طراحي، شبيه سازي و پياده سازي بخش هاي الكترونيك تداخل سنج سوپرهتروداين

Design, Simulation, and Implementation of Electronic Sections of Super-Heterodyne Interferometer

تداخل سنج هاي سوپرهتروداين، روشي مناسب به منظور اندازه گيري هاي دقيق در نانومترولوژي است. با توجه به كم بودن سطح سيگنال هاي اندازه گيري و مبنا كه از بخش نوري تداخل سنج سوپرهتروداين دريافت مي شود، نياز به مدارهايي براي آماده سازي سيگنال است. در بخش آماده سازي سيگنال، سيگنال هاي دريافتي پس از تقويت شدن، در هم ضرب مي شوند و به فركانس پايين تر منتقل مي شوند و براي اعمال به بخش اندازه گيري فاز آماده مي شوند. در بخش اندازه گيري فاز، آشكارسازي فاز متناظر با جابه جايي هدف انجام مي شود. در اين مقاله، مدارهاي بخش الكترونيك تداخل سنج سوپرهتروداين با فناوري CMOS 0.5µm طراحي، شبيه سازي و پياده سازي شده است. اين مدارها شامل تقويت كننده كم نويز كاسكود، فيلتر ميان گذر با پهناي باند معادل فركانس تداخل اوليه، مخلوط كننده متعادل دوگانه، فيلتر پايين گذر براي استخراج سيگنال با فركانس تداخل ثانويه و مدار آشكارساز فاز است. با توجه به نتايج طراحي و شبيه سازي، قطعات مناسب جهت پياده سازي بخش الكترونيك انتخاب شده اند. نتايج حاصل از اين قطعات براي بخش آماده سازي سيگنال عبارت است از: تقويت-كننده با بهره dB41/19 و عدد نويز dB7/2 و مخلوط كننده با محدوده RF/LO بين MHz2500-80، محدوده IF بين 1000DC- مگاهرتز و IIP3 برابر با dBm5/28. براي بخش اندازه گيرفاز مداري كم نويز بر اساس مبدل زمان به ديجيتال (TDC) با قابليت تفكيك پذيري يك نانو ثانيه به منظور اندازه گيري اختلاف فاز متناظر با جابه جايي نانومتري طراحي و پياده سازي شده است.

The use of super-heterodyne interferometers is a method for precision measurements in nano-metrology systems. According to the low-level measurement and base signals received by optical section of super-heterodyne interferometer, the signal conditioner circuit is needed. In the signal conditioner section, the received signals are amplified and self-mixed. Then they are converted to the lower frequencies and are fed to the phase measurement section. In the phase measurement section, the displacement is detected according to the phase shift. In this paper, we design, simulate, and implement the circuits required for electronic part of interferometer by CMOS 0.5µm technology. These circuits include cascade low-noise amplifier to convert the photocurrents of avalanche photodiode to voltage signal, band-pass filters with bandwidth equal to the primary beat frequency, double-balanced mixer and low-pass filter to extract the secondary beat frequency. The results show that the amplifiers have 19.41dB gain and 2.7dB noise factor, mixers have RF/LO range between 80-2500MHz and IF range between DC to 1000MHz. In the phase measurement section, a low-noise circuit based on time-to-digital converter (TDC) with 1ns resolution is designed and implemented to detect the displacement according to the phase shift.