Приборы функциональной акустоэлектроники

Приборы функциональной акустоэлектроники предназначены для преобразования, аналоговой обработки и хранения информации.

С помощью акустоэлектронных приборов и устройств можно производить различные операции с сигналами: задерживать по времени, изменять длительность и форму сигналов по амплитуде, частоте и фазе, преобразовывать частоты и спектр сигналов, сдвигать их по фазе, производить модулирование сигналов, производить кодирование и декодирование сигналов, интегрирование сигналов, получать функции свертки и корреляции сигналов. Устройства, производящие эти операции, отнесены к процессорам сигналов.

Акустоэлектронные устройства позволяют также осуществлять хранение информации, такие устройства отнесем к запоминающим устройствам.

На пьезоэлектрическом эффекте основана работа некоторых радиотехнических функциональных приборов – кварцевых генераторов, фильтров, ультразвуковых линий задержки, акустоэлектронных усилителей и преобразователей.

Схема, отображающая классификацию приборов функциональной акустоэлектроники приведена на рис. 2.11. В этих устройствах используются акустические волны в диапазоне 5×10⁶ – 2×10⁹ Гц. Использование приборов и устройств функциональной акустоэлектроники позволяет осуществлять процесс 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

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.

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 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 t_з между входным и выходным электрическими сигналами определяется по формуле:

, (2.4)

где l - среднее расстояние между системами ВШП;

v - скорость распространения поверхностно-акустической волны.

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

, (2.5)

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.

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 предназначены для однократного или единого съема информационного сигнала и должны обеспечивать заданную задержку и форму АЧХ-сигнала 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, R_r, U_r - индуктивность,

сопротивление и напряжение генератора входной цепи,

соответственно; С, R_н- емкость и сопротивление нагрузки

выходной цепи

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).

а б

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 траекторию 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 п независимых 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 объемно-волновых трактов не совпадают, и отсутствует результирующая частота их взаимодействия.

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 d_макс до d_мин.

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

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

Поиск по сайту: