CN201637394U - 直拉法锗单晶的直径测量及信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直拉锗单晶的直径测量及信号处理系统，包括依次连接的采光系统、光电转换电路、微弱信号处理电路、信号放大电路和信号隔离及标准信号转换电路；采光系统用于接收等径时锗单晶固液界面光环的温度波长；光电转换电路用于将光环温度波长转换成电信号；微弱信号处理电路用于将电信号放大为毫伏级或伏级信号；信号放大电路用于将放大后的电信号再次放大；信号隔离及标准信号转换电路用于将再次放大的电信号转换成0～10V的标准信号，作为等径控制的输入信号。本实用新型的有益效果是，解决了直拉法锗单晶的直径测量及信号处理，实现了锗单晶的等径自动控制。

Description

直拉法锗单晶的直径测量及信号处理系统

技术领域

本实用新型涉及一种光电信号的转换及信号处理电路，具体涉及一种直拉法锗单晶的直径测量及信号处理系统。

背景技术

锗是第一代制作晶体管的半导体材料。20世纪60年代以来，锗在半导体工业中的统治地位逐渐被价格更低、资源更丰富的硅所取代。但是由于锗的电子迁移率比硅高，强度比硅好，所以在高频、红外和航空、航天领域，锗材料仍然占主导地位。直拉（CZ）法是锗单晶生长中应用最广泛的办法，但是由于锗单晶的生长温度比硅单晶低得多，锗单晶的生长温度为930℃，固液界面的光环较弱，直径信号不易测量，因此很难实现等径控制及自动拉制锗单晶。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种直拉法锗单晶的直径测量及信号处理系统，以克服锗单晶固液界面的光环较弱，不易测量的问题。

本实用新型所采用的技术方案为：一种直拉锗单晶的直径测量及信号处理系统，其特征在于：包括依次连接的采光系统、光电转换电路、微弱信号处理电路、信号放大电路和信号隔离及标准信号转换电路；采光系统用于接收等径时锗单晶固液界面光环的温度波长；光电转换电路用于将光环温度波长转换成电信号；微弱信号处理电路用于将电信号放大为毫伏级或伏级信号；信号放大电路用于将放大后的电信号再次放大；信号隔离及标准信号转换电路用于将再次放大的电信号转换成0～10V的标准信号，作为等径控制的输入信号。

其中，微弱信号处理电路包括低噪声抑制放大器和带通放大器；微弱信号处理电路有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-；低噪声抑制放大器与VS的电源正负极相连，其正极输入端与IN+相连，输出端电流反馈至负极输入；低噪声抑制放大器输出端经过第一电阻和第一电容与带通放大器的正极输入端连接，并经过第四电阻作为整个微弱信号处理电路的负极输出，接地；带通放大器与电源Vs正负极分别连接；带通放大器的输出端作为整个微弱信号处理电路的正极输出，并分流，一路与第五电阻和第二电容串联后接地，另外一路与第三电阻串联后反馈到带通放大器的负极输入，并且经过第二电阻接地。

其中，信号放大电路包括第一运算放大器；信号放大电路有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-；负极输入端IN-和负极输出端OUT-都接地；正极输入端IN+经过第六电阻之后分流，连至第一运算放大器的正极输入端；分流为三路，第一路经过第七电阻之后接地，第二路与第一稳压管的阳极连接，第一稳压管的阴极与第二稳压管的阴极相连，第二稳压管的阳极接地，第三路经过第三电容和第四电容之后接地；第一运算放大器与电源Vs的正负极相连接，作为整个信号放大器电路的正极输出的第一运算放大器输出端经过第九电阻之后反馈至第一运算放大器的负极输入端，并经过第八电阻接地。

其特征还在于，第三电容和第四电容为滤波电容；第八电阻为接地电阻，第九电阻为反馈电阻。

其中，信号隔离及标准信号转换电路包括隔离运算放大器、第二运算放大器和第三运算放大器；信号隔离及标准信号转换电路有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-；负极输入IN-和负极输出OUT—分别接地；正极输入IN+与隔离运算放大器的输入端直接连接，并且经过第五电容与电源Vs正极连接，经过第六电容与电源Vs负极连接，经过第七电容接地；隔离运算放大器的第一正极电源V1+与电源VS正极相连，第二正极电源V2+与电源Vs'正极相连，隔离运算放大器的第一负极电源V1-与电源Vs负极相连，第二负极电源V2-与电源Vs'负极相连，隔离运算放大器的第一接地端GND1和第二接地端GND2都分别接地；隔离运算放大器的输出端口直接连至第二运算放大器的正极输入端，经过第八电容之后接地，并且分流，一路经过第九电容连接至电源Vs'正极，另一路经过第十电容连接至电源Vs'负极；第二运算放大器与电源Vs'正负极分别相连，其输出端反馈至负极输入端，并直接连至第三运算放大器的正极输入端，并且分流，一路经过第十二电容接地，另一路经过第十二电阻连至第一滑动变阻器，并且经过第十一电容接地；第一滑动变阻器正极经过第十电阻连接至电源Vs'正极，第一滑动变阻器负极经过第十一电阻连接至电源Vs'负极；第三运算放大器与电源Vs'正负极分别相连，其输出端经过第二滑动变阻器和第十四电阻之后反馈至第三运算放大器负极输入端，再经过第十三电阻接地；作为整个信号隔离及标准信号转换电路正极输出的第三运算放大器输出端与第十三电容和第十四电容连接后接地。

其特征还在于，第一滑动变阻器为调零滑动电阻器，第二滑动变阻器为满度调节滑动电阻器。

本实用新型的有益效果是，解决了直拉法锗单晶的直径测量及信号处理，实现了锗单晶的等径自动控制。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图；

图2是微弱信号处理电路的电路图；

图3是信号放大电路的电路图；

图4是信号隔离及标准信号转换电路的电路图。

图中，1.采光系统，2.光电转换电路，3.微弱信号处理电路，4.信号放大电路，5.信号隔离及标准信号转换电路，101.低噪声抑制放大器，102.带通放大器，103.第一运算放大器，104.隔离运算放大器，105.第二运算放大器，106.第三运算放大器，201.第一电阻，202.第二电阻，203.第三电阻，204.第四电阻，205.第五电阻，206.第六电阻，207.第七电阻，208.第八电阻，209.第九电阻，210.第十电阻，211.第十一电阻，212.第十二电阻，213.第十三电阻，214.第十四电阻，301.第一电容，302.第二电容，303.第三电容，304.第四电容，305.第五电容，306.第六电容，307.第七电容，308.第八电容，309.第九电容，310.第十电容，311.第十一电容，312.第十二电容，313.第十三电容，314.第十四电容，401.第一稳压管，402.第二稳压管，231.第一滑动变阻器，232.第二滑动变阻器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型公开了一种直拉锗单晶的直径测量及信号处理系统，包括依次连接的采光系统1、光电转换电路2、微弱信号处理电路3、信号放大电路4和信号隔离及标准信号转换电路5；采光系统1采用接收温度波长为1.3微米的半导体锗做衬底的采光器件，将等径时的光环温度波长接收；且采光系统1包括光路；光电转换电路2用于将光环温度波长转换成电信号，由于光环周围液面温度波动较大，所以在采光镜头前安装了一个￠3～￠4的光栅来控制采光面积，在光学系统中采用了一个￠10的黑圈作为测量固液界面的采光面积，光圈在液面上时信号最小，与光环相切时微大些，压入光环逐渐变大直到1/2处最大，再多反而变小，一般使用时将光环压入1/3处；由于锗探测器接收信号较微弱且不线性，首先利用微弱信号处理电路3中的低噪声抑制放大器101和带通放大器102将电信号放大为毫伏（mV）级或伏（V）级信号；由于导线较长易被干扰，将信号再通过信号放大电路4再次放大，再通过信号隔离及标准信号转换电路5用于将再次放大的电信号隔离转换成0～10V的标准信号，作为等径控制的输入信号。

如图2所示的，微弱信号处理电路3有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-。低噪声抑制放大器101与Vs的电源正负极相连，其正极输入端与IN+相连，输出端电流反馈至负极输入；低噪声抑制放大器101输出端经过第一电阻201与第一电容301与带通放大器102的正极输入端相连接，并经过第四电阻204作为整个微弱信号处理电路3的负极输出，接地。带通放大器102与电源Vs正负极分别连接。带通放大器102的输出端作为整个微弱信号处理电路的正极输出，一路与第五电阻205和第二电容302串联后接地，另外一路与第三电阻203串联后反馈到带通放大器102的负极输入，并且经过第二电阻202接地。

微弱信号处理电路3的工作原理为：为了高精度、高速度检测出背景噪声覆盖的微弱信号，高质量的前置放大器使用了低噪声、双极性的低噪声抑制放大器101将输入信号IN进行处理，输出给带通放大器102将其放大为毫伏（mV）级或伏（V）级信号，作为下一级的输入信号。

如图3所示，信号放大电路4有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-。负极输入端IN-和负极输出端OUT-都接地。正极输入端IN+经过第六电阻206之后分流，连至第一运算放大器103的正极输入端，分流为三路，一路经过第七电阻207之后接地，第二路与第一稳压管401的阳极连接，第一稳压管401的阴极与第二稳压管402的阴极相连，第二稳压管402的阳极接地，第三路经过第三电容303和第四电容304之后接地。第一运算放大器103与电源Vs的正负极相连接，作为整个信号放大器电路4的正极输出的第一运算放大器103输出端经过第九电阻209之后反馈至第一运算放大器103的负极输入端，并经过第八电阻208之后接地。

信号放大电路4的工作原理为：为了减少干扰，将信号再次放大。输入信号IN经过输入第六电阻206输入给第一运算放大器103，经过信号放大后输出给下一级作为输入信号；其中设置第一稳压管401和第二稳压管402是为了防止输入信号过大造成第一运算放大器103饱和；第三电容303和第四电容304为滤波电容；第八电阻208为接地电阻，第九电阻209为反馈电阻，选择合适的电阻可以调节电路的放大倍数，使之满足需要。

如图4所示，信号隔离及标准信号转换电路5有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-。负极输入IN-和负极输出OUT-都接地。正极输入IN+与隔离运算放大器104的输入端直接连接，并且经过第五电容305与电源Vs正极连接，经过第六电容306与电源Vs的负极连接，经过第七电容307接地。隔离运算放大器104的第一正极电源V1+与电源Vs正极相连，第二正极电源V2+与电源Vs'正极相连，隔离运算放大器104的第一负极电源V1-与电源VS负极相连，第二负极电源V2-与电源Vs'负极相连，第一接地端GND1和第二接地端GND2都分别接地。隔离运算放大器104的输出端口直接连至第二运算放大器105的正极输入端，经过第八电容308之后接地，并且分流，一路经过第九电容309连接至电源Vs'正极，另一路经过第十电容310连接至电源Vs'负极。第二运算放大器105与电源VS'正负极分别相连，其输出端反馈至负极输入端，直接连至第三运算放大器106的正极输入端，并且分流，一路经过第十二电容312接地，另一路经过第十二电阻212连至第一滑动变阻器231，并且经过第十一电容311接地。第一滑动变阻器231正极经过第十电阻210连接至电源VS'正极，第一滑动变阻器231负极经过第十一电阻211连接至电源Vs'负极。第三运算放大器106与电源Vs'正负极分别相连，其输出端经过第二滑动变阻器232和第十四电阻214之后反馈至第三运算放大器106负极输入端，再经过第十三电阻213接地。作为整个信号隔离及标准信号转换电路5正极输出的第三运算放大器106输出端与第十三电容313和第十四电容314连接后接地。

信号隔离及标准信号转换电路5的工作原理为：为了使信号前后隔离，输入信号IN经隔离运算放大器104隔离后，通过一个接成射极跟随的第二运算放大器105输出给第三运算放大器106的输入，经第三运算放大器106放大后由第十三电容313和第十四电容314滤波后输出0～10V的标准信号；其中第一滑动变阻器231为调零滑动电阻器，第二滑动变阻器232为满度调节滑动电阻器。

Claims (6)

1.一种直拉锗单晶的直径测量及信号处理系统，其特征在于：包括依次连接的采光系统（1）、光电转换电路（2）、微弱信号处理电路（3）、信号放大电路（4）和信号隔离及标准信号转换电路（5）；采光系统（1）用于接收等径时锗单晶固液界面光环的温度波长；光电转换电路（2）用于将光环温度波长转换成电信号；微弱信号处理电路（3）用于将电信号放大为毫伏级或伏级信号；信号放大电路（4）用于将放大后的电信号再次放大；信号隔离及标准信号转换电路（5）用于将再次放大的电信号转换成0～10V的标准信号，作为等径控制的输入信号。

2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述的微弱信号处理电路（3）包括低噪声抑制放大器（101）和带通放大器（102）；微弱信号处理电路（3）有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-；低噪声抑制放大器（101）与VS的电源正负极相连，其正极输入端与IN+相连，输出端电流反馈至负极输入；低噪声抑制放大器（101）输出端经过第一电阻（201）和第一电容（301）与带通放大器（102）的正极输入端连接，并经过第四电阻（204）作为整个微弱信号处理电路（3）的负极输出，接地；带通放大器（102）与电源Vs正负极分别连接；带通放大器（102）的输出端作为整个微弱信号处理电路（3）的正极输出，并分流，一路与第五电阻（205）和第二电容（302）串联后接地，另外一路与第三电阻（203）串联后反馈到带通放大器（102）的负极输入，并且经过第二电阻（202）接地。

3.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述的信号放大电路（4）包括第一运算放大器（103）；信号放大电路（4）有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-；负极输入端IN-和负极输出端OUT-都接地；正极输入端IN+经过第六电阻（206）之后分流，连至第一运算放大器（103）的正极输入端；分流为三路，第一路经过第七电阻（207）之后接地，第二路与第一稳压管（401）的阳极连接，第一稳压管（401）的阴极与第二稳压管（402）的阴极相连，第二稳压管（402）的阳极接地，第三路经过第三电容（303）和第四电容（304）之后接地；第一运算放大器（103）与电源Vs的正负极相连接，作为整个信号放大器电路（4）的正极输出的第一运算放大器（103）输出端经过第九电阻（209）之后反馈至第一运算放大器（103）的负极输入端，并经过第八电阻（208）接地。

4.根据权利要求3所述的处理系统，其特征在于：第三电容（303）和第四电容（304）为滤波电容；第八电阻（208）为接地电阻，第九电阻（209）为反馈电阻。

5.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于：所述的信号隔离及标准信号转换电路（5）包括隔离运算放大器（104）、第二运算放大器（105）和第三运算放大器（106）；信号隔离及标准信号转换电路（5）有两个输入端口和两个输出端口，分别为正极输入端IN+，负极输入端IN-，以及正极输出端OUT+和负极输出端OUT-；负极输入IN-和负极输出OUT—分别接地；正极输入IN+与隔离运算放大器（104）的输入端直接连接，并且经过第五电容（305）与电源Vs正极连接，经过第六电容（306）与电源Vs负极连接，经过第七电容（307）接地；隔离运算放大器（104）的第一正极电源V1+与电源VS正极相连，第二正极电源V2+与电源Vs'正极相连，隔离运算放大器（104）的第一负极电源V1-与电源Vs负极相连，第二负极电源V2-与电源Vs'负极相连，隔离运算放大器（104）的第一接地端GND1和第二接地端GND2都分别接地；隔离运算放大器（104）的输出端口直接连至第二运算放大器（105）的正极输入端，经过第八电容（308）之后接地，并且分流，一路经过第九电容（309）连接至电源Vs'正极，另一路经过第十电容（310）连接至电源Vs'负极；第二运算放大器（105）与电源Vs'正负极分别相连，其输出端反馈至负极输入端，并直接连至第三运算放大器（106）的正极输入端，并且分流，一路经过第十二电容（312）接地，另一路经过第十二电阻（212）连至第一滑动变阻器（231），并且经过第十一电容（311）接地；第一滑动变阻器（231）正极经过第十电阻（210）连接至电源Vs'正极，第一滑动变阻器（231）负极经过第十一电阻（211）连接至电源Vs'负极；第三运算放大器（106）与电源Vs'正负极分别相连，其输出端经过第二滑动变阻器（232）和第十四电阻（214）之后反馈至第三运算放大器（106）负极输入端，再经过第十三电阻（213）接地；作为整个信号隔离及标准信号转换电路（5）正极输出的第三运算放大器（106）输出端与第十三电容（313）和第十四电容（314）连接后接地。

6.根据权利要求5所述的处理系统，其特征在于：所述的第一滑动变阻器（231）为调零滑动电阻器，第二滑动变阻器（232）为满度调节滑动电阻器。

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