Устройства функциональной электроники (РТФ, Климовский, 5 семестр) / Варианты / Свистова ФЭ

обработки аналоговой и цифровой информации достаточно просто и надежно. При этом удается получить выигрыш в габаритах, массе энергии и стоимости, что характерно для приборов микроэлектроники.

Рис. 2.11. Классификация устройств функциональной акустоэлектроники

2.2.1. Линии задержки

Линия задержки предназначена для временной задержки сигналов без заметных искажений.

Основным преимуществом линии задержки (ЛЗ) на ПАВ являются их небольшие габариты, достаточно широкий диапазон частот (до 109 Гц), хорошая температурная стабильность (порядка 10-6 С-1). Эти свойства обусловлены, прежде всего, особенностями ПАВ, а именно невысокой (около 105 см/с скоростью распространения, бездисперсионностью, эффективным преобразованием электрической энергии в акустическую и наоборот. Классификация линий задержки приведена на схеме, представленной на рис. 2.11.

50

Линия задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (рис. 2.12) является твердотельным функциональным устройством и представляет собой подложку из пьезоэлектрика 1, на поверхность которой методом фотолитографии наносятся системы токопроводящих элементов. Одна из таких систем – излучающий преобразователь ПАВ 2 – подключается к источнику входного сигнала, другая – приемный преобразователь ПАВ 3 – к нагрузке.

Рис. 2.12. Линия задержки на поверхностных акустических волнах

В качестве звукопровода 1 обычно применяется пластина, или стержень, или провод из пьезоэлектрического материала (например, ниобат лития LiNbO3, пьезокварц SiO2, германат висмута Bi12GeO20, пьезокерамика) с тщательно отполированной поверхностью, на которой расположены электромеханические преобразователи: входной 2 и выходной 3. Эти преобразователи обычно выполняются в виде гребенчатых электродов из тонкой металлической пленки толщиной 0,1 – 0,5 мкм. Их называют встречно-штыревыми преобразователями (ВШП). К входному ВШП подключен источник электрического сигнала, и в звукопроводе возникает ПАВ. А в выходном преобразователе, к которому подключена нагрузка, возникает электрический сигнал. Края на обоих концах пластинки искажаются или нагружаются абсорбционной резиной для подавления отражения в направлении распространения первичной волны. Под действием высокочастотного электрического напряжения источника сигнала в зазорах между смежными электродами излучающего

51

преобразователя возникает переменное электрическое поле, которое вследствие пьезоэффекта материала подложки вызывает механические колебания в ее поверхностном слое. Эти колебания распространяются в тонком приповерхностном слое подложки в направлениях, перпендикулярных электродам в виде поверхностных акустических волн. Между смежными электродами приемного преобразователя вследствие обратного пьезоэффекта механические колебания ПАВ обуславливают появление электрического напряжения, которое и является выходным сигналом.

Время задержки tз между входным и выходным электрическими сигналами определяется по формуле:

где l - среднее расстояние между системами ВШП;

V- скорость распространения поверхностноакустической волны.

Максимальное акустоэлектрическое взаимодействие систем ВШП имеет место при характеристической частоте f0, определяемой следующим соотношением:

где h - шаг ВШП.

С целью устранения нежелательных отражений ПАВ от торцов подложки, а также с целью ослабления других типов акустических волн, которые могут быть возбуждены излучающим преобразователем ПАВ, все нерабочие грани и ее торцы покрываются специальным звукопоглощающим покрытием.

52

Поверхностные акустические волны обладают всеми свойствами объемных волн, доступны для воздействия на всем пути их распространения вдоль линии, а технология изготовления ультразвуковых линий с поверхностными волнами совместима с технологией изготовления интегральных микросхем. Наиболее широкое распространение в технике получили поверхностные волны ультразвукового диапазона. Применение акустических волн этого диапазона позволило уменьшить габариты акустических линий задержки.

Линии с однократной задержкой сигнала предназначе-

ны для однократного или единого съема информационного сигнала и должны обеспечивать заданную задержку и форму АЧХсигнала с максимальной точностью в пределах широкого диапазона температур. Конструктивное решение линии задержки определяется требуемым временем задержки сигнала, а полоса пропускания выбранной топологией ВШП (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Линия с однократной задержкой сигнала:

1- входной ВШП; 2 - континуальная среда; 3- выходной ВШП; 4 - поглотители ПАВ; L, Rr, Ur - индуктивность,

сопротивление и напряжение генератора входной цепи, соответственно; С, Rн- емкость и сопротивление нагрузки выходной цепи

53

Исходя из обобщенной модели изделия функциональной электроники, заметим, что в качестве континуальной среды в ЛЗ чаще используются кварц Y-среза (ST), ниобат лития, германат висмута. Выбор конкретного материала осуществляется на основе энергетического критерия, позволяющего обеспечить минимальные потери, или на основе критерия температурной стабильности параметров.

Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит ВШП, как правило, неаподизированный и эквидистантный.

В зависимости от характера включения линий задержки на ПАВ могут работать «на проход» (рис. 2.14, а) или «на отражение» (рис. 2.14, б), причем во втором случае один и тот же преобразователь выполняет функции, как излучателя, так и приемника ультразвука (УЗ).

Рис. 2.14. Схема включения линий задержки на ПАВ, работающих «на проход» (а) и «на отражение» (б):

1 и 2 - преобразователи; 3 - звукопровод

Многоотводные линии задержки (МЛЗ) предназначены для увеличения максимального времени задержки, увеличения числа дискретных диапазонов задержки, регулировки времени задержки. Максимальную задержку сигналов можно получить, эффективно управляя распространением ПАВ. Увеличивая тра-

54

екторию распространения ПАВ в пределах одного звукопровода, можно получить заданные параметры. На рис. 2.15 приведены некоторые конструктивно-технологические решения, связанные с увеличением звукового тракта.

Рис. 2.15. Многоотводная линия задержки:

а - матричная конструкция; б - пленочный звукопровод; в- каскадное включение парциальных ЛЗ

Матричная конструкция МЛЗ имеет входной ВШП и матрицу выходных, располагающихся по т в пнезависимых каналах (рис. 2.15, а).Шаг в одном составляет L, дискрет задержки l = L/ n. Другие варианты, например, могут быть связаны с созданием звукового тракта в виде ломаной линии с использованием пьезоэлектрических пленок в качестве континуальной среды (рис. 2.15, б). Рассмотренные конструкции не обеспечивают подавление трехзаходного сигнала и объемных волн, возникающих между ВШП и тыльной стороной звукопровода. Конструкция каскадного включения парциальных ЛЗ позволяет избежать этих помех (рис. 2.15, в). Парциальные ЛЗ выполнены на подложках различной толщины l1 и l2 так, что АЧХ объемноволновых трактов не совпадают, и отсутствует результирующая частота их взаимодействия.

55

Процесс производства МЛЗ заключается в поиске конструктивных и электрических характеристик звеньев линии задержки.

Дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) предназначены для формирования зависимости задержки от частоты сигнала.

В ДЛЗ используется генерирующий ВШП с неэквидистантным расположением штырей. Шаг электродов меняется от

dмакс до dмин.

В отличие от физической дисперсии используется «топологическая» дисперсия. На рис. 2.16 представлена одна из конструкций ДЛЗ. Генерирующий ВШП несимметричен и неаподизирован, а детектирующий имеет малое число штырей и рассчитан на широкую полосу АЧХ. Дисперсионная характеристика имеет линейный характер.Основное достоинство ДЛЗ несимметричной конструкции заключается в достаточно простом способе изменения наклона дисперсионной характеристики.

Рис. 2.16. Дисперсионная линия задержки

с«топологической» дисперсией

Спомощью ДЛЗ можно формировать линейно-частотно- модулированные сигналы (ЛЧМ). Линейный закон изменения задержки сигнала от частоты может быть обеспечен уменьшением шага электродов ВШП.

Простейшая ультразвуковая линия задержки, работаю-

щая на объемных акустических волнах, представляет собой стержень твердого тела, к противоположным концам которого прикреплены пьезоэлектрические преобразователи (рис. 2.17).

56

На вход подается радиоимпульс с несущей частотой порядка нескольких десятков мегагерц. Электрические колебания во входном пьезоэлектрическом преобразователе превращаются в акустические и излучаются в звукопровод, где распространяются со скоростью значительно меньшей, чем скорость распространения электромагнитных волн. Кварцевые преобразователи работают на сжатие. Дойдя до выходного преобразователя, акустические колебания вызывают появление в нем эдс, которая после усиления и детектирования образует выходной задержанный видеоимпульс. Задержка может достигать нескольких десятков миллисекунд.

Рис. 2.17. Ультразвуковая линия задержки: 1 – входной преобразователь;2 – звукопровод;

3 – выходной преобразователь

2.2.2. Устройства частотной селекции

На поверхностных волнах разработаны резонаторы, полосовые фильтры, фазовращатели и другие радиоэлектронные элементы. В основу работы этих устройств положено использование упругих поверхностных акустических волн, распространяющихся вдоль границы твердого упругого полупространства с вакуумом или другой разреженной средой, например воздухом.

57

Устройства частотной селекции представляют собой процессоры, предназначенные для выделения необходимых сигналов на фоне шумов и помех.

К устройствам частотной селекции относятся фильтры, которые можно классифицировать по следующим независимым признакам:

- по виду частотной характеристики: полосовые (пропус-

пускающие частоты от 0 до fв)верхних частот (пропускающие частоты вышеfв);

-по физическому принципу: резонансные (по акустическому или электрическому резонансу), трансверсальные (по фазочастотной характеристике), нетрансверсальные (по ампли- тудно-частотной характеристике);

-по виду обрабатываемых сигналов: аналоговые (обработка сигнала в виде непрерывной функции), цифровые (обработка сигнала в виде дискретной функции).

Кустройствам частотной селекции относятся также резонаторы. Резонаторы на объемных акустических волнах были хорошо известны. ПАВ-резонаторы, как правило, самостоятельного значения не имеют, однако широко используются в конструкциях фильтров.

Большое распространение получили фильтры на ПАВ, позволяющие реализовать практически любую форму амплитуд- но-частотной характеристики. В основе способа функционирования таких фильтров лежит зависимость скорости акустических волн от условий распространения, а вместе с этим и частотных свойств фильтра. Электроакустический фильтр содержит управляющие электроды, расположенные по обеим сторонам звукопровода, между входным и выходным преобразователями. При изменении управляющего напряжения происходит соответствующее изменение характеристик фильтра.

58

Полосовые фильтрыполучили наиболее широкое распространение среди элементов частотной селекции на ПАВ. Различают сверхузкополосные фильтры (0,01 % < f/f0< 0,1 %), узкополосные (0,1 % < f/f0<1 %), среднеполосные (1 % < f/f0< 10 %), широкополосные (10 % < f/f0< 50 %) и сверхширокополосные (50 % < f/f0< 100 %), где f – полоса пропускания; f0 – центральная, рабочая частота. Полосовые фильтры используются в диапазоне частот от 10 МГц до 2 ГГц. Фильтрация частот в полосовых фильтрах осуществляется за счет селективных свойств ВШП. Основными разновидностями ВШП являются: эквидистантный преобразователь (с одинаковым расстоянием между штырями); неэквидистантный преобразователь (с различными расстояниями между штырями); неаподизированный преобразователь (с одинаковыми перекрытиями штырей); аподизированный (взвешенный) преобразователь (с различной степенью перекрытия штырей).

Самым простым по конструкции из полосовых фильтров является однопроходной фильтр. Рассмотрим элементы его конструкций. В качестве континуальной среды используются различные пьезоэлектрические материалы. Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит входнойэквидистантный ВШП, имеющий многоэлектродную структуру. Ам- плитудно-частотная характеристика эквидистантного ВШП (рис. 2.18, а)может быть определена с помощью преобразования Фурье.

В исследованной конструкции фильтра входной сигнал представлен в виде импульса с прямоугольной огибающей, заполненной колебаниями с частотой f0. Входной ВШП преобразует входной сигнал. Фурье-спектр этого сигнала может быть аппроксимирован функцией

59