устройства функциональной электроники

регенерацией. Необходимо принимать меры к его уменьшению. Сами переотражения делятся на три типа: от активной части электродов, от пассивной части электродов, от краев преобразователя.

Для уменьшения отражений от краев преобразователя суммирующие шины выполнены по форме, соответствующей закону аподизации (рис. 8.6).

В аподизованном преобразователе (рис. 8.7), состоящем из противофазных двойных (расщепленных) штырей 1,2 с изменяющимся перекрытием, дополнительные штыри 3,4 выполнены в виде сплошных участков и расположены под некоторым углом к рабочим (активным) штырям. Причем эти штыри, расположенные по разные стороны от центра преобразователя, наклонены в противоположные стороны. Это значительно уменьшает отражения ПАВ от них.

Часто для уменьшения отражений вдоль оси фильтра между входным и выходным ВШП располагают экран в виде наклоненной проводящей полоски

(рис. 8.8) или контура, угол наклона к горизонтальной оси ϕ = 840 .

Для уменьшения прохождения объемных волн и высокого подавления сигнала вне полосы пропускания между входным и выходным ВШП располагают многополосковый ответвитель (рис. 8.9).

Условия ответвления энергии из канала А в канал Б следующие:

Для уменьшения дифракционных искажений ПАВ используют прореживание электродной структуры частотозадающего ВШП – периодическое удаление из преобразователя одинаковых по числу электродов групп. Если длина удаленных групп по апертуре, периоду неодинакова, это же осуществление аподизации для улучшения коэффициента прямоугольности АЧХ фильтра (рис. 8.10).

Часто между ВШП располагают фазосдвигающий участок в виде металлических полосок прямоугольной формы.

Кроме аподизации путем изменения длины перекрытия электродов широко применяется аподизация изменением ширины электродов и зазора между ними (рис. 8.11).

91

В этом случае наибольшая ширина электродов и зазора между ними amax = Va / 4 f1 , а наименьшая amin = Va / 4 f2 (рис. 8.12).

K=Uвых/Uвх

На предыдущих рисунках не показано поглощающее покрытие на поверхности звукопровода вблизи его торцов. Длина этого покрытия должна

быть не менее 10λ a . Достаточная взаимная экранировка между ВШП

обеспечивается при расстоянии между их ближайшими краями не менее 4λ a .

Не показаны также элементы экранирования.

Выше рассмотрены ПАВ – фильтры, не содержащие отражательных решеток.

8.2. Нелинейные акустоэлектронные устройства – конвольеры

Врадиолокационных станциях для достоверности поступающей информации нужно сравнивать сигнал с опорным и находить функцию корреляции, или свертку.

Вустройствах на поверхностных акустических волнах (ПАВ) при больших уровнях распространяющейся мощности проявляются нелинейные эффекты. Они связаны с решеточной нелинейностью, если используются пьезоэлектрики, и с концентрационной нелинейностью, если используются пьезополупроводники. Тогда наряду с основной волной с частотой ω появляются волны с частотами 2 ω , 3ω . Появление высших гармоник вызывает дополнительное затухание основной гармоники.

Наиболее широко нелинейные эффекты в пьезоэлектрике используются в конвольерах – устройствах свертки сигналов. Конструкция

конвольера на ПАВ приведена на рис. 8.13. Пусть U1 (t) и U2 (t) - входные

гармонические сигналы с частотами ω 1 и ω 2 . Вследствие нелинейности

пьезоэлектрика при больших уровнях мощности на выходе появляются члены U12 (t, x) и U22 (t, x) , а также

члены.

93

Параметрический электрод обладает избирательностью и считывающей ту составляющую электрического поля, которая не зависит от

координаты х. Еслиω 1 = ω 2 , тот считывается третья составляющая. Если ω 1 № ω 2 , то считывается первая и вторая составляющие. Однако частоты

членов U12 (t, x) и U22 (t, x) равны нулю и эти члены подавляются

параметрическим электродом, так как постоянный ток через него не проходит. Таким образом, выходное напряжение конвольера определяется только составляющей с суммарной частотой и возникает только при

2π

составляющих) с периодом k2 − k1 используется другая конструкция конвольера (рис. 8.14), который называется невырожденным. Здесь

94

Отсюда видно, что для увеличения выходного напряжения нужно уменьшать ширину параметрического электрода w . Её можно уменьшить до

нескольких длин волн λ a . Такой узкий параметрический электрод начинает

вести себя как волновод ПАВ. В таком металлизированном волноводе могут распространяться волны нескольких типов. Желательно, чтобы распространялась волна одного типа, тогда уменьшаются искажения. Оптимальная ширина волновода (рис. 8.16) w находится из соображения

Конструкция волноводного конвольвера показана на рис. 8.17. С помощью волновода сужается апертура луча. Сопротивление ВШП достигается малое с помощью аподизации. Используется сдвоенная структура, полярность электродов обратная. Это приводит к тому, что волны, возбужденные на одном краю подложки, не возбуждают преобразователи на другом краю. Электродные шины позволяют уменьшить потери энергии. Индуктивности устраняют эффект длинной линии.

Разработаны также конвольверы, использующие нелинейные эффекты в полупроводниках. Структура диодного конвольвера показана на рис. 8.18. нелинейность обеспечивается диодами, смещенными напряжением E в прямом направлении. Количество ВШП и диодов достигает 150.

Если организовать непосредственную связь ПАВ с полупроводником, можно построить структуры конвольверов, показанных на рис. 8.19. В структуре рис. 8.19,а зазор между полупроводником и LiNbO3 выбирается порядка 0,5 мкм. Электрическое поле, связанное с ПАВ, проникает в полупроводник, обедняет поверхность и создает нелинейность.

Al

LiNbOз

W

h

Рис.8.16

96

9.1.Элементы устройств отображения информации (элементы индикации)

Используются электролюминесцентные, светодиодные, накальные, жидкокристаллические индикаторы, а также газоразрядные и электрохромные.

Электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) основаны на использовании явления электролюминесценции. Это свечение свойственно некоторым кристаллическим веществам, у которых под действием электрического поля атомы переходят в возбужденное состояние. Широко применяются порошковые люминофоры на основе сульфидов цинка – ZnS. Такие материалы имеют примесную проводимость. Атомы примеси могут входить в кристаллическую решетку путем внедрения или замещения. Места расположения примесных атомов называют центрами люминесценции (активации). В этих центрах электроны могут получать достаточную энергию для перехода в зону проводимости. При возвращении электрона в центр активации часть поглощенной энергии освобождается и появляется люминесцентное свечение.

Любой ЭЛИ представляет собой плоский конденсатор (рис. 9.1), у которого диэлектриком служит композиция органической смолы и люминофора. Прозрачный проводниковый электрод позволяет наблюдать излучение и обычно получается методом распыления окиси олова. Переменное напряжение, приложенное к проводящим электродам, создает необходимую для свечения напряженность поля. Стеклянная пластина предохраняет ЭЛИ от внешних воздействий. Основными характеристиками ЭЛИ является яркость, спектральный состав излучения (цвет), контрастность, потребляемая мощность, срок службы, рабочее напряжение, частотная характеристика. Под контрастностью понимают отношение яркости объекта к

яркости фона: k = B0 . Эти параметры в значительной степени определяются

Bф

составом и свойствами люминофора. Величина яркости ЭЛИ обычно лежит в пределах (10-40) Mkg2 . Зависимость яркости от амплитуды напряжения Um

аппроксимируется формулой B = AU k , где А – коэффициент; к – показатель, лежащий в пределах (3-5).

Частотная зависимость яркости представляется выражением B = cf n ,

где с и n – константы.

С увеличением частоты f ускоряются процессы. При низких частотах яркость с ростом частоты возрастает, в соответствии с формулой. Потом нарастание яркости замедляется и затем яркость уменьшается.

Верхний предел амплитуды напряжения определяется пробоем и достигает нескольких сот вольт. Верхний частотный предел определяется

98

емкостью конденсатора и тем фактором, что срок службы обратно пропорционален рабочей частоте.

ЭЛИ подразделяются на буквенные, цифровые, мнемонические, с видимым изображением, с изменением цвета свечения, матричные, мозаичные. Вид ЭЛИ определяются исполнением непрозрачного проводящего электрода в виде сегментов, растра, мнемосхемы и т.д. К сегментам припаиваются выводы, затем всю конструкцию герметизируют. Качество герметизации определяет долговечность устройства. У мнемонических ЭЛИ светящиеся изображение сделано в виде специальных знаков, символов, геометрических фигур. Индикаторы с видимым изображением имеют прозрачный электрод в виде изображения какой-то картины. Индикаторы с изменением цвета свечения изготавливают с применением растра – слоев люминофора в виде узких полосок, которые светятся, например, синим и желтым цветом. Поэтому можно получить только синее изображение, только желтое, а также зеленое (синий и желтый цвет вместе).

Матричные и мозаичные ЭЛИ позволяют отображать на одном знакоместе знаки и символы любой формы. Матричные индикаторы позволяют засвечивать точку на пересечении горизонтальных и вертикальных полосок – электродов. Мозаичные индикаторы состоят из большого числа отдельных ЭЛИ. ЭЛИ: ЗЭЛ -1, ЗЭЛ – 2, ЗЭЛ 4, ИЭМ2 – 160М, ЗЭЛ41 (5х7 элементов), МЭЛ – 1, МЭЛ – 2.

Светодиодные индикаторы – это низковольтные приборы – диоды, излучающие свет при прохождении тока в прямом направлении, т.е. при инжекции неосновных носителей заряда в базу диода. Полупроводник диода должен обладать излучательной рекомбинацией неосновных носителей заряда. Для этого в базу вводятся примеси, создающие в запрещенной зоне полупроводника энергетические уровни, играющие роль центров рекомбинации. Используются структуры AlAs – GaAs (красное свечение), GaP: Zn – 0, GaP – N (красное свечение), GaP: N (зеленое свечение), GaP: N, Zn – 0 (желтое свечение), SiC (голубое свечение). Светодиодные индикаторы имеют малое значение рабочего напряжения (несколько В), высокое быстродействие (до 50 нс), широкий диапазон рабочих температур, устойчивость к механическим и климатическим воздействиям. Конструктивно эти индикаторы бывают точечными, буквенно – цифровыми, матричными, мозаичными. Одиночные светодиоды выпускаются в корпусах и без них, с линзовыми приспособлениями и без них. Это АЛ102, 2Л101, ЭЛ102, КЛ114, ЗЛЭ41, АЛ301, АЛ307.

Цифровые светодиодные индикаторы имеют семисегментную конфигурацию, позволяющую отображать цифры от 0 до 9 и буквы. Они бывают одноразрядными (КЛ114А, АЛ304, АЛ305, АЛ309, АЛ312,321,322, АЛС324,326,328,337,359), многоразрядные (АЛ308,3011,318, АЛС 328,329,330,354). Выпускаются также шкальные светодиодные индикаторы

99

(АЛС343,366,317,345,361,362, КИП103), мнемонические (АЛС355, КИПМ01А – 1к), матричные (АЛ306, АЛС340,347,357,363 и другие).

Вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ) используют явление катодолюминесцентного свечения люминофора при его бомбардировке электронами. ВЛИ представляет собой низковольтный вакуумный триод с положительной сеткой. Индикатор содержит сегментные люминесцирующие аноды, расположенные в одной плоскости и обеспечивающие индикацию цифр от 0 до 9 (рис. 9.2). Кроме анодов внутри стеклянного баллона расположены катод прямого канала, сетка, экран. Сетка и экран соединены вместе. Металлический экран перфорирован в виде комбинации знаков и цифр. Каждый электрод имеет отдельный вывод. Люминофоры: ZnO, активированный Zn (сине-зеленое свечение), ZnS: Ag + I2O3 (синий цвет), (Zn, Cd) S: Ag (зеленый цвет), ZnS:Au, Al+In2O3 (лимонный цвет), ZnS: Mn + In2O3 (желтый цвет), (Zn, Cd) S: Ag + In2O3 (красный цвет).

При прохождении тока по нити накала испускаются электроны. Приобретая некоторую скорость при прохождении через прозрачную сетку, электроны бомбардируют анодный люминофор, в результате этого люминофор светится (если на анод подано напряжение Ua). Изменяя напряжение на сетке, можно регулировать яркость свечения. При этом

яркость B = AjUc , где A - константа; j – плотность тока; Uc – напряжение

на сетке при Ua = const (до 30 В).

Выпускаются буквенно – цифровые одноразрядные ВЛИ (ИВ1,3,6,8,7,11,12,17,22, ИВЛ18/1), многоразрядные (ИВ4,9,13,18,27 и др.), шкальные (ИВЛ1 – 51/5, ИВЛШ1 – 8/13 и др.), мнемонические (ИЛМ1 – 7Л, ИЛМ1 – 80ОМ), матричные и мозаичные (ИВЛМ1 – 5/7 и др.).

Газоразрядные приборы индикации – простейшие приборы, имеют анод и катод, расположенные в баллоне с инертным газом. При приложении напряжения между анодом и катодом возникает тлеющий разряд, свечение которого и наблюдается. Вольтамперная характеристика такого прибора S – образная с двумя «горбами» (максимумами напряжения). Выпускаются элементарные индикаторы – неоновые лампочки (Ми3,6,8,11,15, ТИ – 0,2,03 и др.), тиратроны (МТХ – 90, ТХ – 5,16,17,19), шкальные индикаторы (ИН – 9,13), буквенно – цифровые ГРИ (ИН 1,2,3,4..19), газоразрядные панели (экраны) – ГИП 10000 (100х100 строк и столбцов), ИГПП 16/32.

Накальные индикаторные приборы – это тепловые источники света, используют излучение нагретого тела – вольфрамовой нити, помещенной в вакуумированный или газонаполненный баллон. В одном баллоне может располагаться несколько накальных нитей, расположенных на черной изоляционной панели и составляющих семисегментную структуру, знаки «+», «-» (ИВ10,14).

Жидкокристаллические индикаторы используют различные электрооптические эффекты. Жидкие кристаллы обладают анизотропией физических свойств, характерных для жидкостей. Они содержат длинные молекулы,

100