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JP5371052B2 - High frequency power supply - Google Patents
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JP5371052B2 - High frequency power supply - Google Patents

High frequency power supply

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JP5371052B2 JP2010084370A JP2010084370A JP5371052B2 JP 5371052 B2 JP5371052 B2 JP 5371052B2 JP 2010084370 A JP2010084370 A JP 2010084370A JP 2010084370 A JP2010084370 A JP 2010084370A JP 5371052 B2 JP5371052 B2 JP 5371052B2
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Description

本発明は、プラズマ処理装置等の負荷に供給する高周波電力を発生する高周波電源装置に関するものである。   The present invention relates to a high frequency power supply device that generates high frequency power to be supplied to a load such as a plasma processing apparatus.

半導体への微細加工を行なうプラズマ処理装置などの負荷に電力を供給するために、高周波電源装置が用いられている。図5は高周波電源装置の基本的な構成を示したもので、同図において、1は高周波信号を発生する高周波発生部、2は高周波発生部1から得られる高周波信号を増幅する電力増幅部、3は電力増幅部の出力の一部を分波して進行波電力の情報を含む進行波検出信号を出力する高周波検出部である。また4は高周波検出部から得られる進行波検出信号から不要な周波数成分を除去するフィルタ、5はフィルタ4の出力を検波して進行波検出信号のレベルを検出するレベル検出部、6はレベル検出部4により検出された進行波検出信号のレベルとレベル設定部7により設定された設定レベルとの比較演算を行って、その演算結果に基づいて、電力増幅部2から出力される進行波電力を設定値に保つように、高周波発生部1の出力レベルを制御するレベル制御部である。   In order to supply electric power to a load such as a plasma processing apparatus that performs microfabrication on a semiconductor, a high frequency power supply apparatus is used. FIG. 5 shows a basic configuration of a high-frequency power supply apparatus. In FIG. 5, 1 is a high-frequency generator that generates a high-frequency signal, 2 is a power amplifier that amplifies a high-frequency signal obtained from the high-frequency generator 1, Reference numeral 3 denotes a high-frequency detection unit that demultiplexes a part of the output of the power amplification unit and outputs a traveling wave detection signal including traveling wave power information. 4 is a filter for removing unnecessary frequency components from the traveling wave detection signal obtained from the high frequency detection unit, 5 is a level detection unit for detecting the output of the filter 4 to detect the level of the traveling wave detection signal, and 6 is a level detection unit. The comparison of the level of the traveling wave detection signal detected by the unit 4 and the set level set by the level setting unit 7 is performed, and the traveling wave power output from the power amplification unit 2 is calculated based on the calculation result. It is a level control unit that controls the output level of the high frequency generator 1 so as to keep the set value.

この高周波電源装置においては、高周波検出部3、レベル検出部5、レベル設定部7及びレベル制御部6により、電力増幅部2から負荷に与えられる進行波電力を設定値に保つように高周波発生部1の出力レベルを制御するALC制御(Auto Level Control)を行う制御部が構成されている。この種の電源装置は、例えば、特許文献1ないし3に示されている。   In this high frequency power supply device, the high frequency generation unit 3, the level detection unit 5, the level setting unit 7, and the level control unit 6 maintain the traveling wave power applied from the power amplification unit 2 to the load at a set value so as to maintain the set value. A control unit that performs ALC control (Auto Level Control) for controlling the output level of 1 is configured. This type of power supply device is disclosed in Patent Documents 1 to 3, for example.

この種の高周波電源装置においては、高周波電力が高い純度を有している(不要な周波数成分を含まない)ことが要求される。そのため、高周波発生部1から電力増幅部2の出力段に至るまでの各ステージに各種の高周波フィルタを配置して、電力増幅部で発生する不要な周波数成分(スプリアス成分)を除去している。電力増幅部2の出力側には、該増幅部から負荷に与える電力から高調波成分を除去するためのローパスフィルタが設けられている。また高周波電源装置の出力と負荷との間にインピーダンス整合装置を設けて、定常状態にある負荷に対してインピーダンスの整合をとることにより、負荷で反射波電力が発生するのを防いでいる。従って、負荷が定常状態にあるときには、電力増幅部2から負荷に与えられる進行波電力のレベルが安定に保たれ、負荷で反射されて高周波電力増幅部に戻る反射波電力は最小となっている。   In this type of high-frequency power supply device, it is required that the high-frequency power has high purity (does not contain unnecessary frequency components). Therefore, various high frequency filters are arranged in each stage from the high frequency generator 1 to the output stage of the power amplifier 2 to remove unnecessary frequency components (spurious components) generated in the power amplifier. On the output side of the power amplifying unit 2, a low-pass filter is provided for removing harmonic components from the power supplied from the amplifying unit to the load. Further, an impedance matching device is provided between the output of the high-frequency power supply device and the load, and impedance matching is performed with respect to the load in a steady state, thereby preventing reflected wave power from being generated in the load. Therefore, when the load is in a steady state, the level of traveling wave power given from the power amplifier 2 to the load is kept stable, and the reflected wave power reflected by the load and returning to the high frequency power amplifier is minimum. .

しかしながら、プラズマ処理装置などの負荷の起動時には、負荷のインピーダンスが非線形の状態にあって、高速で変動するため、整合装置の整合動作が追いつかず、不整合状態が生じて、負荷を節として反射波が発生する。更に負荷の内部では、その非線形性に起因して生じる周波数混合作用により、種々の新しい周波数成分がスプリアス成分として発生し、これらのスプリアス成分が反射波に重畳する。スプリアス成分が重畳した反射波電力は整合装置内を逆流し、該反射波電力のうち、高周波電力増幅部の出力側に設けられたローパスフィルタを通過し得る成分(主として基本周波数成分)が電力増幅部の出力段まで戻ってくる。この場合、電力増幅部から負荷に与えられる電力(負荷側電力)は、電力増幅部の出力側で検出した進行波電力から反射波電力を差し引いた電力となる。   However, when starting up a load such as a plasma processing apparatus, the impedance of the load is in a non-linear state and fluctuates at a high speed. Therefore, the matching operation of the matching device cannot catch up, causing a mismatch state and reflecting the load as a node. A wave is generated. Further, inside the load, various new frequency components are generated as spurious components due to the frequency mixing effect caused by the nonlinearity, and these spurious components are superimposed on the reflected wave. The reflected wave power on which the spurious component is superimposed flows backward in the matching device, and the component (mainly the fundamental frequency component) that can pass through the low-pass filter provided on the output side of the high-frequency power amplifier is the power amplification. Return to the output stage. In this case, the power (load side power) given from the power amplification unit to the load is the power obtained by subtracting the reflected wave power from the traveling wave power detected on the output side of the power amplification unit.

また、プラズマ処理装置においては、図6に示すように、2つの高周波電源装置からプラズマ発生装置の電極に出力周波数が異なる2種類の高周波電力が同時に与えられることがある。図6において、11は第1の高周波電源装置、12は第1の高周波電源装置の出力周波数よりも周波数が低い高周波電力を出力する第2の高周波電源装置である。第1の高周波電源装置11及び第2の高周波電源装置12の出力はそれぞれ第1の整合装置13及び第2の整合装置14を通してプラズマ処理装置等の負荷15に供給されている。   In the plasma processing apparatus, as shown in FIG. 6, two types of high frequency powers having different output frequencies may be simultaneously applied from two high frequency power supply apparatuses to the electrodes of the plasma generation apparatus. In FIG. 6, 11 is a first high-frequency power supply device, and 12 is a second high-frequency power supply device that outputs high-frequency power having a frequency lower than the output frequency of the first high-frequency power supply device. Outputs of the first high-frequency power supply device 11 and the second high-frequency power supply device 12 are supplied to a load 15 such as a plasma processing apparatus through a first matching device 13 and a second matching device 14, respectively.

第1の高周波電源装置11から負荷5に与えられる高周波電力は、プラズマ発生用の高周波電力であり、第2の高周波電源装置12から負荷15に与えられる高周波電力は、プラズマ中のイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力である。通常、プラズマ発生用の高周波電力の周波数は十数MHzないし数十MHz程度の高い周波数を有し、バイアス用の高周波電力の周波数は数百KHzないし数MHz程度の比較的低い周波数を有している。   The high-frequency power given from the first high-frequency power supply device 11 to the load 5 is high-frequency power for plasma generation, and the high-frequency power given from the second high-frequency power supply device 12 to the load 15 draws ions in the plasma. This is high frequency power for bias. Usually, the frequency of the high frequency power for plasma generation has a high frequency of about several tens of MHz to several tens of MHz, and the frequency of the high frequency power for bias has a relatively low frequency of about several hundred KHz to several MHz. Yes.

このようなシステムでは、負荷のインピーダンスが複雑に変化するため、インピーダンス整合器によってインピーダンスの整合を完全にとることができず、負荷で反射波が発生するのを避けることができない。この場合、負荷から第1の高周波電源装置11の増幅部側に戻ってくる反射波には、第2の高周波電源装置12の基本周波数成分とその近辺のスプリアス周波数成分とが含まれている。第2の高周波電源装置12の基本周波数は、第1の高周波電源装置11の基本周波数よりも低いため、負荷15から第1の高周波電源装置11側に向かう反射波中のスプリアス成分は、第1の高周波電源装置11の出力側に設けられているローパスフィルタを通過して、第1の高周波電源装置の増幅部に到達してしまう。また第2の高周波電源装置12から第1の高周波電源装置11の電力増幅部に到達するスプリアス成分と第1の高周波電源装置11の出力とが混合されるため、第1の高周波電源装置11から負荷に向かう進行波電力にもスプリアス成分が含まれることになる。   In such a system, since the impedance of the load changes in a complicated manner, impedance matching cannot be completely achieved by the impedance matching unit, and generation of a reflected wave in the load cannot be avoided. In this case, the reflected wave returning from the load to the amplification unit side of the first high-frequency power supply device 11 includes the fundamental frequency component of the second high-frequency power supply device 12 and the spurious frequency component in the vicinity thereof. Since the fundamental frequency of the second high-frequency power supply device 12 is lower than the fundamental frequency of the first high-frequency power supply device 11, the spurious component in the reflected wave from the load 15 toward the first high-frequency power supply device 11 is the first. Passes through the low-pass filter provided on the output side of the high frequency power supply device 11 and reaches the amplifying unit of the first high frequency power supply device. In addition, since the spurious component reaching the power amplification unit of the first high frequency power supply device 11 from the second high frequency power supply device 12 and the output of the first high frequency power supply device 11 are mixed, the first high frequency power supply device 11 Spurious components are also included in the traveling wave power toward the load.

一例として、プラズマ発生用の第1の高周波電源装置1の出力周波数が50MHz、バイアス用の第2の高周波電源装置2の出力周波数が2MHzである場合について、第1の高周波電源装置1から負荷に向かう進行波電力の基本周波数成分(50MHz)付近の周波数スペクトラム及び反射波電力の基本周波数成分(50MHz)付近の周波数スペクトラムを模式的に示すとそれぞれ図7及び図8のようになる。なお図8においては、便宜上縦軸のスケールを図7の縦軸のスケールと同じにしているが、実際には反射波電力のレベルの方が進行波電力のレベルよりも低くなる。   As an example, when the output frequency of the first high frequency power supply device 1 for generating plasma is 50 MHz and the output frequency of the second high frequency power supply device 2 for biasing is 2 MHz, the first high frequency power supply device 1 supplies a load. FIG. 7 and FIG. 8 schematically show the frequency spectrum in the vicinity of the fundamental frequency component (50 MHz) of the traveling wave power and the frequency spectrum in the vicinity of the fundamental frequency component (50 MHz) of the reflected wave power, respectively. In FIG. 8, the scale of the vertical axis is the same as the scale of the vertical axis of FIG. 7 for the sake of convenience, but the level of the reflected wave power is actually lower than the level of the traveling wave power.

上記のように、電力増幅部2の出力側にスプリアス成分が重畳した反射波電力が戻ってくる状態では、高周波検出部3から得られる検出信号にもスプリアス成分が含まれる。検出信号にスプリアス成分が含まれていると、レベル検出部で進行波検出信号のレベル検出を正確に行うことができず、高周波発生部1の出力のALC制御を正確に行うことができない。そのため、レベル検出部5の前段にフィルタ4を挿入して、レベル検出部5に入力する信号からスプリアス成分を除去する必要がある。   As described above, when the reflected wave power with the spurious component superimposed on the output side of the power amplifying unit 2 returns, the detection signal obtained from the high frequency detecting unit 3 also includes the spurious component. If a spurious component is included in the detection signal, the level detection unit cannot accurately detect the level of the traveling wave detection signal, and the ALC control of the output of the high frequency generator 1 cannot be performed accurately. For this reason, it is necessary to insert the filter 4 before the level detection unit 5 to remove spurious components from the signal input to the level detection unit 5.

なお通常「スプリアス」という語は、基本周波数の前後に現れる不要周波数と、各高調波周波数の前後に現れる不要周波数とを指す意味で用いられることが多いが、本明細書においては、説明の便宜上、負荷に供給する周波数成分としては不要な周波数成分(通常は基本周波数成分以外の成分)のすべてをスプリアス成分と呼ぶ。   In general, the term “spurious” is often used to mean an unnecessary frequency that appears before and after the fundamental frequency and an unnecessary frequency that appears before and after each harmonic frequency. However, in this specification, for convenience of explanation. All of the unnecessary frequency components (usually components other than the fundamental frequency component) that are unnecessary as frequency components supplied to the load are called spurious components.

上記のように、検出信号にスプリアス成分が含まれていると、レベル検出部5で進行波検出信号のレベル検出を正確に行うことができず、高周波発生部1の出力のALC制御を正確に行うことができない。このような場合、例えば特許文献4に開示されているような周波数変換方式のフィルタリングによって、スプリアス成分を除去すればよい。なお、特許文献4では、反射波電力に対するスプリアスを除去する方法が開示されているが、これを進行波電力に適用すればよい。   As described above, if a spurious component is included in the detection signal, the level detection unit 5 cannot accurately detect the level of the traveling wave detection signal, and the ALC control of the output of the high frequency generation unit 1 can be performed accurately. I can't do it. In such a case, the spurious component may be removed by, for example, frequency conversion filtering as disclosed in Patent Document 4. Note that Patent Document 4 discloses a method for removing spurious noise from reflected wave power, but this may be applied to traveling wave power.

図9は、周波数変換方式のフィルタリングによって、進行波電力のスプリアス成分を除去する従来の高周波電源装置の構成例である。
この図9に示す高周波電源装置は、第1の高周波発生部21、電力増幅部22、高周波検出部23、第2の高周波発生部24、乗算部25、フィルタ26、差周波数信号レベル検出部27、レベル設定部28、レベル制御部29、水晶発振器31、32、33によって構成されている。
FIG. 9 is a configuration example of a conventional high-frequency power supply device that removes spurious components of traveling wave power by frequency conversion filtering.
The high frequency power supply device shown in FIG. 9 includes a first high frequency generator 21, a power amplifier 22, a high frequency detector 23, a second high frequency generator 24, a multiplier 25, a filter 26, and a difference frequency signal level detector 27. , A level setting unit 28, a level control unit 29, and crystal oscillators 31, 32, and 33.

なお、水晶発振器は、内部に水晶振動子を備えており、所望の出力周波数を得るために、例えば周波数逓倍や周波数分周を行うように構成されたものである。そして、第1の高周波発生部21及び第2の高周波発生部24等では、この水晶発振器の出力信号を基準クロック信号としている。この例では、水晶発振器31から出力される基準クロック信号の周波数が50MHzであり、水晶発振器32から出力される基準クロック信号の周波数が49.5MHzである。   The crystal oscillator includes a crystal resonator inside, and is configured to perform frequency multiplication or frequency division, for example, in order to obtain a desired output frequency. In the first high-frequency generator 21 and the second high-frequency generator 24, the output signal of this crystal oscillator is used as a reference clock signal. In this example, the frequency of the reference clock signal output from the crystal oscillator 31 is 50 MHz, and the frequency of the reference clock signal output from the crystal oscillator 32 is 49.5 MHz.

第1の高周波発生部21は、水晶発振器31から出力される基準クロック信号を増幅して出力するように構成されている。第1の高周波発生部21の出力周波数は、50MHzとなる。また、第2の高周波発生部24は、水晶発振器32から出力される基準クロック信号を増幅して出力するように構成されている。第2の高周波発生部24の出力周波数は、49.5MHzとなる。   The first high frequency generator 21 is configured to amplify and output the reference clock signal output from the crystal oscillator 31. The output frequency of the first high frequency generator 21 is 50 MHz. The second high frequency generator 24 is configured to amplify and output the reference clock signal output from the crystal oscillator 32. The output frequency of the second high frequency generator 24 is 49.5 MHz.

第1の高周波発生部21から出力された高周波信号(50MHz)は、電力増幅部22で増幅され、高周波検出部23によって進行波電力の情報を含む進行波検出信号が検出される。この進行波検出信号と、第2の高周波発生部24から出力された高周波信号(49.5MHz)が、乗算部25に入力される。すなわち、第1の高周波発生部21の出力周波数と第2の高周波発生部24の出力周波数とは、0.5MHzの差周波数を有する。   The high frequency signal (50 MHz) output from the first high frequency generation unit 21 is amplified by the power amplification unit 22, and the traveling wave detection signal including the traveling wave power information is detected by the high frequency detection unit 23. The traveling wave detection signal and the high frequency signal (49.5 MHz) output from the second high frequency generation unit 24 are input to the multiplication unit 25. That is, the output frequency of the first high frequency generator 21 and the output frequency of the second high frequency generator 24 have a difference frequency of 0.5 MHz.

周知のように、乗算部で2つの信号を乗算すると、2つの信号の周波数の差の周波数成分だけでなく、2つの信号の周波数の和の周波数成分を含む信号が得られる。例えば図6に示したシステムにおいて、第1の高周波電源装置11の基本周波数(第1の高周波信号S1の周波数f1)を50MHz、第2の高周波電源装置12の基本周波数を2MHzとした場合について見ると、高周波電源装置11の出力端子には、出力伝送系を通して、基本周波数50MHzの近傍にスプリアス成分として46,48,52,54MHzなどの成分が流入してくる。この場合、第2の高周波発生部24の出力周波数(第2の高周波信号S2の周波数f2)を49.5MHzに設定して、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHz、和周波数は99.5MHzとなる。同様に上記のスプリアス成分に対する差周波数は3.5,1.5,2.5,4.5MHzになり、和周波数は95.5,97.5,101.5, 103.5MHzとなる。   As is well known, when two signals are multiplied by the multiplication unit, a signal including not only the frequency component of the frequency difference between the two signals but also the frequency component of the sum of the frequencies of the two signals is obtained. For example, in the system shown in FIG. 6, the case where the basic frequency of the first high-frequency power supply device 11 (the frequency f1 of the first high-frequency signal S1) is 50 MHz and the basic frequency of the second high-frequency power supply device 12 is 2 MHz. Then, components such as 46, 48, 52, and 54 MHz as spurious components flow into the vicinity of the fundamental frequency of 50 MHz through the output transmission system to the output terminal of the high frequency power supply device 11. In this case, the output frequency of the second high frequency generator 24 (frequency f2 of the second high frequency signal S2) is set to 49.5 MHz, the difference frequency from the basic frequency 50 MHz is 0.5 MHz, and the sum frequency is 99.5 MHz. Similarly, the difference frequencies for the above spurious components are 3.5, 1.5, 2.5, and 4.5 MHz, and the sum frequencies are 95.5, 97.5, 101.5, and 103.5 MHz.

したがって、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を通し、スプリアス成分の差周波数以上の周波数成分を除去するフィルタ26(例えば、カットオフ周波数が1MHzの特性を有するもの)を用いれば、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を精度良く抽出できる。   Therefore, if a filter 26 that passes a component having a difference frequency of 0.5 MHz with respect to the fundamental frequency and removes a frequency component that is equal to or higher than the difference frequency of the spurious component (for example, a filter having a characteristic with a cutoff frequency of 1 MHz) is used. The component of frequency 0.5MHz can be extracted with high accuracy.

その後、フィルタ26により抽出された信号のレベルが差周波数信号レベル検出部27によって検出される。そして、レベル制御部29において、その検出レベルが、レベル設定部28により設定された設定レベルと比較演算され、検出レベルが、設定レベルに近づくように第1の高周波発生部21に振幅指令が与えられる。   Thereafter, the level of the signal extracted by the filter 26 is detected by the difference frequency signal level detection unit 27. The level control unit 29 compares the detected level with the set level set by the level setting unit 28, and gives an amplitude command to the first high frequency generator 21 so that the detected level approaches the set level. It is done.

すなわち、周波数変換方式のフィルタリングによって、スプリアス成分を除去できるので、検出信号にスプリアス成分が含まれていることに起因して発生する、出力のALC制御を正確に行うことができないという問題を改善できる。   That is, since the spurious component can be removed by frequency conversion filtering, it is possible to improve the problem that the output ALC control, which is caused by the spurious component being included in the detection signal, cannot be performed accurately. .

特開平5−63627号公報JP-A-5-63627 特開平6−6144号公報JP-A-6-6144 特開平11−233294号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-233294 特開2008−276966号公報JP 2008-276966 A

上記の構成において、フィルタ26、差周波数レベル検出部27、第1のレベル制御部29等をデジタル回路で構成することができる。デジタル回路は、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array)のような、内部の論理回路を適宜に定義、変更し得るゲートアレイを用いることにより容易に構成することができる。この場合、デジタル回路(例えばFPGA)にも外部の水晶発振器33から基準クロック信号(例えば100MHzの信号)が与えられ、デジタル回路では、この基準クロック信号の周波数を基準クロックとして各種処理を行う。多くの場合、基準クロック信号の周波数がデジタル回路におけるサンプリング周波数となる。   In the above configuration, the filter 26, the difference frequency level detection unit 27, the first level control unit 29, and the like can be configured by digital circuits. The digital circuit can be easily configured by using a gate array such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) that can appropriately define and change an internal logic circuit. In this case, a digital clock (for example, FPGA) is also supplied with a reference clock signal (for example, a signal of 100 MHz) from the external crystal oscillator 33, and the digital circuit performs various processes using the frequency of the reference clock signal as a reference clock. In many cases, the frequency of the reference clock signal is the sampling frequency in the digital circuit.

ところが、水晶発振器の出力周波数には、部品のばらつきや、電圧、温度の変化等に起因して個別の誤差がある。そのため、上述したように、各高周波発生部や信号処理を行うデジタル回路に個別の水晶発振器を用いていると、デジタル回路における信号処理結果に誤差が生じてしまう。   However, the output frequency of the crystal oscillator has individual errors due to variations in parts, changes in voltage, temperature, and the like. For this reason, as described above, if individual crystal oscillators are used for each high-frequency generator and the digital circuit that performs signal processing, an error occurs in the signal processing result in the digital circuit.

すなわち、デジタル回路では、「入力周波数/サンプリング周波数」で入力信号の正規化を行っているため、「入力周波数」及び「サンプリング周波数」に生じる誤差が同じ割合でないと誤差の有る/無しで「入力周波数/サンプリング周波数」の値が異なる。その結果、デジタル回路における信号処理結果に誤差が生じてしまう。なお、本明細書では、「入力周波数/サンプリング周波数」で表される数値を「正規化周波数」という。   That is, in the digital circuit, since the input signal is normalized by “input frequency / sampling frequency”, if the errors occurring in “input frequency” and “sampling frequency” are not in the same ratio, “input” with / without error The value of “frequency / sampling frequency” is different. As a result, an error occurs in the signal processing result in the digital circuit. In the present specification, a numerical value represented by “input frequency / sampling frequency” is referred to as “normalized frequency”.

例えば、水晶発振器31の出力周波数に、α倍の誤差(誤差が+1%のときは、α=1.01)があり、水晶発振器32の出力周波数に、β倍の誤差(誤差が+1%のときは、β=1.01)があり、水晶発振器33の出力周波数に、γ倍の誤差(誤差が+1%のときは、γ=1.01)があるとする。   For example, the output frequency of the crystal oscillator 31 has an error of α times (α = 1.01 when the error is + 1%), and the output frequency of the crystal oscillator 32 has an error of β times (an error of + 1%). , Β = 1.01), and the output frequency of the crystal oscillator 33 has a γ-fold error (γ = 1.01 when the error is + 1%).

この場合、第1の高周波発生部の出力周波数は、水晶発振器31の出力周波数の誤差と同じだけ誤差が含まれるので、50×αMHzとなる。同様に、第2の高周波発生部の出力周波数は、水晶発振器32の出力周波数の誤差と同じだけ誤差が含まれるので、49.5×βMHzとなる。そのため、乗算部25を通過する差周波数は、50×α−49.5×β[MHz]となる。この周波数が、フィルタ26の入力周波数となる。   In this case, the output frequency of the first high frequency generator includes the same error as the error of the output frequency of the crystal oscillator 31, and thus is 50 × α MHz. Similarly, the output frequency of the second high frequency generator includes 49.5 × β MHz because the same error as the output frequency error of the crystal oscillator 32 is included. Therefore, the difference frequency passing through the multiplier 25 is 50 × α−49.5 × β [MHz]. This frequency becomes the input frequency of the filter 26.

また、デジタル回路用の基準クロック信号の周波数は100×γMHzであるので、デジタル回路のサンプリング周波数も、100×γMHzである。   Further, since the frequency of the reference clock signal for the digital circuit is 100 × γ MHz, the sampling frequency of the digital circuit is also 100 × γ MHz.

ここで、フィルタ26をデジタルフィルタ(デジタル回路)として構成すると、フィルタ26では、100×γMHzのサンプリング周波数で信号処理することになる。そのため、正規化周波数は、「入力周波数/サンプリング周波数」=(50×α−49.5×β)/100×γとなる。   If the filter 26 is configured as a digital filter (digital circuit), the filter 26 performs signal processing at a sampling frequency of 100 × γ MHz. Therefore, the normalized frequency is “input frequency / sampling frequency” = (50 × α−49.5 × β) / 100 × γ.

これに対して、各水晶発振器の出力周波数に誤差が無い場合は、α=β=γ=1であるので、正規化周波数は、0.005となる。すなわち、各水晶発振器の出力周波数に誤差が生じると、正規化周波数は0.005よりもずれた値になってしまう。   On the other hand, when there is no error in the output frequency of each crystal oscillator, α = β = γ = 1, so the normalized frequency is 0.005. That is, if an error occurs in the output frequency of each crystal oscillator, the normalized frequency becomes a value deviating from 0.005.

そのため、例えば、フィルタ26が、フィルタ通過周波数帯域の非常に狭いバンドバスフィルタであれば、正規化周波数が0.005のときに、信号レベルが減衰することなく(または殆ど減衰することなく)デジタルバンドパスフィルタを通過するように設計される。そうなると、正規化周波数が0.005から少しずれてしまうだけで、信号レベルが大きく減衰してしまう。   Therefore, for example, if the filter 26 is a band-pass filter having a very narrow filter pass frequency band, the signal level is not attenuated (or hardly attenuated) when the normalized frequency is 0.005. Designed to pass through a bandpass filter. In this case, the signal level is greatly attenuated by merely shifting the normalized frequency slightly from 0.005.

差周波数レベル検出部27では、フィルタ26から出力される差周波数信号の出力信号のレベルを検出するが、差周波数レベル検出部27においても、「入力周波数/サンプリング周波数」によって正規化された信号が処理される。そのため、フィルタ26をデジタルフィルタ(デジタル回路)として構成した場合と同様に、正規化周波数のずれに起因する問題が生じる。   The difference frequency level detection unit 27 detects the level of the output signal of the difference frequency signal output from the filter 26. The difference frequency level detection unit 27 also detects a signal normalized by “input frequency / sampling frequency”. It is processed. For this reason, as in the case where the filter 26 is configured as a digital filter (digital circuit), there arises a problem due to the deviation of the normalized frequency.

しかも、上述したように、水晶発振器の出力周波数には、部品のばらつきや、電圧、温度の変化等に起因して個別の誤差があるので、上記のα、β、γは、一定ではなく、個々の水晶発振器によって異なる。すなわち、デジタル回路における信号処理結果(演算結果)に誤差が生じてしまうだけでなく、その誤差にはばらつきがあるので、校正も難しい。
その結果、進行波電力の検出信号の検出精度が低下するので、進行波電力の制御精度が低下してしまう。
Moreover, as described above, the output frequency of the crystal oscillator has individual errors due to variations in parts, changes in voltage, temperature, etc., so the above α, β, γ are not constant, It depends on the individual crystal oscillator. That is, not only does an error occur in the signal processing result (calculation result) in the digital circuit, but also the error varies, and calibration is difficult.
As a result, since the detection accuracy of the traveling wave power detection signal is lowered, the traveling wave power control accuracy is lowered.

なお、図示していないが、反射波電力を検出する場合は、進行波電力と同様に、乗算部等を設けて、周波数変換方式のフィルタリングによって検出すればよい。しかし、その場合も進行波電力の場合と同様に、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じる。   Although not shown, when the reflected wave power is detected, a multiplication unit or the like may be provided in the same manner as the traveling wave power and detected by frequency conversion type filtering. However, as in the case of traveling wave power, a problem due to an error in the output frequency of the crystal oscillator occurs.

本発明の目的は、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a high frequency power supply apparatus that can perform power control with high accuracy even if there is an error in the output frequency of a crystal oscillator that generates a reference clock.

第1の発明によって提供される高周波電源装置は、
単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第1の高周波信号及び第2の高周波信号をそれぞれ発生する第1及び第2の高周波発生部と、
前記第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第1及び第2の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第1の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第2の高周波信号とを乗算して、前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部と、
前記乗算部の出力から前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部と、
前記差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように前記第1の高周波発生部に前記振幅レベル指令を与えるレベル制御部と、
を備えたことを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the first invention is
A reference clock generation unit that generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator;
The reference clock signal generated by the reference clock generation unit is used to generate a high-frequency signal having an output frequency commanded by a frequency command and an output amplitude level commanded by an amplitude level command. First and second high frequency generators for generating different first high frequency signals and second high frequency signals, respectively;
A frequency command unit that gives the frequency command to the first and second high frequency generation units so as to keep a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal constant;
A power amplifier for amplifying the first high-frequency signal;
A high frequency detection unit for detecting a traveling wave detection signal including information on traveling wave power from the power amplification unit toward the load;
Multiplying the traveling wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit and the second high-frequency signal includes a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A multiplier for obtaining a signal;
A filter that extracts a difference frequency signal having a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal from the output of the multiplier;
A difference frequency signal level detection unit for detecting a level of the difference frequency signal extracted by the filter;
The first high-frequency generation is performed so that the level detected by the difference frequency signal level detection unit is compared with a set level and the traveling wave power from the power amplification unit to the load is maintained at a set value based on the calculation result. A level control unit for giving the amplitude level command to the unit;
It is characterized by having.

第2の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第2の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第2の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第2の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第2の高周波発生部に振幅指令を与える第2のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the second invention is
An output level detector for detecting an output level of the second high frequency generator;
The level detected by the output level detection unit is compared with a second set level, and the second high frequency generation unit is maintained at a set constant value based on the calculation result. A second level control unit for giving an amplitude command to the high frequency generation unit of
Is further provided.

第3の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第1及び第2の発明において、前記フィルタ、前記差周波数信号レベル検出部の少なくとも1つがデジタル回路で構成されていることを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the third invention is
In the first and second aspects of the invention, at least one of the filter and the difference frequency signal level detection unit is configured by a digital circuit.

第4の発明によって提供される高周波電源装置は、
単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第1の高周波信号及び第2の高周波信号をそれぞれ発生する第1及び第2の高周波発生部と、
前記第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第1及び第2の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第1の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第2の高周波信号とを乗算して、前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第1の乗算部と、
前記第1の乗算部の出力から前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第1の差周波数信号を抽出する第1のフィルタと、
前記第1のフィルタにより抽出された第1の差周波数信号のレベルを検出する第1の差周波数信号レベル検出部と、
前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第2の高周波信号とを乗算して、前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第2の乗算部と、
前記第2の乗算部の出力から前記第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第2の差周波数信号を抽出する第2のフィルタと、
前記第2のフィルタにより抽出された第2の差周波数信号のレベルを検出する第2の差周波数レベル検出部と、
前記第1の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから前記第2の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように前記第1の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部と、
を備えたことを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the fourth invention is
A reference clock generation unit that generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator;
The reference clock signal generated by the reference clock generation unit is used to generate a high-frequency signal having an output frequency commanded by a frequency command and an output amplitude level commanded by an amplitude level command. First and second high frequency generators for generating different first high frequency signals and second high frequency signals, respectively;
A frequency command unit that gives the frequency command to the first and second high frequency generation units so as to keep a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal constant;
A power amplifier for amplifying the first high-frequency signal;
A high frequency detection unit for detecting a traveling wave detection signal including information on traveling wave power from the power amplification unit toward the load and a reflected wave detection signal including information on reflected wave power from the load side toward the power amplification unit;
Multiplying the traveling wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit and the second high-frequency signal includes a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A first multiplier for obtaining a signal;
A first filter for extracting a first difference frequency signal having a frequency component of a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal from the output of the first multiplication unit;
A first difference frequency signal level detection unit for detecting a level of the first difference frequency signal extracted by the first filter;
Multiplication of the reflected wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit and the second high-frequency signal includes a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A second multiplier for obtaining a signal;
A second filter for extracting a second difference frequency signal having a frequency component of a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal from the output of the second multiplication unit;
A second difference frequency level detection unit for detecting a level of the second difference frequency signal extracted by the second filter;
A level obtained by subtracting the level detected by the second difference frequency signal level detection unit from the level detected by the first difference frequency signal level detection unit is compared with a set level, and based on the calculation result, A level control unit that gives the amplitude command to the first high-frequency generation unit so as to keep the power supplied from the power amplification unit to the load at a set value;
It is characterized by having.

第5の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第2の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第2の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第2の高周波発生部に振幅指令を与える第2のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the fifth invention provides:
The level detected by the output level detection unit is compared with a second set level, and the second high frequency generation unit is maintained at a set constant value based on the calculation result. A second level control unit for giving an amplitude command to the high frequency generation unit of
Is further provided.

第6の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第4及び第5の発明において、前記第1のフィルタ、前記第1の差周波数信号レベル検出部、前記第2のフィルタ、前記第2の差周波数信号レベル検出部の少なくとも1つがデジタル回路で構成されていることを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the sixth invention provides:
In the fourth and fifth inventions, at least one of the first filter, the first difference frequency signal level detection unit, the second filter, and the second difference frequency signal level detection unit is a digital circuit. It is characterized by being composed.

第7の発明によって提供される高周波電源装置は、
前記第1〜第6の発明おいて、前記第1及び第2の高周波発生部が、DDS(Direct Digital Synthesizer)方式の高周波発生部であることを特徴としている。
The high frequency power supply device provided by the seventh invention provides
In the first to sixth inventions, the first and second high-frequency generators are DDS (Direct Digital Synthesizer) type high-frequency generators.

本発明によれば、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。ひいては、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供できる。   According to the present invention, when spurious components are removed by frequency conversion filtering, not only the fundamental frequency components can be accurately extracted, but also problems caused by errors in the output frequency of the crystal oscillator can be improved. As a result, it is possible to provide a high-frequency power supply device that can perform accurate power control even if there is an error in the output frequency of the crystal oscillator that generates the reference clock.

本発明の第1の実施形態の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the 2nd Embodiment of this invention. フィルタ109の構成例を示すブロック図である。3 is a block diagram illustrating a configuration example of a filter 109. FIG. デジタルバンドパスフィルタの周波数特性の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the frequency characteristic of a digital band pass filter. 従来の高周波電源装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the conventional high frequency power supply device. プラズマ処理装置等の負荷に出力周波数が異なる2つの高周波電源装置から電力を供給するシステムの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the system which supplies electric power from two high frequency power supply devices from which output frequency differs to loads, such as a plasma processing apparatus. 図6に示したシステムにおいて、電力増幅部の出力側で検出される進行波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。7 is a frequency spectrum showing an example of a frequency distribution of traveling wave power detected on the output side of the power amplifier in the system shown in FIG. 6. 図6に示したシステムにおいて、電力増幅部の出力側で検出される反射波電力の周波数分布の一例を示した周波数スペクトラムである。7 is a frequency spectrum showing an example of a frequency distribution of reflected wave power detected on the output side of the power amplifier in the system shown in FIG. 6. 周波数変換方式のフィルタリングによって、進行波電力のスプリアス成分を除去する従来の高周波電源装置の構成例である。It is an example of a structure of the conventional high frequency power supply device which removes the spurious component of traveling wave electric power by filtering of a frequency conversion system.

[第1の実施形態]
以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図1は本発明に係わる高周波電源装置の第1の実施形態の構成を示したものである。同図において、101は、第1の周波数指令Cf1により指令された出力周波数と第1の振幅レベル指令Ca1により指令された出力振幅レベルとを有する第1の高周波信号S1を発生する第1の高周波発生部、102は第2の周波数指令Cf2により指令された出力周波数と第2の振幅レベル指令Ca2により指令された出力振幅レベルとを有する第2の高周波信号S2を発生する第2の高周波発生部である。本実施形態では、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102が、公知のDDS(Direct Digital Synthesizer)により構成されている。
[First Embodiment]
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a first embodiment of a high-frequency power supply device according to the present invention. In the figure, reference numeral 101 denotes a first high frequency signal S1 that generates a first high frequency signal S1 having an output frequency commanded by a first frequency command Cf1 and an output amplitude level commanded by a first amplitude level command Ca1. A generating unit 102 generates a second high frequency signal S2 having an output frequency commanded by the second frequency command Cf2 and an output amplitude level commanded by the second amplitude level command Ca2. It is. In the present embodiment, the first high-frequency generator 101 and the second high-frequency generator 102 are configured by a known DDS (Direct Digital Synthesizer).

また、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102は、後述する基準クロック信号発生部から出力される基準クロック信号を用いて第1の高周波信号S1及び第2の高周波信号S2を発生させる。   Further, the first high frequency generator 101 and the second high frequency generator 102 use the reference clock signal output from the reference clock signal generator described later to generate the first high frequency signal S1 and the second high frequency signal S2. generate.

なお、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102がDDS方式の高周波発生部であれば、入力される基準クロック信号と同じ周波数の第1の高周波信号S1及び第2の高周波信号S2を発生させるだけでなく、基準クロック信号を用いて所望の周波数を合成することができる。例えば、第1の高周波発生部101に入力される基準クロック信号の周波数が50MHzや100MHzであっても、第1の周波数指令Cf1により指令された出力周波数が50.5MHzであれば、第1の高周波発生部101は、50.5MHzの周波数を有する第1の高周波信号S1を発生させることができる。第2の高周波発生部102でも同様である。
もちろん、基準クロック信号を用いて所望の周波数を合成することができる機能を有するものであれば、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102は、DDS方式の高周波発生部でなくてもよい。
If the first high-frequency generator 101 and the second high-frequency generator 102 are DDS high-frequency generators, the first high-frequency signal S1 and the second high-frequency signal having the same frequency as the input reference clock signal are used. In addition to generating S2, it is possible to synthesize a desired frequency using the reference clock signal. For example, even if the frequency of the reference clock signal input to the first high-frequency generator 101 is 50 MHz or 100 MHz, if the output frequency commanded by the first frequency command Cf1 is 50.5 MHz, the first The high frequency generator 101 can generate a first high frequency signal S1 having a frequency of 50.5 MHz. The same applies to the second high-frequency generator 102.
Of course, the first high-frequency generator 101 and the second high-frequency generator 102 are not DDS high-frequency generators as long as they have a function capable of synthesizing a desired frequency using the reference clock signal. May be.

104は第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差デルタfを一定に保つように第1及び第2の高周波発生部101及び102に周波数指令Cf1及びCf2をそれぞれ与える周波数指令部である。   Reference numeral 104 denotes frequency commands Cf1 and Cf2 to the first and second high frequency generators 101 and 102 so as to keep the difference delta f between the frequency f1 of the first high frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high frequency signal S2 constant. Is a frequency command section for respectively giving.

本実施形態で用いる周波数指令部104は、予め定められた周波数または上位制御装置等から入力された周波数を第1の周波数f1とし、第1の周波数f1に対して一定の差デルタfを有する周波数を第2の周波数f2として、第1の周波数f1を有する第1の高周波信号S1を発生させることを指令する第1の周波数指令Cf1及び第2の周波数f2を有する第2の高周波信号S2を発生することを指令する第2の周波数指令Cf2をそれぞれ第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102に同時に与えることにより、第1の高周波信号の周波数f1と第2の高周波信号の周波数f2との差を常に一定値デルタf(=|f1−f2|)に保つように、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102を制御する。第2の高周波信号S2の周波数f2は第1の高周波信号S1の周波数f1よりも低くても、高くてもよい。なお、第1の高周波信号S1の周波数f1(第1の高周波発生部101の出力周波数)は、第1の高周波電源装置11の基本周波数と一致する。   The frequency command unit 104 used in the present embodiment uses a predetermined frequency or a frequency input from a host controller or the like as a first frequency f1, and a frequency having a certain difference delta f with respect to the first frequency f1. Is a second frequency f2, and a first frequency command Cf1 for instructing to generate a first high-frequency signal S1 having a first frequency f1 and a second high-frequency signal S2 having a second frequency f2 are generated. By simultaneously providing the first high frequency generator 101 and the second high frequency generator 102 with the second frequency command Cf2 for instructing to perform the operation, the frequency f1 of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal are respectively provided. The first high-frequency generator 101 and the second high-frequency generator 102 are controlled so that the difference from f2 is always kept at a constant value delta f (= | f1-f2 |). The frequency f2 of the second high-frequency signal S2 may be lower or higher than the frequency f1 of the first high-frequency signal S1. Note that the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 (the output frequency of the first high-frequency generator 101) matches the basic frequency of the first high-frequency power supply device 11.

なお、後述する基準クロック発生部116において、第1の周波数指令Cf1及び第2の周波数指令Cf2を用いる場合がある。この場合は、第1の周波数指令Cf1及び第2の周波数指令Cf2を基準クロック発生部116に向けて出力する。   In the reference clock generation unit 116 described later, the first frequency command Cf1 and the second frequency command Cf2 may be used. In this case, the first frequency command Cf1 and the second frequency command Cf2 are output to the reference clock generator 116.

また105は公知の電力増幅回路からなる電力増幅部で、第1の高周波信号S1を増幅
して負荷に与える高周波電力を出力する。電力増幅部105の出力は図示しないインピーダンス整合装置を通してプラズマ処理装置等の負荷に供給される。なお、インピーダンス整合装置が用いられない場合もある。
Reference numeral 105 denotes a power amplifying unit including a known power amplifying circuit, which amplifies the first high-frequency signal S1 and outputs high-frequency power applied to the load. The output of the power amplifier 105 is supplied to a load such as a plasma processing apparatus through an impedance matching device (not shown). In some cases, the impedance matching device is not used.

106は、電力増幅部105の出力端と図示しないインピーダンス整合装置との間に挿入された高周波検出部である。この高周波検出部は、例えば方向性結合器からなっていて、電力増幅部105から負荷に向かう進行波電力の一部を分波して、該進行波電力の情報を含む進行波検出信号Spを出力する。   Reference numeral 106 denotes a high frequency detection unit inserted between the output terminal of the power amplification unit 105 and an impedance matching device (not shown). The high-frequency detection unit is formed of, for example, a directional coupler, and demultiplexes a part of traveling wave power from the power amplification unit 105 toward the load to generate a traveling wave detection signal Sp including information on the traveling wave power. Output.

なお、高周波検出部106で得られる進行波検出信号の周波数成分は、第1の高周波信号S1の周波数f1を主成分とするが、それ以外にスプリアスの周波数成分が含まれる。そして、スプリアスの周波数も、第1の高周波信号S1の周波数f1の変化に応じて変化する。   Note that the frequency component of the traveling wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit 106 includes the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 as a main component, but also includes spurious frequency components. The spurious frequency also changes in accordance with the change in the frequency f1 of the first high-frequency signal S1.

また107は、高周波検出部により得られた進行波検出信号Spと第2の高周波発生部102が出力する第2の高周波信号S2とが入力された乗算部で、この乗算部は、進行波検出信号Spと第2の高周波信号S2とを乗算することにより、第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差の周波数成分を含む信号Sfp’を出力する。   Reference numeral 107 denotes a multiplication unit to which the traveling wave detection signal Sp obtained by the high frequency detection unit and the second high frequency signal S2 output from the second high frequency generation unit 102 are input. The multiplication unit detects the traveling wave. By multiplying the signal Sp by the second high-frequency signal S2, a signal Sfp ′ including the frequency component of the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 is output.

周知のように、乗算部で2つの信号を乗算すると、2つの信号の周波数の差の周波数成分だけでなく、2つの信号の周波数の和の周波数成分を含む信号が得られる。例えば図6に示したシステムにおいて、第1の高周波電源装置11の基本周波数(第1の高周波信号S1の周波数f1)を50MHz、第2の高周波電源装置12の基本周波数を2MHzとした場合について見ると、高周波電源装置11の出力端子には、出力伝送系を通して、基本周波数50MHzの近傍にスプリアス成分として46,48,52,54MHzなどの成分が流入してくる。この場合、第2の高周波発生部102の出力周波数(第2の高周波信号S2の周波数f2)を49.5MHzに設定して、希望の差周波数を0.5MHzとした場合、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHz、和周波数は99.5MHzとなる。同様に上記のスプリアス成分に対する差周波数は3.5,1.5,2.5,4.5MHzになり、和周波数は95.5,97.5,101.5, 103.5MHzとなる。   As is well known, when two signals are multiplied by the multiplication unit, a signal including not only the frequency component of the frequency difference between the two signals but also the frequency component of the sum of the frequencies of the two signals is obtained. For example, in the system shown in FIG. 6, the case where the basic frequency of the first high-frequency power supply device 11 (the frequency f1 of the first high-frequency signal S1) is 50 MHz and the basic frequency of the second high-frequency power supply device 12 is 2 MHz. Then, components such as 46, 48, 52, and 54 MHz as spurious components flow into the vicinity of the fundamental frequency of 50 MHz through the output transmission system to the output terminal of the high frequency power supply device 11. In this case, when the output frequency of the second high frequency generator 102 (frequency f2 of the second high frequency signal S2) is set to 49.5 MHz and the desired difference frequency is 0.5 MHz, the difference frequency with respect to the basic frequency 50 MHz is 0.5MHz, the sum frequency is 99.5MHz. Similarly, the difference frequencies for the above spurious components are 3.5, 1.5, 2.5, and 4.5 MHz, and the sum frequencies are 95.5, 97.5, 101.5, and 103.5 MHz.

上記のように、第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差を常に一定値デルタfに保つように制御されているため、仮に第1の高周波電源装置11の基本周波数(第1の高周波信号S1の周波数f1)が50MHzから50.5MHzに変化した場合であっても、基本周波数50MHzに対する差周波数は0.5MHzで一定となる。また、スプリアスの周波数も、基本周波数(第1の高周波信号S1の周波数f1)の変化に応じて変化するので、スプリアス成分に対する差周波数も上記に示した関係と変わらない。   As described above, since the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 is controlled to be always kept at a constant value delta f, the first high-frequency power supply device is assumed. Even when the 11 fundamental frequency (frequency f1 of the first high-frequency signal S1) is changed from 50 MHz to 50.5 MHz, the difference frequency with respect to the fundamental frequency 50 MHz is constant at 0.5 MHz. Further, since the spurious frequency also changes in accordance with the change in the fundamental frequency (the frequency f1 of the first high-frequency signal S1), the difference frequency with respect to the spurious component does not change from the relationship shown above.

したがって、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を通し、スプリアス成分の差周波数以上の周波数成分を除去するフィルタ109(例えば、カットオフ周波数が1MHzの特性を有するもの)を用いれば、基本周波数に対する差周波数0.5MHzの成分を精度良く抽出できる。すなわち、高周波検出部106から出力された信号から基本周波数の成分を精度良く抽出できる。   Therefore, if a filter 109 that passes a component having a difference frequency of 0.5 MHz with respect to the fundamental frequency and removes a frequency component equal to or higher than the difference frequency of the spurious component (for example, having a characteristic with a cutoff frequency of 1 MHz), the difference with respect to the fundamental frequency is used. The component of frequency 0.5MHz can be extracted with high accuracy. That is, the fundamental frequency component can be accurately extracted from the signal output from the high frequency detector 106.

なお、第1の高周波電源装置11の基本周波数が50MHzから50.5MHzに変化した場合、基本周波数50MHzに対する和周波数は100.5MHzとなり、上記に示した関係と異なる。また、スプリアス成分に対する和周波数も上記に示した関係と異なってしまう。しかし、これらの周波数成分は、フィルタ109によって除去される対象であるので、影響を及ぼさない。   When the fundamental frequency of the first high frequency power supply device 11 is changed from 50 MHz to 50.5 MHz, the sum frequency with respect to the fundamental frequency 50 MHz is 100.5 MHz, which is different from the relationship shown above. Further, the sum frequency for the spurious component is also different from the relationship shown above. However, since these frequency components are objects to be removed by the filter 109, they do not have an influence.

フィルタ109は、乗算部107の出力から希望する差周波数信号Sfpを抽出するフィルタである。このフィルタは、アナログフィルタ(パンドパスフィルタまたはローパスフィルタ)からなっていてもよく、デジタルフィルタ(デジタルフィルタはデジタル回路によって構成される。すなわちデジタルフィルタはデジタル回路の一種である)からなっていてもよい。
また、フィルタ109は、アナログフィルタと、アナログフィルタの出力をデジタル処理して差周波数信号を抽出するデジタルフィルタとの組み合わせからなっていてもよい。すなわち、乗算部の出力をアナログフィルタに通して不要な周波数成分を除去したのちにデジタルフィルタによりフィルタリングを行うようにすれば、デジタルフィルタにおける信号処理がし易くなるという利点がある。
The filter 109 is a filter that extracts a desired difference frequency signal Sfp from the output of the multiplication unit 107. This filter may consist of an analog filter (pand pass filter or low pass filter) or a digital filter (a digital filter is constituted by a digital circuit, that is, a digital filter is a kind of digital circuit). Good.
The filter 109 may be a combination of an analog filter and a digital filter that digitally processes the output of the analog filter and extracts a difference frequency signal. In other words, if filtering is performed by the digital filter after removing the unnecessary frequency component by passing the output of the multiplier through the analog filter, there is an advantage that signal processing in the digital filter is facilitated.

なお、デジタル回路は、例えばFPGA(Field Programmable Gate Array)のような、内部の論理回路を適宜に定義、変更し得るゲートアレイを用いることにより容易に構成することができる。また、本実施形態では、フィルタ109だけでなく、後述する差周波数レベル検出部110、第1のレベル制御部112、基準クロック信号発生部116もデジタル回路(例えばFPGA)で構成している。   The digital circuit can be easily configured by using a gate array such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) that can appropriately define and change an internal logic circuit. In this embodiment, not only the filter 109 but also a differential frequency level detection unit 110, a first level control unit 112, and a reference clock signal generation unit 116, which will be described later, are configured by digital circuits (for example, FPGA).

フィルタ109により抽出された差周波数信号Sfpは、差周波数レベル検出部110に与えられる。差周波数レベル検出部110は、差周波数信号Sfpをアナログ処理またはデジタル処理することにより、該差周波数信号Sfpのレベルを検出する部分である。本実施形態では、差周波数レベル検出部110がデジタル回路からなっていて、差周波数信号Spfをデジタル処理することにより、差周波数信号Sfpのレベルを示すレベル検出信号Spaを出力する。   The difference frequency signal Sfp extracted by the filter 109 is given to the difference frequency level detection unit 110. The difference frequency level detection unit 110 is a part that detects the level of the difference frequency signal Sfp by performing analog processing or digital processing on the difference frequency signal Sfp. In the present embodiment, the difference frequency level detection unit 110 is composed of a digital circuit, and outputs a level detection signal Spa indicating the level of the difference frequency signal Sfp by digitally processing the difference frequency signal Spf.

なお、本実施形態ではアナログ回路、デジタル回路が混在しているので、必要に応じて、A/Dコンバータ、D/Aコンバータが用いられるが、図1では図示を省略している。例えば、フィルタ109をアナログフィルタとし、差周波数レベル検出部110をデジタル回路とした場合は、両者の間にA/Dコンバータを挿入すればよい。   In this embodiment, since analog circuits and digital circuits are mixed, an A / D converter and a D / A converter are used as necessary, but the illustration is omitted in FIG. For example, when the filter 109 is an analog filter and the difference frequency level detection unit 110 is a digital circuit, an A / D converter may be inserted between them.

差周波数信号レベル検出部110から得られるレベル検出信号Spaは、第1のレベル設定部111から出力される第1のレベル設定信号Spasとともに第1のレベル制御部112に入力される。第1のレベル制御部112は、差周波数信号レベル検出部110により検出されたレベルを第1のレベル設定部111により設定された第1の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部105から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第1の高周波発生部101に振幅指令Ca1を与える部分である。   The level detection signal Spa obtained from the difference frequency signal level detection unit 110 is input to the first level control unit 112 together with the first level setting signal Spas output from the first level setting unit 111. The first level control unit 112 compares the level detected by the difference frequency signal level detection unit 110 with the first set level set by the first level setting unit 111, and based on the calculation result This is a portion that gives an amplitude command Ca1 to the first high-frequency generator 101 so as to keep the traveling wave power from the power amplifier 105 toward the load at a set value.

なお第1のレベル設定信号Spasにより設定される第1の設定レベルは、電力増幅部105から出力される進行波電力の電力値を設定値に等しくするために必要な第1の高周波発生部101の出力レベルを与えるものである。   Note that the first setting level set by the first level setting signal Spas is the first high-frequency generation unit 101 necessary for making the power value of the traveling wave power output from the power amplification unit 105 equal to the setting value. Output level.

第1のレベル制御部112はアナログ回路からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。本実施形態では、デジタル回路(例えばFPGA)からなっている。   The first level control unit 112 may be composed of an analog circuit or a digital circuit. In this embodiment, it consists of a digital circuit (for example, FPGA).

116は、単一の水晶発振器117を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部である。この基準クロック発生部116からデジタル回路で用いる基準クロック信号(例えば100MHzの信号)が与えられ、デジタル回路では、その基準クロック信号を用いて各種処理が行われる。多くの場合、基準クロック信号の周波数がデジタル回路におけるサンプリング周波数となる。なお、上述したように、本実施形態では、フィルタ109、差周波数レベル検出部110がデジタル回路(例えばFPGA)で構成されているので、基準クロック発生部116で発生させた基準クロック信号が、フィルタ109及び差周波数レベル検出部110に与えられる。   Reference numeral 116 denotes a reference clock generator that generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator 117. A reference clock signal (for example, a signal of 100 MHz) used in the digital circuit is given from the reference clock generator 116, and the digital circuit performs various processes using the reference clock signal. In many cases, the frequency of the reference clock signal is the sampling frequency in the digital circuit. As described above, in this embodiment, since the filter 109 and the difference frequency level detection unit 110 are configured by digital circuits (for example, FPGA), the reference clock signal generated by the reference clock generation unit 116 is the filter. 109 and the difference frequency level detection unit 110.

また、基準クロック発生部116は、第1の高周波発生部で用いる基準クロック信号として、周波数指令部104から第1の高周波発生部に与える周波数指令に対応する周波数(例えば50MHz)の基準クロック信号を発生させるとともに、第2の高周波発生部で用いる基準クロック信号として、周波数指令部から第2の高周波発生部に与える周波数指令に対応する周波数(例えば49.5MHz)の基準クロック信号を発生させる。   Further, the reference clock generator 116 generates a reference clock signal having a frequency (for example, 50 MHz) corresponding to the frequency command given from the frequency command unit 104 to the first high frequency generator as a reference clock signal used in the first high frequency generator. A reference clock signal having a frequency (for example, 49.5 MHz) corresponding to a frequency command given from the frequency command unit to the second high frequency generation unit is generated as a reference clock signal used in the second high frequency generation unit.

すなわち、周波数指令部104から第1の高周波発生部101に与える第1の周波数指令Cf1及び周波数指令部104から第2の高周波発生部102に与える第2の周波数指令Cf2に対応させる必要があるので、必要に応じて周波数指令部104から出力された第1の周波数指令Cf1及び第2の周波数指令Cf2を入力すればよい。
もちろん、周波数指令部104から第1の高周波発生部に与える第1の周波数指令Cf1に対応する周波数(例えば50MHz)、及び周波数指令部から第2の高周波発生部に与える第2の周波数指令Cf2に対応する周波数(例えば49.5MHz)が一定値(固定値)であれば、周波数指令部104から出力された第1の周波数指令Cf1及び第2の周波数指令Cf2を入力する必要はなく、例えばメモリ(図略)を設けて、その周波数を記憶させるようにすればよい。
That is, it is necessary to correspond to the first frequency command Cf1 given from the frequency command unit 104 to the first high frequency generation unit 101 and the second frequency command Cf2 given from the frequency command unit 104 to the second high frequency generation unit 102. If necessary, the first frequency command Cf1 and the second frequency command Cf2 output from the frequency command unit 104 may be input.
Of course, the frequency (for example, 50 MHz) corresponding to the first frequency command Cf1 given from the frequency command unit 104 to the first high frequency generation unit, and the second frequency command Cf2 given from the frequency command unit to the second high frequency generation unit. If the corresponding frequency (for example, 49.5 MHz) is a constant value (fixed value), it is not necessary to input the first frequency command Cf1 and the second frequency command Cf2 output from the frequency command unit 104, for example, a memory (Not shown) may be provided to store the frequency.

なお、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102がDDS方式の高周波発生部のように、所望の周波数を合成できる機能があれば、基準クロック発生部116から第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102に与える基準クロック信号の周波数を、第1の周波数指令Cf1及び第2の周波数指令Cf2に対応させる必要がない。そのため、第1の高周波発生部101に与える基準クロック信号の周波数を一定値(例えば50MHz、100MHz)にしてもよい。同様に、第2の高周波発生部102に与える基準クロック信号の周波数を一定値(例えば49.5MHz、100MHz)にしてもよい。また、上記例のように、第1の高周波発生部及び第2の高周波発生部に与える基準クロック信号の周波数を水晶発振器117の出力周波数と同一にすることもできる。この場合、基準クロック発生部116は、水晶発振器117の出力をそのまま第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102に与えればよい。   If the first high frequency generator 101 and the second high frequency generator 102 have a function capable of synthesizing a desired frequency, such as a DDS high frequency generator, the first high frequency generator 116 generates a first high frequency from the reference clock generator 116. The frequency of the reference clock signal supplied to the unit 101 and the second high frequency generation unit 102 does not need to correspond to the first frequency command Cf1 and the second frequency command Cf2. Therefore, the frequency of the reference clock signal supplied to the first high frequency generator 101 may be set to a constant value (for example, 50 MHz or 100 MHz). Similarly, the frequency of the reference clock signal supplied to the second high frequency generator 102 may be set to a constant value (for example, 49.5 MHz, 100 MHz). Further, as in the above example, the frequency of the reference clock signal supplied to the first high frequency generator and the second high frequency generator can be made the same as the output frequency of the crystal oscillator 117. In this case, the reference clock generator 116 may supply the output of the crystal oscillator 117 to the first high frequency generator 101 and the second high frequency generator 102 as they are.

本実施形態では、デジタル回路(例えばFPGA)を用いてデジタル処理を行っているので、単一の水晶発振器117の出力信号を用いて、複数の基準クロック信号を発生させることができる。また、デジタル回路では、「入力周波数/サンプリング周波数」で周波数の正規化を行っているため、本実施形態のように構成すると、「入力周波数」、「サンプリング周波数」ともに水晶発振器の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。その結果、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。本実施形態では、フィルタ109及び差周波数信号レベル検出部110において、上記のような効果がある。以下、この理由を説明する。   In this embodiment, since digital processing is performed using a digital circuit (for example, FPGA), a plurality of reference clock signals can be generated using the output signal of a single crystal oscillator 117. In the digital circuit, since the frequency is normalized by “input frequency / sampling frequency”, when configured as in this embodiment, both “input frequency” and “sampling frequency” are the same as the output frequency of the crystal oscillator. A percentage error is included. As a result, the error in the output frequency of the crystal oscillator is canceled out, so that a problem caused by the error in the output frequency of the crystal oscillator does not occur. In the present embodiment, the filter 109 and the difference frequency signal level detection unit 110 have the effects as described above. Hereinafter, the reason will be described.

<フィルタにおける効果>
図3は、フィルタ109の構成例を示すブロック図である。上述したように、フィルタ109は、図3(a)に示すように、アナログフィルタからなっていてもよく、図3(b)に示すように、デジタルフィルタからなっていてもよい。また、図3(c)に示すように、アナログフィルタと、アナログフィルタの出力をデジタル処理して差周波数信号を抽出するデジタルフィルタとの組み合わせからなっていてもよい。
<Effect in filter>
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of the filter 109. As described above, the filter 109 may be an analog filter as shown in FIG. 3A, or may be a digital filter as shown in FIG. 3B. Moreover, as shown in FIG.3 (c), you may consist of a combination of an analog filter and the digital filter which digitally processes the output of an analog filter, and extracts a difference frequency signal.

なお、近年では、信号処理のデジタル化が進み、上述したようなFPGA等を用いて高度な信号処理がされるようになってきた。そのため、図3(b)、(c)に示すように、デジタルフィルタを含む構成にすることが多い。その中でも多いのが図3(c)に示す構成である。また、このようなデジタルフィルタとしては、通過周波数帯域の非常に狭いバンドパスフィルタが用いられる傾向にある。   In recent years, digitalization of signal processing has progressed, and advanced signal processing has been performed using the above-described FPGA or the like. Therefore, as shown in FIGS. 3B and 3C, the digital filter is often included. Of these, the configuration shown in FIG. In addition, as such a digital filter, a band pass filter having a very narrow pass frequency band tends to be used.

例えば、上述したように、第1の高周波発生部101から出力される第1の高周波信号S1の周波数が50MHz、第2の高周波発生部102から出力される第2の高周波信号S2の周波数が49.5MHzであるとすれば、乗算部107を通過する差周波数は0.5MHzの周波数成分を含む信号となる。この0.5MHzが基準周波数となる。そして、フィルタ109は、基準周波数である0.5MHzの周波数成分は通過させるが、それ以外の周波数成分を除去する特性であることが望まれる。そのため、図4に示すような特性のデジタルバンドパスフィルタが用いられる。   For example, as described above, the frequency of the first high frequency signal S1 output from the first high frequency generator 101 is 50 MHz, and the frequency of the second high frequency signal S2 output from the second high frequency generator 102 is 49. If it is .5 MHz, the difference frequency passing through the multiplication unit 107 is a signal including a frequency component of 0.5 MHz. This 0.5 MHz is the reference frequency. The filter 109 is desired to have a characteristic that allows a frequency component of 0.5 MHz, which is a reference frequency, to pass therethrough but removes other frequency components. Therefore, a digital bandpass filter having characteristics as shown in FIG. 4 is used.

図4は、デジタルバンドパスフィルタの周波数特性の一例を示す図である。この図4において、横軸は、「入力周波数/サンプリング周波数」で表される正規化周波数であり、縦軸は、デジタルバンドパスフィルタの出力レベル[dB]を示す。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of the digital bandpass filter. In FIG. 4, the horizontal axis represents a normalized frequency represented by “input frequency / sampling frequency”, and the vertical axis represents the output level [dB] of the digital bandpass filter.

上記の例では、乗算部107の出力信号Sfp‘の周波数が入力周波数となり、デジタル回路で用いる基準クロック信号の周波数がサンプリング周波数となる。すなわち、水晶発振器117の出力周波数に誤差がなければ、入力周波数が0.5MHzとなり、デジタル回路で用いる基準クロック信号の周波数が100MHzとなるので、正規化周波数は0.005となる。   In the above example, the frequency of the output signal Sfp ′ of the multiplier 107 becomes the input frequency, and the frequency of the reference clock signal used in the digital circuit becomes the sampling frequency. That is, if there is no error in the output frequency of the crystal oscillator 117, the input frequency is 0.5 MHz, and the frequency of the reference clock signal used in the digital circuit is 100 MHz, so the normalized frequency is 0.005.

ここで図4を参照すると、正規化周波数が0.005のときに、信号レベルが減衰することなく(または殆ど減衰することなく)デジタルバンドパスフィルタを通過するように設計されていることを示している。しかし、正規化周波数が0.005から少しずれると、信号レベルが大きく減衰してしまうことが分かる。   Referring now to FIG. 4, when the normalized frequency is 0.005, it is shown that the signal level is designed to pass through a digital bandpass filter with no attenuation (or little attenuation). ing. However, it can be seen that if the normalized frequency deviates slightly from 0.005, the signal level is greatly attenuated.

本実施形態のように、基準クロック発生部116は、単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させているので、発生させる複数の基準クロック信号の周波数にも水晶発振器117の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。その基準クロック発生部116で発生させた基準クロック信号を用いて、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102から第1の高周波信号S1及び第2の高周波信号S2を発生させているので、乗算部107に入力される2つの信号にも同じ割合の誤差が含まれる。そのため、乗算部107から出力される第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差の周波数成分を含む信号Sfp’にも同じ割合の誤差が含まれる。   Since the reference clock generator 116 generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator as in the present embodiment, the frequency of the plurality of reference clock signals to be generated is also different from that of the crystal oscillator 117. The same percentage error as the output frequency is included. Using the reference clock signal generated by the reference clock generator 116, the first high frequency generator 101 and the second high frequency generator 102 generate the first high frequency signal S1 and the second high frequency signal S2. Therefore, the two signals input to the multiplication unit 107 also contain the same ratio of errors. For this reason, the signal Sfp 'including the frequency component of the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 output from the multiplier 107 also includes the same ratio of errors.

ここで、水晶発振器117の出力周波数に、α倍の誤差(誤差が+1%のときは、α=1.01)があると仮定すると、デジタル回路用の基準クロック信号の周波数は100×αMHzとなる。また、基準クロック発生部116は、単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させているので、第1の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数及び第2の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数にも、上記のα倍の誤差が生じる。すなわち、第1の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数は50×αMHz、第2の高周波発生部用の基準クロック信号の周波数は49.5×αMHzとなる。そのため、乗算部107を通過する差周波数は、50×α−49.5×α=0.5×αMHzとなる。また、デジタル回路用の基準クロック信号の周波数にも上記のα倍の誤差が生じるので、100×αMHzとなる。   Here, assuming that the output frequency of the crystal oscillator 117 has an α-fold error (α = 1.01 when the error is + 1%), the frequency of the reference clock signal for the digital circuit is 100 × α MHz. Become. In addition, since the reference clock generator 116 generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator, the frequency of the reference clock signal for the first high frequency generator and the second high frequency generator The above α times error also occurs in the frequency of the reference clock signal. That is, the frequency of the reference clock signal for the first high frequency generator is 50 × α MHz, and the frequency of the reference clock signal for the second high frequency generator is 49.5 × α MHz. Therefore, the difference frequency passing through the multiplication unit 107 is 50 × α−49.5 × α = 0.5 × α MHz. In addition, since the above-mentioned α times error also occurs in the frequency of the reference clock signal for the digital circuit, it becomes 100 × α MHz.

そうなると、「入力周波数/サンプリング周波数」で表される正規化周波数は、0.5×α[MHz]/100×α[MHz]=0.005となる。すなわち、たとえ水晶発振器117の出力周波数に、α倍の誤差があっても、水晶発振器の出力周波数に誤差がない場合と同じ結果となるので、見かけ上、誤差が含まれないことになる。したがって、従来の問題を改善することができる。   Then, the normalized frequency represented by “input frequency / sampling frequency” is 0.5 × α [MHz] / 100 × α [MHz] = 0.005. That is, even if there is an α-fold error in the output frequency of the crystal oscillator 117, the result is the same as when there is no error in the output frequency of the crystal oscillator, so that no error is apparently included. Therefore, the conventional problem can be improved.

なお、フィルタ109としてアナログフィルタを用いた場合は、上記のような通過周波数帯域の非常に狭いバンドパスフィルタを設計することが困難である。反対に、水晶発振器117の出力周波数の誤差に起因して、乗算部107から出力される第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差の周波数成分を含む信号Sfp’に誤差が含まれたとしても、その影響は殆どない。   When an analog filter is used as the filter 109, it is difficult to design a bandpass filter having a very narrow pass frequency band as described above. On the contrary, due to an error in the output frequency of the crystal oscillator 117, the frequency component of the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 output from the multiplier 107 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 is included. Even if an error is included in the signal Sfp ′, there is almost no influence.

<差周波数信号レベル検出部における効果>
上述したように、差周波数信号レベル検出部110は、フィルタ109から出力される差周波数信号Spfの出力信号のレベルを検出する。また、差周波数信号Spfは、例えば0.5MHzの周波数成分を有する信号であるため、信号の振幅を演算によって求めることで、信号のレベルを検出することができる。
<Effect in the difference frequency signal level detection unit>
As described above, the difference frequency signal level detection unit 110 detects the level of the output signal of the difference frequency signal Spf output from the filter 109. Further, since the difference frequency signal Spf is a signal having a frequency component of, for example, 0.5 MHz, the signal level can be detected by calculating the amplitude of the signal.

周知のように、正弦波信号は、式(1)で表すことができる。このように、正弦波信号も「入力周波数/サンプリング周波数」で周波数の正規化を行っている。また、後述する余弦波信号でも同様である。
Asin (2π・fin/fsample・(t)) ・・・・・(1)
A:振幅
fin:測定信号の周波数
fsample:サンプリング周波数
As is well known, the sine wave signal can be expressed by equation (1). Thus, the frequency of the sine wave signal is also normalized by “input frequency / sampling frequency”. The same applies to a cosine wave signal described later.
Asin (2π · fin / fsample · (t)) (1)
A: Amplitude fin: Frequency of measurement signal fsample: Sampling frequency

また、正弦波信号は、式(2)で表すことができる。
Acos (2π・fin/fsample・(t)) ・・・・・(2)
Further, the sine wave signal can be expressed by Expression (2).
Acos (2π · fin / fsample · (t)) (2)

ここで、正弦波を微分すると余弦波になることは周知であり、また、微分は2点間の傾きで表されるので、式(2)は、式(3)のように表すことができる。
Acos (2π・fin/fsample・(t))
=(Asin(2π・fin/fsample・(t+1))−Asin(2π・fin/fsample・(t-1)))/(2・sin(2π・fin/fsample)) ・・・・・(3)
Here, it is well known that a sine wave is differentiated into a cosine wave, and since the differentiation is expressed by a slope between two points, Expression (2) can be expressed as Expression (3). .
Acos (2π · fin / fsample · (t))
= (Asin (2π · fin / fsample · (t + 1))-Asin (2π · fin / fsample · (t-1))) / (2 · sin (2π · fin / fsample)) (3)

なお、上記式(3)では、基準点におけるサンプリングデータの値を、Asin(2π・fin/fsample・(t))とし、基準点の1つ前のサンプリングデータの値を、Asin(2π・fin/fsample・(t−1))とし、基準点の1つ後のサンプリングデータの値を、Asin(2π・fin/fsample・(t+1))としている。また、上記式(3)は、三角関数の公式(sinα−sinβ=2cos((α+β)/2)・sin((α−β)/2))から容易に求めることができる。   In the above equation (3), the value of the sampling data at the reference point is Asin (2π · fin / fsample · (t)), and the value of the sampling data immediately before the reference point is Asin (2π · fin / Fsample · (t−1)), and the value of the sampling data immediately after the reference point is Asin (2π · fin / fsample · (t + 1)). Further, the above equation (3) can be easily obtained from the trigonometric function formula (sin α−sin β = 2 cos ((α + β) / 2) · sin ((α−β) / 2)).

すなわち、デジタル信号波形を構成する複数点のサンプリングデータの中での基準点の前後各1点のサンプリングデータを用いて、基準点におけるデジタル信号波形の傾きを算出すれば、基準点における微分値に相当する値を求めることができる。   That is, if the slope of the digital signal waveform at the reference point is calculated using the sampling data at one point before and after the reference point in the sampling data at the plurality of points constituting the digital signal waveform, the differential value at the reference point is obtained. The corresponding value can be determined.

また、同時刻の正弦波の値と余弦波の値が分かれば、式(4)によって、デジタル信号波形の振幅を算出できる。
A=√(S+C) ・・・・・・・・・・・・・・(4)
S:基準点におけるサンプリングデータの値(正弦波の値)
C:基準点におけるデジタル信号波形の微分値(余弦波の値)
If the sine wave value and the cosine wave value at the same time are known, the amplitude of the digital signal waveform can be calculated by equation (4).
A = √ (S 2 + C 2 ) (4)
S: Sampling data value at the reference point (sine wave value)
C: Differential value of digital signal waveform at reference point (cosine wave value)

したがって、デジタル信号波形を構成する複数点のサンプリングデータの中での基準点のデータおよびその前後各1点のサンプリングデータ(計3点のデータ)が分かれば、デジタル信号波形の振幅を算出できる。   Therefore, if the data of the reference point and the sampling data of one point before and after each of the sampling data at a plurality of points constituting the digital signal waveform are known (a total of three points of data), the amplitude of the digital signal waveform can be calculated.

すなわち、差周波数信号レベル検出部110でも「入力周波数/サンプリング周波数」で入力信号の正規化を行っているため、本実施形態のように構成すると、「入力周波数」、「サンプリング周波数」ともに水晶発振器の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。しかし、上述したように水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。   That is, since the difference frequency signal level detection unit 110 also normalizes the input signal at “input frequency / sampling frequency”, if configured as in this embodiment, both the “input frequency” and “sampling frequency” are crystal oscillators. Error of the same rate as the output frequency of. However, since the error of the output frequency of the crystal oscillator is canceled as described above, the problem caused by the error of the output frequency of the crystal oscillator does not occur.

そのため、本実施形態で説明したように、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。ひいては、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供できる。   Therefore, as described in the present embodiment, when the spurious component is removed by frequency conversion filtering, not only the fundamental frequency component can be accurately extracted but also due to an error in the output frequency of the crystal oscillator. The problem can also be improved. As a result, it is possible to provide a high-frequency power supply device that can perform accurate power control even if there is an error in the output frequency of the crystal oscillator that generates the reference clock.

なお上述したように、フィルタ109、差周波数信号レベル検出部110の双方で効果があるので、フィルタ109、差周波数信号レベル検出部110の双方をデジタル回路で構成しなくても、どちらか一方だけをデジタル回路で構成しても水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。   As described above, since both the filter 109 and the difference frequency signal level detection unit 110 are effective, even if both the filter 109 and the difference frequency signal level detection unit 110 are not configured by digital circuits, only one of them is provided. Even if it is constituted by a digital circuit, problems caused by errors in the output frequency of the crystal oscillator can be improved.

<その他の効果>
本実施形態ではまた、第2の高周波発生部102の出力レベルを検出する出力レベル検出部113が設けられて、その出力信号S2aが、第2のレベル設定部114から出力される第2のレベル設定信号S2asと共に第2のレベル制御部115に入力されている。第2のレベル制御部115は、出力レベル検出部113により検出された第2の高周波発生部102の出力レベルを第2のレベル設定部114により設定された第2の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて第2の高周波発生部102が出力する第2の高周波信号S2のレベルを第2の設定レベルに保つように第2の高周波発生部102に振幅指令Ca2を与える。本実施形態では、第2のレベル制御部115がデジタル回路からなっていて、出力レベル検出部113から得られるレベル検出信号S2aがA/D変換器を通して第2のレベル制御部115に与えられる。第2のレベル制御部115は、レベル検出信号S2aのレベルを第1の設定レベルに等しくするために必要な第2の高周波信号S2のレベルを演算して、演算したレベルの第2の高周波信号S2を第2の高周波発生部102から発生させるように、第2の高周波発生部102に振幅指令Ca2を与える。
<Other effects>
In the present embodiment, an output level detector 113 for detecting the output level of the second high frequency generator 102 is also provided, and the output signal S2a is output from the second level setting unit 114 as a second level. The signal is input to the second level controller 115 together with the setting signal S2as. The second level control unit 115 compares the output level of the second high frequency generation unit 102 detected by the output level detection unit 113 with the second set level set by the second level setting unit 114. Based on the calculation result, an amplitude command Ca2 is given to the second high-frequency generator 102 so as to keep the level of the second high-frequency signal S2 output from the second high-frequency generator 102 at the second set level. In the present embodiment, the second level control unit 115 is composed of a digital circuit, and the level detection signal S2a obtained from the output level detection unit 113 is given to the second level control unit 115 through the A / D converter. The second level control unit 115 calculates the level of the second high-frequency signal S2 necessary for making the level of the level detection signal S2a equal to the first set level, and calculates the second high-frequency signal of the calculated level. An amplitude command Ca2 is given to the second high frequency generator 102 so that S2 is generated from the second high frequency generator 102.

本実施形態の高周波電源装置においては、周波数指令部104が、第1の高周波信号の
周波数と第2の高周波信号の周波数との差を一定に保つように第1及び第2の高周波発生
部に同時に周波数指令Cf1及びCf2を与えるため、第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差デルタfは常に一定である。電力増幅部105は、第1の高周波発生部101から得られる第1の高周波信号S1を増幅して負荷に供給する高周波電力を出力する。電力増幅部105から負荷に与えられる進行波電力は、高周波検出部106により検出される。高周波検出部106から得られる進行波検出信号Spは、第2の高周波信号S2と共に乗算部107に入力される。乗算部107は、進行波検出信号と第2の高周波信号S2とを乗算して、第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差デルタf(=f1−f2)の周波数成分を含む信号Sfp’を出力する。フィルタ109は、信号Sfp’からスプリアス成分を除去して第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号Sfpを抽出して、この差周波数信号Sfpを差周波数信号レベル検出部110に与える。差周波数信号レベル検出部110は、差周波数信号Sfpを検波してそのレベルを検出し、検出したレベルを第1のレベル制御部112に与える。第1のレベル制御部112は、差周波数信号レベル検出部110により検出されたレベルを第1のレベル設定部111により設定された第1の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部105から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように第1の高周波発生部101に振幅指令Ca1を与えるため、電力増幅部105から負荷に与えられる高周波電力が設定値に保たれる。
In the high frequency power supply device of the present embodiment, the frequency command unit 104 is provided in the first and second high frequency generation units so as to keep the difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal constant. Since the frequency commands Cf1 and Cf2 are given simultaneously, the difference delta f between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 is always constant. The power amplifier 105 amplifies the first high-frequency signal S1 obtained from the first high-frequency generator 101 and outputs high-frequency power supplied to the load. The traveling wave power given to the load from the power amplifier 105 is detected by the high frequency detector 106. The traveling wave detection signal Sp obtained from the high frequency detection unit 106 is input to the multiplication unit 107 together with the second high frequency signal S2. The multiplier 107 multiplies the traveling wave detection signal and the second high-frequency signal S2, and the frequency of the difference delta f (= f1-f2) between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A signal Sfp ′ including the component is output. The filter 109 removes a spurious component from the signal Sfp ′ to extract a difference frequency signal Sfp having a frequency component that is a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. Sfp is given to the difference frequency signal level detection unit 110. The difference frequency signal level detection unit 110 detects the level by detecting the difference frequency signal Sfp, and provides the detected level to the first level control unit 112. The first level control unit 112 compares the level detected by the difference frequency signal level detection unit 110 with the first set level set by the first level setting unit 111, and based on the calculation result Since the amplitude command Ca1 is given to the first high frequency generator 101 so that the traveling wave power from the power amplifier 105 toward the load is kept at the set value, the high frequency power given from the power amplifier 105 to the load is kept at the set value. It is.

上記のように、本発明においては、第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数との差を一定に保つように第1及び第2の高周波発生部101及び102に周波数指令を与えることにより、第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差を一定に保つようにしたので、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させるために第1の高周波発生部101の出力周波数を変化させても、負荷に与える高周波電力の周波数を変化させた際に電力増幅部105の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部110により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができ、負荷に供給する高周波電力の電力値の制御の精密性をなんら損なうことなく、高周波電力の周波数を任意に変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。   As described above, in the present invention, the first and second high-frequency generators 101 and 102 maintain the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency of the second high-frequency signal S2. Since the difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal is kept constant by giving the frequency command, the first high-frequency power is changed to change the frequency of the high-frequency power applied to the load. Correspondence between the power value of the output of the power amplifier 105 and the level detected by the difference frequency signal level detector 110 when the frequency of the high frequency power applied to the load is changed even if the output frequency of the generator 101 is changed A high frequency that can prevent the relationship from changing and can arbitrarily change the frequency of the high-frequency power without losing any precision in the control of the power value of the high-frequency power supplied to the load. It can be obtained the power supply.

また本実施形態の高周波電源装置においては、第2のレベル制御部115が、出力レベル検出部113により検出された第2の高周波発生部102の出力レベルを第2の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて第2の高周波発生部102の出力レベル(第2の高周波信号S2の信号レベル)を設定された一定値に保つように第2の高周波発生部102に振幅指令を与えるため、第2の高周波発生部の出力レベルを常に一定のレベル(第2の設定レベル)に保つことができる。そのため、第2の高周波発生部の出力レベルの変動により、乗算部108の出力レベルが変動して、電力増幅部105の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部110により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができる。   Further, in the high frequency power supply device of the present embodiment, the second level control unit 115 compares the output level of the second high frequency generation unit 102 detected by the output level detection unit 113 with the second set level. In order to give an amplitude command to the second high-frequency generator 102 so as to keep the output level of the second high-frequency generator 102 (the signal level of the second high-frequency signal S2) at a set constant value based on the calculation result. The output level of the second high frequency generator can always be kept at a constant level (second set level). Therefore, the output level of the multiplication unit 108 varies due to the variation of the output level of the second high frequency generation unit, and the power value of the output of the power amplification unit 105 and the level detected by the difference frequency signal level detection unit 110 It is possible to prevent the correspondence relationship from changing.

従って、本実施形態によれば、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。さらに、第2の高周波発生部の出力レベルの変動により乗算部の出力が変動して電力増幅部105の出力の電力値と差周波数信号レベル検出部110により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防いで、高周波電力の電力値を設定値に保つ制御をより精密性を高めて行うことができる。   Therefore, according to this embodiment, when the spurious component is removed by frequency conversion filtering, not only the fundamental frequency component can be accurately extracted, but also a problem caused by an error in the output frequency of the crystal oscillator. Can improve. Furthermore, the output of the multiplier fluctuates due to the fluctuation of the output level of the second high frequency generator, and the correspondence between the power value of the output of the power amplifier 105 and the level detected by the difference frequency signal level detector 110 changes. Therefore, the control for keeping the power value of the high-frequency power at the set value can be performed with higher precision.

上記実施形態のように、第2の高周波電源発生部102の出力レベルを一定に制御することが望ましいが、第2の高周波電源発生部102の出力に予測される変動が僅かである場合には、第2の高周波電源発生部102の出力レベルを制御する制御系を省略することができる。従って、本発明に係わる高周波電源装置の基本的な構成では、図1に示した実施形態の出力レベル検出部113、第2のレベル制御部115及び第2のレベル設定部114を省略することができる。   As in the above embodiment, it is desirable to control the output level of the second high-frequency power generation unit 102 to be constant, but when the expected fluctuation in the output of the second high-frequency power generation unit 102 is slight, The control system for controlling the output level of the second high-frequency power generator 102 can be omitted. Therefore, in the basic configuration of the high-frequency power supply device according to the present invention, the output level detection unit 113, the second level control unit 115, and the second level setting unit 114 of the embodiment shown in FIG. it can.

図1に示した実施形態においては、第1及び第2の高周波発生部101及び102を、独立したDDSとしたが、これらも第1のレベル制御部112等とともに、デジタル回路(例えばFPGA)で構成してもよい。   In the embodiment shown in FIG. 1, the first and second high frequency generators 101 and 102 are independent DDSs, but these are also digital circuits (for example, FPGA) together with the first level controller 112 and the like. It may be configured.

[第2の実施形態]
図2は本発明に係わる高周波電源装置の第2の実施形態の構成を示したものである。この実施形態では、高周波検出部106が、電力増幅部105から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号Spと負荷側から電力増幅部105に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号Srとを出力するように構成されている。また、図1に示した第1の実施形態では、電力増幅部105から出力される進行波電力を設定値に保つように、第1の高周波発生部101に振幅指令を与えていたが、この第2の実施形態では、電力増幅部105から負荷に与えられる電力(進行波電力から反射波電力を差し引いた電力)を設定値に保つように、第1の高周波発生部101に振幅指令を与えるように構成されている。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。
[Second Embodiment]
FIG. 2 shows the configuration of the second embodiment of the high-frequency power supply device according to the present invention. In this embodiment, the high-frequency detection unit 106 includes a traveling wave detection signal Sp including information on traveling wave power from the power amplification unit 105 toward the load and a reflected wave including information on reflected wave power from the load side toward the power amplification unit 105. The detection signal Sr is output. In the first embodiment shown in FIG. 1, the amplitude command is given to the first high frequency generator 101 so as to keep the traveling wave power output from the power amplifier 105 at a set value. In the second embodiment, an amplitude command is given to the first high-frequency generator 101 so that the power given from the power amplifier 105 to the load (the power obtained by subtracting the reflected wave power from the traveling wave power) is maintained at the set value. It is configured as follows. Hereinafter, a description will be given focusing on differences from the first embodiment.

図2に示した実施形態では、図1に示した乗算部107、フィルタ109及び差周波数信号レベル検出部110をそれぞれ第1の乗算部107、第1のフィルタ109及び第1の差周波数信号レベル検出部110としている。また、図1に示された構成に加えて、更に、第2の乗算部121と、第2のフィルタ123と、第2の差周波数信号レベル検出部124とが設けられている。なお、第1のレベル設定部111及び第1のレベル制御部112は、後述するように、図1に示したものとは機能が異なるが、便宜上、同じ符号を用いている。   In the embodiment shown in FIG. 2, the multiplication unit 107, the filter 109, and the difference frequency signal level detection unit 110 shown in FIG. 1 are replaced with the first multiplication unit 107, the first filter 109, and the first difference frequency signal level, respectively. The detection unit 110 is used. Further, in addition to the configuration shown in FIG. 1, a second multiplication unit 121, a second filter 123, and a second difference frequency signal level detection unit 124 are further provided. The first level setting unit 111 and the first level control unit 112 have functions different from those shown in FIG. 1 as described later, but the same reference numerals are used for convenience.

第2の乗算部121は、高周波検出部106により得られた反射波検出信号Srと第2の高周波発生部102が出力する第2の高周波信号S2とを乗算して、第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差の周波数成分を含む信号Sfr’を出力する。   The second multiplication unit 121 multiplies the reflected wave detection signal Sr obtained by the high frequency detection unit 106 and the second high frequency signal S2 output from the second high frequency generation unit 102 to obtain the first high frequency signal S1. The signal Sfr ′ including the frequency component of the difference between the frequency f1 of the second and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 is output.

第2のフィルタ123は、第2の乗算部122の出力からスプリアス成分を除去して、第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第2の差周波数信号Sfrを抽出し、抽出した第2の差周波数信号Sfrを第2の差周波数信号レベル検出部124に与える。この第2のフィルタ123は、第1のフィルタ109と同様の構成である。   The second filter 123 removes a spurious component from the output of the second multiplier 122 and has a second difference having a frequency component that is the difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. The frequency signal Sfr is extracted, and the extracted second difference frequency signal Sfr is supplied to the second difference frequency signal level detection unit 124. The second filter 123 has a configuration similar to that of the first filter 109.

図2に示した実施形態において、第2のフィルタ123はアナログフィルタでもよく、デジタルフィルタでもよい。第2のフィルタ123はまた、アナログフィルタとデジタルフィルタとを組み合わせたものでも良い。本実施形態では、第2のフィルタ123が、デジタルフィルタまたはアナログフィルタとデジタルフィルタとを組み合わせたもので構成されている。すなわち、本実施形態では、第2のフィルタ123は、少なくとも一部がデジタル回路で構成されている。   In the embodiment shown in FIG. 2, the second filter 123 may be an analog filter or a digital filter. The second filter 123 may be a combination of an analog filter and a digital filter. In the present embodiment, the second filter 123 is configured by a digital filter or a combination of an analog filter and a digital filter. In other words, in the present embodiment, at least a part of the second filter 123 is configured by a digital circuit.

第2の差周波数信号レベル検出部124は、第2の差周波数信号Sfrのレベルを検出して、検出したレベルを示す第2のレベル検出信号Sraを周波数制御部104に与える。この第2の差周波数信号レベル検出部124は、第1の差周波数信号レベル検出部110と同様の構成である。   The second difference frequency signal level detection unit 124 detects the level of the second difference frequency signal Sfr, and provides the frequency control unit 104 with a second level detection signal Sra indicating the detected level. The second difference frequency signal level detection unit 124 has the same configuration as that of the first difference frequency signal level detection unit 110.

また、第2の差周波数信号レベル検出部124は、アナログ回路(例えば検波回路)からなっていてもよく、デジタル回路からなっていてもよい。本実施形態では、第2の差周波数信号レベル検出部124がデジタル回路からなっていて、差周波数信号Sprをデジタル処理することにより、差周波数信号Sfrのレベルを示すレベル検出信号Sraを出力する。   Further, the second difference frequency signal level detection unit 124 may be composed of an analog circuit (for example, a detection circuit) or a digital circuit. In the present embodiment, the second difference frequency signal level detection unit 124 is formed of a digital circuit, and outputs a level detection signal Sra indicating the level of the difference frequency signal Sfr by digitally processing the difference frequency signal Spr.

また、本実施形態では、上述したように、第2のフィルタ123、第2の差周波数信号レベル検出部124がデジタル回路(例えばFPGA)で構成されているだけでなく、第1の実施形態と同様に、第1のフィルタ109、第1の差周波数信号レベル検出部110、第1のレベル制御部112がデジタル回路(例えばFPGA)で構成されている。   In the present embodiment, as described above, the second filter 123 and the second difference frequency signal level detection unit 124 are not only configured by a digital circuit (for example, FPGA), but also in the first embodiment. Similarly, the first filter 109, the first difference frequency signal level detection unit 110, and the first level control unit 112 are configured by digital circuits (for example, FPGA).

第2の差周波数信号レベル検出部124から得られるレベル検出信号Sraは、第2の差周波数信号レベル検出部110から出力されるレベル検出信号Spaと共に第1のレベル制御部112に与えられている。本実施形態の第1のレベル制御部112は、第1の差周波数信号レベル検出部110により検出されたレベルから第2の差周波数信号レベル検出部124により検出されたレベルを減算して求めたレベルを第1の設定レベル設定部111により設定された第1の設定レベルと比較演算して、その演算結果に基づいて電力増幅部105から負荷に与えられる電力(進行波電力から反射波電力を差し引いた電力)を設定値に保つように、第1の高周波発生部に振幅指令を与える。   The level detection signal Sra obtained from the second difference frequency signal level detection unit 124 is given to the first level control unit 112 together with the level detection signal Spa output from the second difference frequency signal level detection unit 110. . The first level control unit 112 of the present embodiment is obtained by subtracting the level detected by the second difference frequency signal level detection unit 124 from the level detected by the first difference frequency signal level detection unit 110. The level is compared and calculated with the first set level set by the first set level setting unit 111, and the power given from the power amplification unit 105 to the load based on the calculation result (the reflected wave power is calculated from the traveling wave power). An amplitude command is given to the first high frequency generator so as to keep the subtracted power at a set value.

基準クロック発生部116は、単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させているので、発生させる複数の基準クロック信号の周波数にも水晶発振器117の出力周波数と同じ割合の誤差が含まれる。その基準クロック発生部116で発生させた基準クロック信号を用いて、第1の高周波発生部101及び第2の高周波発生部102から第1の高周波信号S1及び第2の高周波信号S2を発生させているので、第1の乗算部107及び第2の乗算部121にそれぞれ入力される2つの信号にも同じ割合の誤差が含まれる。そのため、第1の乗算部107から出力される第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差の周波数成分を含む信号Sfp’にも同じ割合の誤差が含まれる。また、第1の高周波信号S1の周波数f1と第2の高周波信号S2の周波数f2との差の周波数成分を含む信号Sfr’にも同じ割合の誤差が含まれる。   Since the reference clock generator 116 generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator, the frequency of the plurality of reference clock signals to be generated also has an error in the same proportion as the output frequency of the crystal oscillator 117. Is included. Using the reference clock signal generated by the reference clock generator 116, the first high frequency generator 101 and the second high frequency generator 102 generate the first high frequency signal S1 and the second high frequency signal S2. Therefore, the two signals respectively input to the first multiplier 107 and the second multiplier 121 include the same ratio of errors. For this reason, the signal Sfp ′ including the frequency component of the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 output from the first multiplier 107 also includes an error of the same ratio. It is. Further, the signal Sfr 'including the frequency component of the difference between the frequency f1 of the first high-frequency signal S1 and the frequency f2 of the second high-frequency signal S2 also includes the same ratio error.

<フィルタ及び差周波数信号レベル検出部における効果>
また、上述したように、本実施形態では、第1のフィルタ109、第1の差周波数信号レベル検出部110、第2のフィルタ123、第2の差周波数信号レベル検出部124がデジタル回路(例えばFPGA)で構成されているので、基準クロック発生部116で発生させた基準クロック信号が、第1のフィルタ109等に与えられる。
そのため、第1の実施形態で説明したように、第1のフィルタ109及び第1の差周波数信号レベル検出部110をデジタル回路で構成しても、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
また、第1のフィルタ109と同様の理由により、第2のフィルタ123をデジタル回路で構成しても、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
また、第1の差周波数信号レベル検出部110と同様の理由により、第2の差周波数信号レベル検出部124をデジタル回路で構成しても、水晶発振器の出力周波数の誤差が相殺されるので、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題が生じない。
<Effect in filter and difference frequency signal level detection unit>
Further, as described above, in the present embodiment, the first filter 109, the first difference frequency signal level detection unit 110, the second filter 123, and the second difference frequency signal level detection unit 124 are digital circuits (for example, Therefore, the reference clock signal generated by the reference clock generator 116 is supplied to the first filter 109 and the like.
Therefore, as described in the first embodiment, even if the first filter 109 and the first difference frequency signal level detection unit 110 are configured by digital circuits, the error of the output frequency of the crystal oscillator is canceled out. The problem caused by the error of the output frequency of the crystal oscillator does not occur.
Further, for the same reason as the first filter 109, even if the second filter 123 is configured by a digital circuit, the error in the output frequency of the crystal oscillator is canceled out, resulting in the error in the output frequency of the crystal oscillator. There is no problem.
Further, for the same reason as the first difference frequency signal level detection unit 110, even if the second difference frequency signal level detection unit 124 is configured by a digital circuit, the error of the output frequency of the crystal oscillator is canceled. Problems caused by errors in the output frequency of the crystal oscillator do not occur.

そのため、本実施形態で説明したように、周波数変換方式のフィルタリングによってスプリアス成分を除去するようにした場合に、基本周波数の成分を精度良く抽出できるだけでなく、水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。ひいては、基準クロックを生成する水晶発振器の出力周波数に誤差があっても、精度の良い電力制御ができる高周波電源装置を提供できる。   Therefore, as described in the present embodiment, when the spurious component is removed by frequency conversion filtering, not only the fundamental frequency component can be accurately extracted but also due to an error in the output frequency of the crystal oscillator. The problem can also be improved. As a result, it is possible to provide a high-frequency power supply device that can perform accurate power control even if there is an error in the output frequency of the crystal oscillator that generates the reference clock.

なお上述したように、フィルタ109、差周波数信号レベル検出部110、第2のフィルタ123、第2の差周波数信号レベル検出部124のそれぞれで効果があるので、フィルタ109、差周波数信号レベル検出部110、第2のフィルタ123、第2の差周波数信号レベル検出部124のそれぞれをデジタル回路で構成しなくても、少なくとも1つをデジタル回路で構成しても水晶発振器の出力周波数の誤差に起因する問題も改善できる。   As described above, each of the filter 109, the difference frequency signal level detection unit 110, the second filter 123, and the second difference frequency signal level detection unit 124 is effective, so the filter 109, the difference frequency signal level detection unit 110, the second filter 123, and the second difference frequency signal level detection unit 124 are not configured by a digital circuit, but at least one of the second filter 123 and the second difference frequency signal level detection unit 124 is configured by a digital circuit. Can be improved.

<その他の効果>
また、本実施形態のように構成すると、高周波電力の周波数の如何に関わりなく、進行波電力の電力値と第1の差周波数信号レベル検出部110により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第2の差周波数信号レベル検出部124により検出されるレベルとの対応関係が狂うのを防ぐとともに、第2の高周波発生部の出力レベルの変動により、第1及び第2の乗算部108及び122の出力が変動して、進行波電力の電力値と第1の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係及び反射波電力の電力値と第2の差周波数レベル検出部により検出されるレベルとの対応関係が変化するのを防ぐことができるため、進行波電力と反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御を精密に行わせることができる。従って本実施形態によれば、電力増幅部から負荷に与えられる進行波電力と負荷から電力増幅部側に戻ってくる反射波電力との差の電力値を設定値に保つ制御の精密性を何等損なうことなく、高周波電力の周波数を変化させることができる高周波電源装置を得ることができる。
<Other effects>
Further, when configured as in the present embodiment, the correspondence between the power value of the traveling wave power and the level detected by the first difference frequency signal level detection unit 110 and the reflected wave, regardless of the frequency of the high frequency power. The correspondence between the power value of the power and the level detected by the second difference frequency signal level detection unit 124 is prevented from being distorted, and the first and second frequency fluctuations are caused by fluctuations in the output level of the second high frequency generation unit. The outputs of the multipliers 108 and 122 vary, and the correspondence between the power value of the traveling wave power and the level detected by the first difference frequency level detection unit, and the power value of the reflected wave power and the second difference frequency level. Since it is possible to prevent the correspondence relationship with the level detected by the detection unit from changing, it is possible to precisely perform control for keeping the power value of the difference between the traveling wave power and the reflected wave power at the set value. Therefore, according to the present embodiment, the precision of the control for maintaining the power value of the difference between the traveling wave power given from the power amplification unit to the load and the reflected wave power returning from the load to the power amplification unit side at the set value is A high-frequency power supply device that can change the frequency of the high-frequency power without damaging it can be obtained.

101 第1の高周波発生部
102 第2の高周波発生部
103 周波数設定部
104 周波数指令部
105 電力増幅部
106 高周波検出部
107 乗算部(第1の乗算部)
109 フィルタ(第1のフィルタ)
110 差周波数信号レベル検出部(第1の差周波数信号レベル検出部)
111 第2のレベル設定部
112 第1のレベル制御部
113 出力レベル検出部
114 第2のレベル設定部
115 第2のレベル制御部
116 基準クロック信号発生部
117 水晶発振器
120 反射波基準レベル設定部
121 第2の乗算部
123 第2のフィルタ
124 第2の差周波数信号レベル検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 1st high frequency generation part 102 2nd high frequency generation part 103 Frequency setting part 104 Frequency command part 105 Power amplification part 106 High frequency detection part 107 Multiplication part (1st multiplication part)
109 filter (first filter)
110 Difference frequency signal level detector (first difference frequency signal level detector)
111 Second level setting unit 112 First level control unit 113 Output level detection unit 114 Second level setting unit 115 Second level control unit 116 Reference clock signal generation unit 117 Crystal oscillator 120 Reflected wave reference level setting unit 121 Second multiplier 123 Second filter 124 Second difference frequency signal level detector

Claims (7)

単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第1の高周波信号及び第2の高周波信号をそれぞれ発生する第1及び第2の高周波発生部と、
前記第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第1及び第2の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第1の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号を検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第2の高周波信号とを乗算して、前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る乗算部と、
前記乗算部の出力から前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する差周波数信号を抽出するフィルタと、
前記フィルタにより抽出された差周波数信号のレベルを検出する差周波数信号レベル検出部と、
前記差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力を設定値に保つように前記第1の高周波発生部に前記振幅レベル指令を与えるレベル制御部と、
を備えた高周波電源装置。
A reference clock generation unit that generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator;
The reference clock signal generated by the reference clock generation unit is used to generate a high-frequency signal having an output frequency commanded by a frequency command and an output amplitude level commanded by an amplitude level command. First and second high frequency generators for generating different first high frequency signals and second high frequency signals, respectively;
A frequency command unit that gives the frequency command to the first and second high frequency generation units so as to keep a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal constant;
A power amplifier for amplifying the first high-frequency signal;
A high frequency detection unit for detecting a traveling wave detection signal including information on traveling wave power from the power amplification unit toward the load;
Multiplying the traveling wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit and the second high-frequency signal includes a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A multiplier for obtaining a signal;
A filter that extracts a difference frequency signal having a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal from the output of the multiplier;
A difference frequency signal level detection unit for detecting a level of the difference frequency signal extracted by the filter;
The first high-frequency generation is performed so that the level detected by the difference frequency signal level detection unit is compared with a set level and the traveling wave power from the power amplification unit to the load is maintained at a set value based on the calculation result. A level control unit for giving the amplitude level command to the unit;
A high-frequency power supply device.
前記第2の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第2の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第2の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第2の高周波発生部に振幅指令を与える第2のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする、請求項1に記載の高周波電源装置。
An output level detector for detecting an output level of the second high frequency generator;
The level detected by the output level detection unit is compared with a second set level, and the second high frequency generation unit is maintained at a set constant value based on the calculation result. A second level control unit for giving an amplitude command to the high frequency generation unit of
The high frequency power supply device according to claim 1, further comprising:
前記フィルタ、前記差周波数信号レベル検出部の少なくとも1つがデジタル回路で構成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の高周波電源装置。   The high frequency power supply device according to claim 1, wherein at least one of the filter and the difference frequency signal level detection unit is configured by a digital circuit. 単一の水晶発振器を用いて、複数の基準クロック信号を発生させる基準クロック発生部と、
前記基準クロック発生部で発生させた基準クロック信号を用いて、周波数指令により指令された出力周波数と振幅レベル指令により指令された出力振幅レベルとを有する高周波信号を発生するように構成されて周波数が異なる第1の高周波信号及び第2の高周波信号をそれぞれ発生する第1及び第2の高周波発生部と、
前記第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差を一定に保つように前記第1及び第2の高周波発生部に前記周波数指令を与える周波数指令部と、
前記第1の高周波信号を増幅する電力増幅部と、
前記電力増幅部から負荷に向かう進行波電力の情報を含む進行波検出信号と前記負荷側から前記電力増幅部に向かう反射波電力の情報を含む反射波検出信号とを検出する高周波検出部と、
前記高周波検出部により得られた進行波検出信号と前記第2の高周波信号とを乗算して、前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第1の乗算部と、
前記第1の乗算部の出力から前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第1の差周波数信号を抽出する第1のフィルタと、
前記第1のフィルタにより抽出された第1の差周波数信号のレベルを検出する第1の差周波数信号レベル検出部と、
前記高周波検出部により得られた反射波検出信号と前記第2の高周波信号とを乗算して、前記第1の高周波信号の周波数と前記第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を含む信号を得る第2の乗算部と、
前記第2の乗算部の出力から前記第1の高周波信号の周波数と第2の高周波信号の周波数との差の周波数成分を有する第2の差周波数信号を抽出する第2のフィルタと、
前記第2のフィルタにより抽出された第2の差周波数信号のレベルを検出する第2の差周波数レベル検出部と、
前記第1の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルから前記第2の差周波数信号レベル検出部により検出されたレベルを減算したレベルを設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記電力増幅部から負荷に与えられる電力を設定値に保つように前記第1の高周波発生部に前記振幅指令を与えるレベル制御部と、
を備えた高周波電源装置。
A reference clock generation unit that generates a plurality of reference clock signals using a single crystal oscillator;
The reference clock signal generated by the reference clock generation unit is used to generate a high-frequency signal having an output frequency commanded by a frequency command and an output amplitude level commanded by an amplitude level command. First and second high frequency generators for generating different first high frequency signals and second high frequency signals, respectively;
A frequency command unit that gives the frequency command to the first and second high frequency generation units so as to keep a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal constant;
A power amplifier for amplifying the first high-frequency signal;
A high frequency detection unit for detecting a traveling wave detection signal including information on traveling wave power from the power amplification unit toward the load and a reflected wave detection signal including information on reflected wave power from the load side toward the power amplification unit;
Multiplying the traveling wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit and the second high-frequency signal includes a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A first multiplier for obtaining a signal;
A first filter for extracting a first difference frequency signal having a frequency component of a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal from the output of the first multiplication unit;
A first difference frequency signal level detection unit for detecting a level of the first difference frequency signal extracted by the first filter;
Multiplication of the reflected wave detection signal obtained by the high-frequency detection unit and the second high-frequency signal includes a frequency component of a difference between the frequency of the first high-frequency signal and the frequency of the second high-frequency signal. A second multiplier for obtaining a signal;
A second filter for extracting a second difference frequency signal having a frequency component of a difference between the frequency of the first high frequency signal and the frequency of the second high frequency signal from the output of the second multiplication unit;
A second difference frequency level detection unit for detecting a level of the second difference frequency signal extracted by the second filter;
A level obtained by subtracting the level detected by the second difference frequency signal level detection unit from the level detected by the first difference frequency signal level detection unit is compared with a set level, and based on the calculation result, A level control unit that gives the amplitude command to the first high-frequency generation unit so as to keep the power supplied from the power amplification unit to the load at a set value;
A high-frequency power supply device.
前記第2の高周波発生部の出力レベルを検出する出力レベル検出部と、
前記出力レベル検出部により検出されたレベルを第2の設定レベルと比較演算してその演算結果に基づいて前記第2の高周波発生部の出力レベルを設定された一定値に保つように前記第2の高周波発生部に振幅指令を与える第2のレベル制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする、請求項4に記載の高周波電源装置。
An output level detector for detecting an output level of the second high frequency generator;
The level detected by the output level detection unit is compared with a second set level, and the second high frequency generation unit is maintained at a set constant value based on the calculation result. A second level control unit for giving an amplitude command to the high frequency generation unit of
The high frequency power supply device according to claim 4, further comprising:
前記第1のフィルタ、前記第1の差周波数信号レベル検出部、前記第2のフィルタ、前記第2の差周波数信号レベル検出部の少なくとも1つがデジタル回路で構成されていることを特徴とする、請求項4又は5に記載の高周波電源装置。   At least one of the first filter, the first difference frequency signal level detection unit, the second filter, and the second difference frequency signal level detection unit is configured by a digital circuit, The high frequency power supply device according to claim 4 or 5. 前記第1及び第2の高周波発生部は、DDS(Direct Digital Synthesizer)方式の高周波発生部であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の高周波電源装置。   7. The high frequency power supply device according to claim 1, wherein the first and second high frequency generators are DDS (Direct Digital Synthesizer) type high frequency generators.
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