第449章 曝光场

高频脉冲电机的研发正式立项了。

文件是从自动化控制中心发出来的，赵老师牵头，联合西军电、长光所、西安电机厂，组成联合攻关组。

项目名称定得很朴实：《晶振同步高频脉冲电机及其控制系统》。

集成电路实验室接下了控制芯片的设计任务。

谢凯在惊雷项目组，宋颜教授和吴国华又要紧跟昆仑工程。

最终，吕辰与诸葛彪、钱兰组成三人接下了设计任务。

这不是一个通用逻辑芯片能解决的问题。

通用芯片要兼顾各种应用场景，设计时必须做大量妥协。而

高频脉冲电机的控制芯片，要求太具体。

要接收晶振的精确时钟，要产生高频脉冲序列，要接收光栅尺的实时反馈，要实现闭环控制算法，最后还要驱动功率放大级。

每一项要求，都是硬指标。

这不是通用逻辑芯片，需要定制化设计。

吕辰从抽屉里翻出一个新的笔记本，封皮是深蓝色的硬壳纸，内页带着淡淡的方格。

扉页上写着一行字：高频脉冲电机控制芯片设计手记。

第一页，用工整的钢笔字梳理着芯片的功能。

晶振接口，接收来自西军电特制晶振的精确时钟信号，频率稳定性优于10^-6级别。

分频/倍频单元，根据电机转速要求，对晶振频率进行分频或倍频，生成基准脉冲。

脉冲生成模块，产生步进脉冲序列，脉冲频率决定电机转速，脉冲数量决定步进角度。

反馈处理单元，接收光栅尺的位置反馈信号，与理论位置进行实时比对。

闭环控制算法，根据比对结果，计算误差修正量，调整下一时刻的脉冲输出。

功率驱动接口，将控制信号放大到足够驱动功率管的电平。

保护逻辑，过流、过压、过热情况下的紧急停机。

吕辰看着这些功能和需求，回忆着这段时间和赵老师、秦教授、长光所专家的讨论。

赵老师关心动态响应，电机启动、停止、变速的时候，控制信号能不能跟得上？延迟不能超过多少微秒？

西军电的专家反复强调“温度稳定性”，晶振再好，温度一变也会漂。

芯片必须能对这个漂移做动态补偿。

长光所的专家更关注“光栅尺接口”，反馈信号怎么处理？是直接读脉冲，还是解码成位置数据？要不要在芯片里集成专用的解码逻辑？

吕辰把这些问题一条一条写在笔记本上。

然后在“反馈处理单元”旁边加了一个括号：“建议集成增量式光栅尺解码逻辑。”

他在“闭环控制算法”旁边又加了一行：“需包含pId控制器的硬件实现，或至少提供pId运算的硬件加速。”

他翻到第三页，这里画着第一版芯片功能框图。

时钟输入 → 分频/倍频 → 脉冲生成 → 反馈处理 → 功率驱动接口

他盯着这个框图看了很久，然后在“分频/倍频”和“脉冲生成”之间，又加了一个小方框：“温补接口”。

时钟输入，分频倍频，脉冲生成，反馈处理，驱动接口，温补补偿……

这些模块，要集成在一块只有拇指盖大小的芯片里。

线宽五微米，面积不超过四十平方毫米，功耗控制在瓦级以内。

吕辰想起前世那些芯片，动辄几亿个晶体管，几十个核心，几百个接口。

而现在，他要在五微米工艺的限制下，用几千个晶体管，实现一个完整的伺服控制系统。

就像一个木匠，手里只有一把锯子和一把刨子，却要造出一座钟表。

坐在对面的诸葛彪眉头皱起来：“温补接口？西军电的晶振到底需要什么样的补偿曲线。还有光栅尺解码，长光所那边给的信号格式，详细文档什么时候到？”

钱兰也皱着眉头：“按你这个框图，最少得两千五百个晶体管。”

吕辰点头：“五微米工艺，四十平方毫米，应该能放得下。”

“能放下。”诸葛彪说，“但问题是良率。管子越多，良率越低。这个规模，咱们的中试线怕是百分之十都做不到。”

诸葛彪说的是实话。

五微米工艺，缺陷密度摆在那里。

芯片面积越大，晶体管越多，碰到缺陷的概率就越高。

良率不是线性下降，是指数下降。

“那就得取舍。”吕辰走回桌边，“哪些功能必须片上，哪些可以外接？”

钱兰道：“晶振接口、分频倍频、脉冲生成，这三块必须片上。反馈处理可以简化，只做脉冲计数和简单比较，复杂的pId算法放到外面。”

吕辰摇头：“放外面延迟太大。反馈信号要实时处理，过了几十微秒再修正，电机可能已经抖起来了。”

诸葛彪点头：“那就片上，但要留旁路模式。”

他进一步解释：“正常工作时，用片上的pId。如果片上的pId不够用，可以通过一个引脚切换，把反馈信号直接引出去，让外部电路处理。”

钱兰点头：“这个想法有道理，兼顾了集成度和灵活性，但pId算法要乘加运算，要用运算放大器，要用反馈电容电阻。这一块，占的面积至少是分频器的三倍。两千五百个管子，一半都得用在这上头。”

模拟电路占的面积，比数字电路大得多。

一个运算放大器，可能要几十个管子，还要配电阻电容。

在五微米工艺下，这些元件占的地方，能放几百个数字门。

吕辰想了想：“如果砍掉pId，只用简单的比较器，那控制精度就下来了。赵老师那边要的是微米级定位，光靠比较器不行。”

三人沉默了。

图纸摊在桌上，阳光从窗户照进来，照在那张密密麻麻的草图上。

过了好一会儿，诸葛彪开口了：“要不，脉冲发生器，用计数器加Rom查表实现？”

吕辰看向他：“什么意思？”

诸葛彪拿起笔，在纸上画了个示意图：“传统的脉冲发生器，是用分频器加逻辑门，产生固定的步进脉冲。但咱们这个电机，要跑不同的速度，要加减速，要S曲线，靠纯逻辑太复杂了。”

他在图上画了一个方框，标着“计数器”，又画了一个方框，标着“Rom”。

“用计数器产生地址，Rom里存着预先算好的脉冲时序。电机要跑什么速度，就从Rom里读出对应的脉冲序列。这样，脉冲发生器这一块，就可以做成数字电路，面积小，功耗低，还灵活。”

钱兰眼睛亮了：“这个思路好。Rom可以用晶体管阵列实现，一个比特一个管子，比模拟电路省地方多了。”

吕辰盯着那张图，脑子里飞快地转着。

计数器加Rom查表，确实比纯逻辑实现灵活得多。而且Rom是数字电路，面积小，工艺容错性好。就算有几个坏掉的存储单元，也可以通过冗余设计来弥补。

“pId那块怎么办？”他问。

钱兰想了想：“pId还是要片上。但可以把连续时间的模拟pId，改成离散时间的数字pId。”

吕辰愣了一下：“数字pId？”

“对。”钱兰拿起笔，在纸上写了个公式，“位置式pId算法，u(k) = Kpe(k) + Kisum(e(j)) + Kd*(e(k)-e(k-1))。这个可以用加法器、乘法器、寄存器实现，全是数字电路。”

诸葛彪凑过来看那个公式，眉头皱着：“数字pId……要用乘法器？乘法器占地方也不小。”

“可以用移位加代替乘法。”钱兰说，“Kp、Ki、Kd这些系数，事先量化成二进制，然后通过移位和加法来实现。精度可能差一点，但对于电机控制足够了。”

吕辰笑道：“你们两个，今天这是开了窍了？一个Rom查表，一个数字pId，全是数字方案。”

诸葛彪也笑了：“被逼出来的。就那么点地方，不往数字上靠，根本放不下。”

钱兰在笔记本上飞快地记着：“那咱们就这么定，晶振接口，用差分放大器加施密特触发器。分频器，用可编程计数器阵列。脉冲发生器，用计数器加Rom查表。反馈处理，用增量式光栅尺解码逻辑加误差比较器。pId控制器，用数字pId，系数可配置。功率驱动接口，用推挽输出加过流保护。温补接口，用温度传感器加查表补偿。”

她写完，抬起头，看着吕辰和诸葛彪：“还有什么要加的？”

吕辰想了想：“留测试接口。芯片流出来，要能测里面每个模块的工作状态。不然出了问题，都不知道是哪个模块坏了。”

钱兰点点头，在笔记本上加了一行：“测试接口：扫描链+关键节点引出。”

诸葛彪也说：“电源和地要多留几个引脚。数字电路和模拟电路要分开供电，减少干扰。”

钱兰又加了一行：“分离供电：模拟Vdd/数字Vdd/驱动Vdd。”

三个人围着那张图纸，一条一条地过。

时钟输入，分频倍频，脉冲生成，反馈处理，数字pId，功率驱动，温补接口，测试接口，分离供电……

每一条都讨论得清清楚楚，每一条都写在笔记本上。

等到全部过完，已经快中午了。

吕辰直起腰，活动了一下僵硬的脖子：“差不多了。下午我把这个框图整理成正式文档，明天咱们去找宋教授汇报。”

诸葛彪点点头，把那些散乱的图纸收起来。

钱兰合上笔记本，笑道：“也难怪陈厂长他们要做这个，昨天我去看了GcA-201cGS，手动进给。操作员得憋着气，一丝颤抖都不敢有，才能把线条对准。”

她比划了一下：“一块晶元放上去，曝光一百次，就是憋气一百次。他们是真的做到了，内炼一口气，外炼精骨皮。”

说完，大家都笑了起来。

诸葛彪道：“GcA-201cGS是半接触式，多少还有电机驱动，已经算好的了，我们中试线那个原型机才真的是要了命。进给全造手动，那个摇柄就是个杠杆，对准了后就不敢松手，一松手就自动漂移，柳工就这样用了半年，谁都没告诉。还是一次陈志国来看了一眼，指出了杠杆原理，车了一个环形柄上去，才算解决，柳工激动得当场招婿。”

他说得热闹，大家都笑了起来。

吕辰道：“下一代光刻机，要自动进给，要微米级精度，要靠咱们这个电机。”

他顿了顿，声音低下来：“如果咱们做不成，下一代光刻机就出不来。下一代光刻机出不来，两微米工艺就上不去。两微米工艺上不去，咱们的芯片就永远停在五微米。五微米的芯片，做不了昆仑工程！”

钱兰道：“所以咱们没得选，必须做成。哪怕良率只有百分之五，哪怕流十颗只能出一颗，也要做。”

诸葛彪总结道：“这说明什么，说明咱们有用。”

三个人都笑了。

正扯着闲，方教授走了进来，脸色不太好。

三人起身打招呼。

吕辰道：“方教授，您怎么来了？快请坐。”

方教授一脸疲惫，摆摆手道：“不坐了，我来找你，是有个事想让你看看。”

“方教授，您说。”

方教授叹了口气：“长光所那边在研发GcA-201cGS的下一代产品，我们工业监测实验室，接了个任务，需要想办法看到光刻机的曝光场景。”

吕辰三人对视一眼：“看到曝光场景？什么意思？”

方教授从兜里掏出一个小本本，翻开。

“光刻机曝光的时候，掩模版上的图案，要通过镜头投影到硅片上。这个过程，肉眼看不见。因为曝光时间很短，而且光刻胶对光敏感，不能拿眼睛直接看。”

他抬起头：“但设计师想知道，曝光的时候，图案到底是怎么落在硅片上的？有没有畸变？有没有衍射？有没有杂散光？这些问题，用理论计算能算个大概，但算不准。”

吕辰点点头：“所以你们想直接看？”

“对。”方教授说，“我们构建了一个思路，用一条纯净的玻璃丝，把曝光台的光信号引出来。然后用一个增强管，把光子、甚至是红外辐射，转换成电子。电子经过高压电场加速，撞击微通道板，产生倍增效应。一个电子，变成成千上万个电子。电子再轰击荧光屏，重新变成光。这样，图像就被放大了几万倍。”

吕辰听着，脑子里飞快地转着。

玻璃丝传光，光电转换，电子倍增，荧光屏显示……

这不就是微光夜视仪吗？

方教授继续说：“验证机做出来了，但是突然遇到一个问题。我们模拟了GcA-201cGS的曝光台，用那个增强管去看，只能看到雪花。曝光的时候，又是一片白光。等曝光结束，又变回雪花。”

他看着吕辰：“小吕，我苦思了很久，也不知道问题出在哪儿。十几万经费，就这么打水漂了。”

吕辰沉默了几秒。

然后他站起来：“方教授，您那验证机，能让我们看看吗？”

方教授也站起来：“可以，就在我们实验室。”