、 r = r d r d = 1 8 kq 2 kq = 1 6 kq ，故调节占空比的电阻r d 可由2 kq 固定电阻r d 和一个1 6 k q 的精密电位器r d w 串联构成，调节r d w 可使锯齿波的占空比在1 5 到8 5 之间变化。 函数发生器的输出 当输出为锯齿波时，其幅值为2 v p - p 大约为1 7 v ，可带负载电阻1 0 0 q 。 小结 z 根据上述对信号发生器各个部分的设计，可得到信号发生器的实际电路图如 图2 1 1 所示。总结其技术指标如下： 输出频率范围：1 1 m h z 。 分为六个频段：1 h z 1 0 h z ，1 0 h z 1 0 0 h z ，1 0 0 h z 1 k h z ，1 k h z 1 0 k h z ， 1 0 k h z 1 0 0 k h z ，1 0 0 心 z 1m h z 。 频率在六个频段内可进行粗调和细调。 占空比调节范围：1 5 8 5 。 频率与占空比可单独调节。 输出电压幅值为2 v p p 。 补充：应用惝3 8 时的注意事项【1 7 l ( 1 ) 电阻、电容的选择。电路中的电阻，电容直接决定了该电路的精度，所 以选择电阻时，选择金属膜电阻，使误差小于1 。电容c f 选择无极性，漏电流 小的电容，一般选择陶瓷电容、薄膜电容或聚苯乙烯电容等。 ( 2 ) 如果为了发生低频信号而不得不选择具有大电容值的极性电容c f ，应注 意c o s c 脚上的电压是在1 至o v 变化，因而极性电容正极接地、负极接c o s c 。 一般来说，可以用减少l i n 电流的方法来减少所需的振荡电容值。 2 1 东北大学硕士学位论文第二章朗缪探针诊断电路 v l2 0 = f 1 一f 1 7 r e f v -陛j g n d ： 蚴 刷= 戈皇 一o ，二_ la o o u t 1 9 vvv u l 二- 飘o k o4a l g n dh 虢 r 一甚= i c o s cv + _ 一嗡躞 1 6n c 2 三c 8 = c 9 m a x l m 例 l - l f i n f 16 g n d m a x 0 3 8 d g n d 1 5 r f 7 1 4 n c d a d js y n c= 卜比广0 v 至_f a d j p d i 1 3 r 46 k q 隐o91 2 g n dp d o 据a 州 监 i i ng n d 1 1 r 6 2 贼q 浆o 图2 1 l 基于m a x 0 3 8 的朗缪探针锯齿波信号发生器 f 噜2 1 1l a n g m u i rp r o b es a 咖t h - w a v eg e m m t o r b a s e d 锄m a x 0 3 8 2 3 2 功率放大器电路 由于前面设计的朗缪探针锯齿波信号发生器的输出幅值较小，为了达到朗缪 探针扫描电源所需的1 0 0 v ，需要利用功率放大器来实现。选择功放芯片时需要 考虑的因素主要有：芯片的供电电源范围、输出电压和电流幅值、电压转换速率、 共模抑制比和工作是温度范围等。常见的功率放大器芯片多种多样，有高压i c 、 低压i c 及高频i c 、低频i c 之分，如o p 3 7 【1 引、p a 0 8 【捌、p a 8 8 l 捌等。其中o p 3 7 是低压芯片，输出幅值2 0 v ；p a 0 8 和p a 8 8 是高压芯片，p a 0 8 输出幅值为1 5 0 v ， p ! a 8 8 输出幅值可达2 2 5 v