CN1979182A - 双对数放大器相位－幅度探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种包括提供RF输出功率的RF功率发生器的功率发生***。该功率发生***包括具有双对数放大器相位－幅度探测器的相位－幅度探测器模块。该双对数放大器相位－幅度探测器接收电流信号和电压信号。该双对数放大器相位－幅度探测器产生根据该电压信号和该电流信号之间的相位而变化的相位信号，以及根据该电压信号和该电流信号之间的幅度而变化的幅度信号。控制器接收该相位信号和幅度信号，并把控制信号传送给匹配网络。
Description
与相关申请的引用
本申请要求2005年9月2日递交的美国临时申请60/713,656的优先权。在此将上述申请的内容合并作为参考。
技术领域
本发明涉及相位和幅度探测器，更具体地说，涉及一种利用对数放大器实现的相位和幅度探测器。
背景技术
常规的相位和幅度探测器典型地接收输入电压和输入电流信号并产生幅度和相位输出信号。幅度输出信号典型地反映输入信号中各幅度的关系。相位输出信号典型地表示输入电压和输入电流信号之间的相位差别。在等离子发生***中，可以用各种结构来实现相位-幅度探测器。
一种结构使用非调谐(宽带)探测器。非调谐探测器的示例包括由本主题专利申请的受让人所制造的、以Matchwork为商标名销售的匹配网络中使用的线段采样器。对于单过程等离子制法来说，非调谐探测器运行良好，在有谐波出现，但是谐波内容的相对振幅和相位保持基本不变的情况下，也可以被配置来运行得可以接受。当过程制法改变时，谐波经常改变，导致非调谐探测器的性能无法接受。
另一种相位-幅度探测器结构使用调谐相位-幅度探测器。这些探测器通过在将采样电压和电流信号施加到探测器桥电路之前，对采样电压和电流信号使用带通滤波来解决变化的谐波含量的问题。探测器桥电路在正交相位下运行，允许二极管探测器辨别输入信号的相位。近来，产生百分比频率与想要的信号频率非常接近(小于5％)的互调失真产物的双频率***已经导致相位-幅度探测器性能达不到最优。
还有一种相位-幅度探测器结构使用正交相位-幅度探测器。这种***采用两个正交解调器来把两个采样的RF电压和电流波形模拟地混合成零或低中频(IF)。混合器由一个公共本地振荡器(LO)驱动，该振荡器是采样的RF信号的放大基准，或者是被锁相到采样的RF信号中的一个或两个上。然后，对来自两个正交解调器的四个模拟输出电压、同相和正交成分进行数字采样。之后，处理这些数字信号来提供各个原始RF样本的幅度和相对于LO的相位关系，并由此提供相对于彼此的相位关系。这会提供原始采样的RF信号的必需的幅度和相位信息。
另外一种相位-幅度探测器的结构使用异或(exclusive-OR)相位探测器。这样的探测器包括用于阻抗幅度的高速比较器峰值探测器。
发明内容
本发明提供一种包括提供RF输出功率的RF功率发生器的功率发生***。匹配网络与该RF功率发生器相通信并接收该RF输出功率。该匹配网络与负载相通信并具有可变阻抗。相位-幅度探测器模块接收至少一个根据该RF输出功率而变化的信号。该相位-幅度探测器模块包括双对数放大器相位-幅度探测器。该双对数放大器相位-幅度探测器接收根据该RF输出功率的电流而变化的电流信号和根据该RF输出功率的电压而变化的电压信号。该双对数放大器相位-幅度探测器产生根据该电压信号和该电流信号之间的相位而变化的相位信号，以及根据该电压信号和该电流信号之间的幅度而变化的幅度信号。控制器接收该相位信号和幅度信号，并把控制信号传送给该匹配网络。
一种功率发生***包括提供RF输出功率的RF功率发生器。匹配网络与该RF功率发生器相通信并接收该RF输出功率。该匹配网络与负载相通信并具有可变阻抗。相位-幅度探测器模块接收至少一个根据该RF输出功率而变化的复合信号(composite signal)。该复合信号包括根据该RF输出功率的电流而变化的电流信号和根据该RF输出功率的电压而变化的电压信号。该相位-幅度探测器模块包括超前网络，用于接收所述电流信号并向该电流信号施加相位超前以产生相位超前信号。滞后网络接收所述电压信号并向该电压信号施加相位滞后以产生相位滞后信号。双对数放大器相位-幅度探测器接收该相位超前信号和该相位滞后信号，并产生根据该电压信号和该电流信号之间的相位而变化的相位信号，以及根据该电压信号和该电流信号之间的幅度而变化的幅度信号。控制器接收该相位信号和幅度信号，并把控制信号传送给该匹配网络。
附图说明
在这里说明的附图仅用于图解说明目的，无论如何，并非用来限制本发明的范围。
图1为包括根据各个实施例设置的双对数放大器相位-幅度探测器的等离子发生***的框图；
图2为根据各个实施例设置的该双对数放大器相位-幅度探测器的框图；
图3为该双对数放大器相位-幅度探测器的电路图；
图4-5为描述采用根据各个实施例设置的该双对数放大器相位-幅度探测器的***中的前向和反射功率的波形；
图6-7为描述采用常规相位-幅度探测器的***中的前向和反射功率的波形。
具体实施方式
下面对各个实施例的说明本质上仅为示例性的，决非用来限制本发明、应用或使用。
图1示出了可以在其中实现用于控制等离子室的双对数放大器相位-幅度探测器的等离子控制***10。控制***10包括例如可以用来制造集成电路的等离子室18。等离子室18包括一个或一个以上气体入口和一个或一个以上气体出口(未示出)。气体入口和出口使气体可以进入等离子室18内部和从等离子室18的内部排出。控制模块20接收包括来自等离子室的输入的各种输入，来自等离子室的输入可以包括表示室中真空水平的真空信号、电压信号和表示入口和出口气体之间流量比的信号。本领域技术人员将会认识到，控制模块20还可以接收/产生其它输入/输出信号。控制模块20确定将通过电源或可以是RF功率发生器的功率发生器12施加给等离子室的所需的输入功率。功率发生器12可以包括微处理器或其它类似的控制器，用来接收从控制模块20施加的信号。功率发生器12输出一个例如RF信号的信号，该信号通过例如双向耦合器的定向耦合器14输入给匹配网络16。本领域技术人员将会认识到，电压/电流(V/I)耦合器可以用来代替定向耦合器14。匹配网络16帮助调节等离子室18和RF功率发生器12之间的阻抗匹配。
双向耦合器14向双对数放大器相位-幅度探测器(dual log ampphase-mag detector)模块22输出电压信号和电流信号。双对数放大器相位-幅度探测器模块22确定幅度信号、相位信号和基准信号，并把这些信号输出给匹配控制模块24。匹配控制模块24分析从双对数放大器相位-幅度探测器模块22输出的这些信号并产生控制信号给匹配网络16。所述控制信号控制匹配网络16来改变由匹配网络16产生的阻抗，从而适当地匹配RF功率发生器12和等离子室18之间的阻抗。匹配控制模块24还可以和控制模块20相互通信。
图2示出了图1的该双对数放大器相位-幅度探测器模块22的框图。双对数放大器相位-幅度探测器模块22接收图1的定向耦合器14输出的电流(I)信号和电压(V)信号。将电流I和电压V施加给相应的带通滤波器30和32，带通滤波器输出与预定带通滤波范围一致的频率范围内的信号。带通滤波器30的输出被施加给超前网络34，超前网络34引入相位超前给从带通滤波器30输出的信号。带通滤波器32输出的信号被施加给滞后网络36。滞后网络36引入相位滞后给由带通滤波器32输出的信号。将由超前网络34和滞后网络36输出的信号施加给双对数放大器相位-幅度探测器38。
双对数放大器相位-幅度探测器38输出三个信号。双对数放大器相位-幅度探测器38输出的第一个信号是相位信号。相位信号与电压和电流之间的相位差成比例。双对数放大器相位-幅度探测器38还输出基准信号，该基准信号是由匹配控制模块24使用的基准电压。双对数放大器相位-幅度探测器38还输出幅度信号，该幅度信号可以与从定向耦合器14接收的电流信号和电压信号的分贝比成比例。基准信号、幅度信号和相位信号被施加给相应的缓冲器40、42和44，并被传送给匹配控制模块24。
双对数放大器相位-幅度探测器模块22还包括双峰探测器46。双峰探测器46检测相应的电流I信号和电压V信号，并产生输入探测信号给匹配控制模块24。双峰探测器46本质上是要验证双向耦合器14的电流I输出和电压V输出的是除噪声以外的信号。在一些实施例中，用美国模拟器件公司(Analog Devices，Inc.)生产的部件编号为AD8302的RF/IF增益和相位探测器来实现双对数放大器相位-幅度探测器38。可以参考2004年11月23日公布的美国专利6,822,433找到这样的双对数放大器相位-幅度探测器，在这里将该专利的全部内容合并。
在各个实施例中，双向耦合器14提供框架的主线上出现的RF电压波形和电流波形的采样。采样的振幅可以在彼此的几个分贝(dB)(例如＜6分贝)振幅范围内，并且在主线信号为最大时小于+20dBm。在各种实施例中，相位特性应该也是已知的。在一些实施例中，想要接近正交的相位，且电压采样相对于主线为接近+90度。由于耦合变压器的电阻性终端和光耦合，电流采样可以为接近零度。
在一些实施例中，双对数放大器相位-幅度探测器模块22具有位于各个通道上的电阻垫(resistive pad)式衰减器，用于更精密地匹配输入采样通道振幅。本领域技术人员将会认识到，对于各个通道而言，带通滤波器30和32可以用低通滤波器替代。对这两种滤波器的需要是根据指示在有强干扰信号的情况下所需要的性能的测试而不同的。在一些实施例中，在向双对数放大器幅度和相位探测器38的输入施加两个采样通道(I和V)之前，允许对最终的振幅和相位进行调整。双对数放大器相位-幅度探测器38的幅度输出的dB差是线性的，相位输出与正交的相位差是线性的，并且基准电压建立后续处理的零基准。
在一些实施例中，双对数放大器相位-幅度探测器22的双峰探测器46是双补偿二极管探测器，用作信号出现探测器，以允许匹配控制模块24确定何时响应从双对数放大器探测器模块22出现的任何误差信号。在一些实施例中，由于所测得的离散温度补偿二极管探测器电路的线性度和温度稳定性优于可替代的探测器，所以用该电路来实现信号出现探测器。各种可替代的探测器包括设计用于接收信号强度指示器(RSSI)或传送功率电平指示器应用的几种集成的肖特基二极管探测器中的任何一种。可供选择的探测器还包括基于晶体管的补偿二极管探测器。
各个实施例都提供在调谐匹配网络时对干扰频率的改进抑制。图4和5描述了采用这里说明的双对数放大器幅度-相位探测器的***中的前向和反射功率的波形。与之对照，图6-7描述了采用常规相位-幅度探测器的***中的前向和反射功率的波形。叠加在反射功率上的前向功率的波形提供功率发生***和等离子室之间匹配质量的度量。图4表明使用双对数放大器幅度-相位探测器时，输入返回损耗为-34.9dB。同样地，在图5中，这些波形表明输入返回损耗为-34.7dB。特别要注意到在图5中，在加/减1MHz处出现-10dBc的互调失真(IMD)产物的情况下，基频40.68MHz信号上的输入返回损耗没有降级。另一方面，图6表明使用常规相位-幅度探测器的匹配网络在IMD产物出现的情况下，仅提供大约-19.9dBc的输入返回损耗。图7表明对具有纯净RF输出的信号来说，输入返回损耗为-25dBc。
在各个实施例中，双对数放大器相位-幅度探测器使用相同的对数放大器带来提供施加给异或(exclusive-OR)相位探测器的饱和V和I采样信号。对数放大器级探测器提供施加给幅度误差信号放大器的求和点的平均功率电平输出信号。双对数放大器***固有的探测不是必需依赖于对输入信号的滤波。因而大大放宽或者没有对滤波的要求。在各种其它实施例中，可以利用发射极耦合逻辑线接收器放大然后用异或栅极探测采样信号相位差，来实现双对数放大器电路。异或相位探测器根据与AB8302集成电路类似的原理运行。
在各种其它实施例中，可以用使用独立的对数放大器和单独的相位探测器的集成度较小的方法，来实现双对数放大器电路。采用较小集成度方法的实现可以允许使用对数放大器输出中的一个或两个作为RSSI或RF功率出现和水平探测器输出。这将使双二极管峰值探测器实际上多余而不再必需。
本发明的说明本质上仅为示例性的，因而，认为不背离本发明要旨的变化是在其范围内。不要把这样的改变看作背离本发明的精神和范围。
Claims (21)
1、一种功率发生***，包括：
RF功率发生器，该RF功率发生器提供RF输出功率；
匹配网络，与该RF功率发生器相通信并接收该RF输出功率，该匹配网络还与负载相通信并具有可变阻抗；
相位-幅度探测器模块，接收至少一个根据该RF输出功率而变化的信号，该相位-幅度探测器模块包括双对数放大器相位-幅度探测器，该双对数放大器相位-幅度探测器接收根据该RF输出功率的电流而变化的电流信号，以及根据该RF输出功率的电压而变化的电压信号，该双对数放大器相位-幅度探测器产生根据该电压信号和电流信号之间的相位而变化的相位信号，以及根据该电压信号和电流信号之间的幅度而变化的幅度信号；和
控制器，用于接收该相位信号和幅度信号，并把至少一个控制信号传送给该匹配网络以改变其阻抗。
2、如权利要求1所述的功率发生***，其中该控制器为匹配控制器，并且该功率发生***进一步包括功率控制器，用于产生至少一个被传送给该RF功率发生器的控制信号。
3、如权利要求2所述的功率发生***，其中该负载是等离子室。
4、如权利要求1所述的功率发生***，进一步包括置于该RF功率发生器和该匹配网络之间的耦合器，该耦合器把该至少一个信号传送给相位-幅度探测器模块，并且把来自该RF功率发生器的RF输出信号传送给该匹配网络。
5、如权利要求1所述的功率发生***，其中该双对数放大器相位-幅度探测器产生基准信号。
6、如权利要求1所述的功率发生***，其中该双相位-幅度探测器模块进一步包括双峰探测器，该双峰探测器接收该电流信号和电压信号并产生探测信号，该探测信号指示该电流信号和电压信号中的至少一个包含除噪声以外的信息。
7、如权利要求6所述的功率发生***，其中该双峰探测器为双补偿二极管探测器。
8、如权利要求6所述的功率发生***，其中该双峰探测器被构造为温度补偿二极管探测器。
9、如权利要求1所述的功率发生***，其中该双相位-幅度探测器模块进一步包括用于接收该电压信号和电流信号的电阻垫。
10、一种功率发生***，包括：
RF功率发生器，该RF功率发生器提供RF输出功率；
匹配网络，与该RF功率发生器相通信并接收该RF输出功率，该匹配网络还与负载相通信并具有可变阻抗；
相位-幅度探测器模块，接收至少一个根据该RF输出功率而变化的信号，该至少一个信号包括根据该RF输出功率的电流而变化的电流信号和根据该RF输出功率的电压而变化的电压信号，该相位-幅度探测器模块包括：
超前网络模块，用于接收该电流信号并向该电流信号施加相位超前以产生相位超前信号；
滞后网络模块，用于接收该电压信号并向该电压信号施加相位滞后以产生相位滞后信号；以及
双对数放大器相位-幅度探测器，该双对数放大器相位-幅度探测器接收该相位超前信号和该相位滞后信号，该双对数放大器相位-幅度探测器产生根据该电压信号和该电流信号之间的相位而变化的相位信号，以及根据该电压信号和该电流信号之间的幅度而变化的幅度信号；和
控制器，用于接收该相位信号和幅度信号，并把至少一个控制信号传送给该匹配网络以改变其阻抗。
11、如权利要求10所述的功率发生***，其中该控制器为匹配控制器，并且该功率发生***进一步包括功率控制器，用于产生被传送给该RF功率发生器的控制信号。
12、如权利要求11所述的功率发生***，进一步包括置于该RF功率发生器和该匹配网络之间的耦合器，该耦合器把该至少一个复合信号传送给相位-幅度探测器模块，并且把来自该RF功率发生器的RF输出信号传送给该匹配网络。
13、如权利要求10所述的功率发生***，其中该负载是等离子室。
14、如权利要求10所述的功率发生***，其中该双对数放大器相位-幅度探测器产生基准信号。
15、如权利要求10所述的功率发生***，其中该双相位-幅度探测器模块进一步包括双峰探测器，该双峰探测器接收该电流信号和该电压信号并产生探测信号，该探测信号指示该电流信号和电压信号中的至少一个包含除噪声以外的信息。
16、如权利要求15所述的功率发生***，其中该双峰探测器为双补偿二极管探测器。
17、如权利要求15所述的功率发生***，其中该双峰探测器被构造为温度补偿二极管探测器。
18、如权利要求10所述的功率发生***，其中该双相位-幅度探测器模块进一步包括用于接收该电压信号和该电流信号的电阻垫。
19、一种功率发生***，包括：
RF功率发生器，该RF功率发生器提供RF输出功率；
匹配网络，与该RF功率发生器相通信并接收该RF输出功率，该匹配网络还与负载相通信并具有可变阻抗；
相位-幅度探测器模块，接收至少一个根据该RF输出功率而变化的信号，该至少一个信号包括根据该RF输出功率的电流而变化的电流信号和根据该RF输出功率的电压而变化的电压信号，该相位-幅度探测器模块包括：
第一滤波器，该滤波器用于接收该电流信号并产生滤波后的电流信号；
第二滤波器，该滤波器用于接收该电压信号并产生滤波后的电压信号；
超前网络模块，用于接收该滤波后的电流信号并向该滤波后的电流信号施加相位超前以产生相位超前信号；
滞后网络模块，用于接收该滤波后的电压信号并向该滤波后的电压信号施加相位滞后以产生相位滞后信号；以及
双对数放大器相位-幅度探测器，该双对数放大器相位-幅度探测器接收该相位超前信号和该相位滞后信号，该双对数放大器相位-幅度探测器产生根据该电压信号和该电流信号之间的相位而变化的相位信号，以及根据该电压信号和该电流信号之间的幅度而变化的幅度信号；和
控制器，用于接收该相位信号和幅度信号，并把控制信号传送给该匹配网络。
20、如权利要求19所述的功率发生***，其中该第一滤波器和第二滤波器为带通滤波器。
21、如权利要求20所述的功率发生***，其中该第一滤波器为带通、低通或高通滤波器中的一个，并且该第二滤波器为带通、高通或低通滤波器中的一个。
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