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专利名称：一种双频激光干涉信号接收器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种信号接收装置，且特别涉及一种双频激光干涉信号接收器。
背景技术：
双频激光干涉仪具有大测量范围、高分辨率、高测量精度和高速度等优点，是高精 度步进扫描投影光刻机工件台定位不可缺少的测量工具。双频激光干涉仪接收器，将携带 测量对象位置变化信息的双频激光干涉信号，经过光电探测器转化为相应频率的电流信 号，通过i-v电路再转换为电压信号。接收器输出电压信号的频率变化反映出测量对象位 置的变化，也就是接收器输出信号的频率携带测量信息。接收器将电压信号转换为数字信 号后输出给后续信号处理系统，在模数转换过程中，需要保证电压信号的幅值稳定。如果电 压信号幅值过大，则容易造成输出饱和；幅值过小，则会因为信噪比过低导致信号淹没在噪 声中。此外在多轴激光测量系统中，激光经过干涉仪多次分光后，到达接收器的能量非常微 弱。这就要求激光干涉仪接收器能准确探测到极弱光信号。 APD(Avalance PhotoDiode)，即雪崩光电二极管，是具有倍增效应的光电探测器， 可实现弱信号的探测。在双频激光干涉信号转换中的核心器件。雪崩二极管是利用光生载 流子在耗尽层的雪崩倍增效应，产生光电流的倍增效应。所谓雪崩倍增效应是指PN结外加 反向偏置电压后，在耗尽层形成一个强电�。�当耗尽层吸收光子时，激发出来的光生载流子 被强电场加速，以极高的速度与耗尽层的晶格发生碰撞，产生新的光生载流子，并形成连锁 反应，从而使得光电流在光电二极管内部获得倍增。APD的转换公式为 i = G*P 其中i为APD转化的电流； G为APD的转换因子，即增益； P为光功率。 激光干涉仪接收器的核心部分是将光电探测器输出的电流信号转换为电压信号， 即I-V部分，这一部分是通过由运算放大器组成的I-V电路实现，运放输出电压信号Vo为 Vo = i*R2 其中i为探测器转化的电流信号； !^为反馈电阻，即放大倍数。
I-V转换电路的带宽f受到反馈电阻R2和补偿电容Q的限制。 f = 1/(2 Ji R^) 当光强较弱时，为获得较大的输出电压Vo，可以通过增大反馈电阻R2实现，但是R2
增大却将降低了 i-v电路的带宽。因此极弱信号下不能靠增大i-v的反馈电阻来获得信噪
比足够高的输出信号。由于APD具有较高的转换因子，即使是在微弱的光强下，由于自身的 雪崩效应，能够产生大量的光流子，同样起到增加放大倍数的作用。但当光强过大即i过大 时，容易使运放输出V饱和；当光强很弱即i过小时，导致信号淹没在噪声中无法探测到有 用信号。因此i-v电路输出的电压信号V尽量保持幅值变化不大。[0015] 此外由于APD探测器需要外加一个高压的偏置电压，同时APD探测器的击穿电压 对温度十分敏感。当温度变化时，由于击穿电压的变化将引起APD的倍增因子的变化，使得 APD探测器工作不稳定，因此，为了保证APD探测器稳定工作，除了对APD探测器外加偏置电 压，还需要采取APD增益稳定措施。 保持I-V输出的电压信号Vo稳定有两种途径一是通过调节I-V电路的放大倍 数R2实现，二是通过调节光电探测器的输出电流实现，即调节增益G实现。第一种方法会 影响I-V电路的带宽，甚至造成电路不稳定，因此可以采用调节G的方法来保持输出电压的 稳定，具体就是通过偏置电压来调节转换因子，实现输出电压的稳定。 目前的APD偏置电压控制电路多采用温度补偿的方式，但不同的APD，击穿电压随 温度变化的关系并不相同，相应的温度补偿系数也不相同，此外仅仅靠温度补偿，不能保证 Vo幅值稳定。

实用新型内容为了克服已有技术中存在的缺点，本实用新型提供一种既能探测微弱的双频激光 信号，又能适应光强的变化，自动调整偏置电压的接收器。 为了实现上述目的，本实用新型提出一种双频激光干涉信号接收器，包括光电探 测器，所述光电探测器为雪崩光电二极管；电流电压转换�？椋�其输入端和所述光电探测器 相连；整流滤波�？椋�和所述电流电压转换�？榈氖涑龆讼嗔�；电源控制模块，其输入端和 所述整流滤波�？橄嗔�；限位保护模块，和所述电源控制�？橄嗔�；偏置电源�？椋�和所述 电源控制模块相连。 可选的，所述电流电压转换�？榘�括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器 的反向输入端和第一二极管相连，所述第一放大器的输出端连接所述第二放大器的反向输 入端。 可选的，所述第一放大器的反向输入端和所述光电探测器相连，所述第二放大器 的输出端和所述整流滤波�？橄嗔�。 可选的，所述第一放大器的反向输入端和输出端之间，设置第一电容。 可选的，所述整流滤波模块包括第三放大器和第四放大器，所述第三放大器的输
出端连接所述第四放大器的反向输入端。 可选的，所述第三放大器的反向输入端和所述第二放大器的输出端相连，所述第 四放大器的输出端和所述电源控制�？橄嗔�。 可选的，所述第三放大器的输出端和所述第四放大器的反向输入端之间设置有第
二二极管。 可选的，所述第三放大器的反向输入端和所述第三放大器的输出端之间设置有第
三二极管。 可选的，所述第四放大器的反向输入端和所述第四放大器的输出端之间设置有第
二电容。 可选的，所述电源控制�？榘�括第五至第九共5个放大器，所述第五放大器的输 出端和所述第六放大器的反向输入端相连，所述第六放大器的输出端和所述第八放大器的 反向输入端相连，所述第七放大器和所述第八放大器的输出端接地。[0029] 可选的，所述第七放大器的正向输入端和一滑动变阻器相连。 可选的，所述第八放大器的反向输入端和输出端之间设置有第三电容。 可选的，所述第九放大器输出端和反向输入端相连，且一起连接于第四二极管和
第五二极管之间，所述第四二极管和所述第五二极管位于高电平和低电平之间。 可选的，所述限位保护�？榘�括第十放大器和第十一放大器，所述第十放大器的
输出端和所述高电平相连，所述第十一放大器的输出端和所述低电平相连。 本实用新型所述的一种双频激光干涉信号接收器的有益效果主要表现在本实用
新型采用雪崩光电二极管探测器，雪崩管的光电倍增效应，能够保证在光功率在小于一微
瓦的情况下仍能探测到测量信息，解决了激光干涉仪接收器对微弱光信号的探测问题；此
外，本实用新型在不同的光功率情况下，输出电压信号的幅值稳定性大大的提高，从而保证
了在受温度影响的情况下，APD的增益依旧能够保持稳定。

图1是本实用新型一图2是本实用新型一图3是本实用新型一图4是本实用新型一图5是本实用新型一图6是本实用新型一图。
-种双频激光干涉信号接收器的原理结构图； -种双频激光干涉信号接收器的电流电压转换�？樵�理图； -种双频激光干涉信号接收器的整流滤波�？榈缏吠迹� -种双频激光干涉信号接收器的电源控制�？榈牡缏吠迹� -种双频激光干涉信号接收器中限位保护模块电路图； 4中双频激光干涉信号接收器采用APD的偏置电压和增益关系
具体实施方式下面，结合附图对本实用新型作进一步的说明。 首先，请参考图1，图1是本实用新型一种双频激光干涉信号接收器的原理结构 图，从图上可以看出，本实用新型包括光电探测器ll，所述光电探测器11为雪崩光电二极 管(APD);电流电压转换�？�13，其输入端和所述光电探测器11相连；整流滤波�？�14，和 所述电流电压转换�？�13的输出端相连；电源控制�？�16，其输入端和所述整流滤波�？� 14相连；限位保护�？�15，和所述电源控制�？�16相连；偏置电源�？�12，和所述电源控 制�？�16相连。 接着，请参考图2，图2是本实用新型一种双频激光干涉信号接收器的电流电压转 换�？樵�理图，所述电流电压转换�？�13包括第一放大器24和第二放大器23，所述第一放 大器24的反向输入端和第一二极管21相连，所述第一放大器24的输出端连接所述第二放 大器23的反向输入端。所述第一放大器24的反向输入端和所述光电探测器11相连，所述 第二放大器23的输出端和所述整流滤波�？�14相连。所述第一放大器24的反向输入端 和输出端之间，设置第一电容22。图3是本实用新型一种双频激光干涉信号接收器的整流 滤波�？榈缏吠迹�所述整流滤波�？�14包括第三放大器32和第四放大器45 ，所述第三放大 器32的输出端连接所述第四放大器45的反向输入端。所述第三放大器32的反向输入端 和所述第二放大器23的输出端相连，所述第四放大器45的输出端和所述电源控制�？�16 相连。所述第三放大器32的输出端和所述第四放大器45的反向输入端之间设置有第二二极管33。所述第三放大器32的反向输入端和所述第三放大器32的输出端之间设置有第 三二极管31。所述第四放大器45的反向输入端和所述第四放大器45的输出端之间设置有 第二电容34。图4是本实用新型一种双频激光干涉信号接收器的电源控制模块的电路图， 所述电源控制模块16包括第五至第九共5个放大器，所述第五放大器46的输出端和所述 第六放大器45的反向输入端相连，所述第六放大器45的输出端和所述第八放大器44的反 向输入端相连，所述第七放大器47和所述第八放大器44的输出端接地。所述第七放大器 47的正向输入端和一滑动变阻器48相连，所述滑动变阻器48两端连接电源，可以调节所述 第七放大器47的正向输入端输入的电压。所述第八放大器44的反向输入端和输出端之间 设置有第三电容49。所述第九放大器43输出端和反向输入端相连，且一起连接于第四二极 管41和第五二极管42之间，所述第四二极管41和所述第五二极管42位于高电平和低电 平之间。图5是本实用新型一种双频激光干涉信号接收器中限位保护�？榈缏吠迹�所述限 位保护�？�15包括第十放大器51和第十一放大器52，所述第十放大器51的输出端和所述 高电平相连，所述第十一放大器52的输出端和所述低电平相连。 图2中，APD输出电流经过运放第一放大器24后，输出为电压信号，进而经过第二 放大器23再放大输出VI。 Vl信号输出到后续的整流滤波�？�14。图3中，整流滤波�？� 14将VI经过全波整流，得到VI的有效值V2。 V2 " 0. 7*Vm Vm为VI的幅值；V2为放大后信号的幅值。 从而V2和APD的增益及光功率存在一定的比例关系。 V2 " 0. 7*G*P*R2*A2 A2为第二级放大电路的放大倍数。 G为APD的转换因子，即增益； P为光功率，单位为瓦； !^为设置于第一放大器24的反向输入端和输出端之间的电阻的大�。�单位为欧 姆。 图4中，将V2作为APD偏置电源�？榈目刂菩藕牛琕2经过第五放大器46和第六 放大器45后，输入到第八放大器44的反向端。用滑动变阻器48产生一个设定电压，设定 电压经过第七放大器47后连接到第八放大器44的反相端。当VI增大时，VI的有效值V2 也增大。V2的电流大于设定电压的负电流时，第三电容49充电，第八放大器44输出电压降 低，第九放大器43输出的电源控制电压降低，偏置电源�？�12输出的APD偏置电压也随之 降低。无光强时V2输出为0，为防止第八放大器44输出电源控制电压最大，导致APD偏置 电压最大而损坏APD，需要对电源控制电压进行限位保护。限位保护通过第四二极管41和 第五二极管42实现，当控制信号超过限位电压时，第四二极管41和第五二极管42将控制 信号起到钳位作用，使控制电压保持在极限电压范围内。图5中，限位电压由电阻分压产生 并分别经过第十放大器51和第十一放大器52。 最后，请参考图6，图6是本实用新型一种双频激光干涉信号接收器采用APD的偏 置电压和增益关系图，图中横轴为APD的偏置电压，单位为伏，纵轴为APD的增益，在不同的 温度的情况下的APD的偏置电压和增益的关系图，可以看到偏置电压降低，增益也降低，这 样VI必然会降低，最终系统趋于稳定。同理，当VI减小时，偏置电源�？�12输出电压升高，增益增加，V1也趋于稳定。 虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实 用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各 种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于包括光电探测器，所述光电探测器为雪崩光电二极管；电流电压转换�？椋�其输入端和所述光电探测器相连；整流滤波�？椋�和所述电流电压转换�？榈氖涑龆讼嗔�；电源控制模块，其输入端和所述整流滤波模块相连；限位保护模块，和所述电源控制�？橄嗔�；偏置电源模块，和所述电源控制�？橄嗔�。
2. 根据权利要求1所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述电流电压转换 �？榘�括第一放大器和第二放大器，所述第一放大器的反向输入端和第一二极管相连，所 述第一放大器的输出端连接所述第二放大器的反向输入端。
3. 根据权利要求2所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第一放大器的 反向输入端和所述光电探测器相连，所述第二放大器的输出端和所述整流滤波�？橄嗔�。
4. 根据权利要求2所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第一放大器的 反向输入端和输出端之间，设置第一电容。
5. 根据权利要求1所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述整流滤波�？� 包括第三放大器和第四放大器，所述第三放大器的输出端连接所述第四放大器的反向输入丄山顺。
6. 根据权利要求5所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第三放大器的 反向输入端和所述第二放大器的输出端相连，所述第四放大器的输出端和所述电源控制模 块相连。
7. 根据权利要求5所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第三放大器的 输出端和所述第四放大器的反向输入端之间设置有第二二极管。
8. 根据权利要求5所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第三放大器的 反向输入端和所述第三放大器的输出端之间设置有第三二极管。
9. 根据权利要求5所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第四放大器的 反向输入端和所述第四放大器的输出端之间设置有第二电容。
10. 根据权利要求1所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述电源控制模 块包括第五至第九共5个放大器，所述第五放大器的输出端和所述第六放大器的反向输入 端相连，所述第六放大器的输出端和所述第八放大器的反向输入端相连，所述第七放大器 和所述第八放大器的输出端接地。
11. 根据权利要求io所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第七放大器的正向输入端和一滑动变阻器相连。
12. 根据权利要求IO所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第八放大器 的反向输入端和输出端之间设置有第三电容。
13. 根据权利要求IO所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述第九放大器 输出端和反向输入端相连，且一起连接于第四二极管和第五二极管之间，所述第四二极管 和所述第五二极管位于高电平和低电平之间。
14. 根据权利要求13所述一种双频激光干涉信号接收器，其特征在于所述限位保护模 块包括第十放大器和第十一放大器，所述第十放大器的输出端和所述高电平相连，所述第十一放大器的输出端和所述低电平相连c
专利摘要本实用新型提出一种双频激光干涉信号接收器，包括光电探测器，所述光电探测器为雪崩光电二极管；电流电压转换�？椋�其输入端和所述光电探测器相连；整流滤波�？椋�和所述电流电压转换�？榈氖涑龆讼嗔�；电源控制�？椋�其输入端和所述整流滤波�？橄嗔�；限位保护�？椋�和所述电源控制�？橄嗔�；偏置电源�？椋�和所述电源控制�？橄嗔�。本实用新型采用雪崩光电二极管探测器，解决了微弱光信号的探测问题，并解决了信号探测过程中光强变化影响接收器输出电压的稳定问题，及温度变化对接收器输出电压稳定性的影响问题。
文档编号G01B9/02GK201440065SQ20092007778
公开日2010年4月21日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者池峰, 高为宫 申请人:上海微电子装备有限公司