超声波发生器的锁相关键技术

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摘 要超声波发生器的发展关系到超声技术的水平，锁相控制技术是实现超声波发生器性能突破的瓶颈和关键技术。本文在介绍超声波发生器的发展和控制方案的基础上，对锁相控制方案做了详细探讨，针对控制电路等关键技术做了具体分析。

【关键词】超声技术 超声波发生器 锁相控制

超声波发生器的作用是驱动换能，为了要保证系统芯片输入/输出端口的键合，必须要保证键合设备的以谐振的状态进行工作。在此过程中，决定键合系统工作的性能的关键是锁相控制技术，因而锁相控制技术的研究对于超声波发生器的发展有着极其重要的意义。

1 超声波发生器的发展及控制方案

1.1 超声波发生器的发展

超声波发生器的设计生产是为了提供超声能量，供能的对象是超声波换能器，目的是为了让其产生谐振频率。超声波发生器主要分类两类：一类是自激式超声波发生器，另一类是他激式超声波发生器。前者整体包括换能部分，功率放大部分，输出变压部分和信号发生部分，所有的部分组成一个封闭的整体，作用于发生器，使其产生足够的动力，保证换能器可以产生谐振频率；而后者整体包括前后两级，功能分别是产生信号和放大功率，然后经过变压器的作用，为换能器提生谐振频率的能量。

超声波发生器的技术更迭发展与电子元件的发展密不可分，跟随电子元件的类型特性的变化而进步。总的来说，超声波发生器的发展阶段主要有三个：第一个是电子管阶段，这一阶段的超声波发生器是最初级的，存在很多缺点，目前已被淘汰；第二个阶段是晶体管阶段，这种超声波发生器相较于电子管较成熟，而且成本不高，但是本身体积庞大，性能不理想；第三个阶段是功率模块阶段，主要通过MOS和GBT这两种开关器件来控制输出功率，方便易用，体积不大，重量小，性能好。

1.2 控制方案

超声波发生器的能量转换是通过超声换能器来实现的，要保证超声设备的谐振目标，这就要求超声波发生器所发出的信号频率跟踪换能器的谐振频率。目前研究中主要有几种常用的跟踪控制方案： 第一种方案是通过声音跟踪，获得谐振频率的信号发送给振荡器；第二种是电跟踪，该种跟踪方式是基于电子元件和控制的基础理论，其中最具代表性的也是最关键的技术是锁相式控制跟踪，这种跟踪方式的性能相对较优。

2 锁相控制技术

2.1 基本原理

锁相控制方式的基本原理其实就是通过同步锁定两个周期信号的相位，来准确的控制频率，本质上是控制相位的系统，叫做锁相环。其主要有以下特点：一方面是误差较小，通过窄带宽的性质过滤不相干信号，减少干扰和误差；另一方面稳定性较好，这指的是输出的功率，当负载变化时，其变化相对稳定。

图1所示的是锁相控制的原理图，采样的电压和电流首先要经过波形转换，输入PC鉴相器，PC鉴相器对其进行处理计算，向LF低通过滤器输入相位误差信号，在此信号中的高频成分被过滤掉，产生的是控制电压，该控制电压与VCO压控振荡器的震荡频率有关，为了控制电流和电压的同相位状态。当震荡频率与谐振频率不相同时，就需要控制电压来拉平，达到同相位的目的。

2.2 控制电路

锁相跟踪控制电路的设计实现可以通过窄带宽的性质过滤不相干信号，减少其他外界环境因素的干扰，降低误差产生的几率。具体包括以下几方面的工作：

2.2.1 自激信号的产生

自激信号通过传感器采集输入电流，经过过滤转换成电压。通过整流，产生自激信号用来反映电流相位。主要用到的是二极管，将其进行反并联，再并联电流样本的电容电阻，这种做法不仅可以降低比较器两端的电压差值，对保护器是一种保护措施；还可以在刚启动的时得到较强的电流信号，从而使得灵敏度提高。候反馈电流由电流互感器采样后输入，滤波后由功率电阻转化

2.2.2 他激信号的产生

图2展示的是他激信号EXT的产生原理图，他激信号是一个方波的信号，主要通过压控振荡器从VCOUT输出。它的频率在一定的区间内，输出的频率主要通过改变电位器的输入压来实现。

2.2.3 控制信号的产生

该信号的产生来源于与自激信号相同的信号源，只不过它要经过不同的转换过程，即交流电首先要转换成直流电，这一步要通过单相半波整流电路的作用；然后通过特定的操作转变成正电平，该操作是整形滤波；最后通过与参考电压进行比较，得到最终的控制信号。

2.2.4 电子开关

锁相控制电路中，选用的与非门电子开关，与非门总共有四个，将3.2.1、3.2.2、3.2.3所产生的信号作为输入信号，最终输出的信号遵循公式1的逻辑关系：

（1）

2.2.5 频率跟踪电路

为了保证输入信号的相位等于输出信号的相位，锁相控制频率跟踪电路中所使用的是PCII鉴相器，该鉴相器有两个输入信号一个输出信号，当输入信号1与输入信号2同步时候，结果所输出的信号为高阻；当输入信号1要比输入信号2提前时候，结果所输出的信号为高电平；当输入信号2比输入信号1提前时候结果所输出的信号为低电平。

3 结语

超声技术快速发展，超声波发生器对于其发展起到非常重要的作用，而锁相控制方式又是关系到超声波发生器性能的重点。因此，提出良好的控制方案，关注锁相控制的关键技术，势必会提升超声波发生器的频率追踪控制性能，促进超声波发生器的进一步发展。

参考文献

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作者单位

长春光华微电子设备工程中心有限公司 吉林省长春市 130000