Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

В схеме коммутации предусмотрены усилители, и обеспечивается контроль выходных параметров за счет применения электронных переключающих схем.

Устройство с управляемым «взвешиванием» электродов представляет собой целенаправленное изменение эффективности преобразования энергии, осуществляемого каждой парой электродов или их группой путем подключения к электродам управляемых импедансных элементов. Это могут быть резистивные, емкостные или индуктивные элементы, а также их комбинации.

Третий способ опирается на управление электрофизическими свойствами подложки под электродами. Мгновенная фаза ПАВ, генерируемая каждой парой ВШП, зависит от знака пьезоэлектрического коэффициента. В свою очередь знак пьезоэлектрического коэффициента может быть изменен переполяризацией в полном соответствии с гистерезисными свойствами материала. Такой прием позволяет управлять процессами генерации ПАВ, создать адаптивные устройства с «памятью». На рис. 2.6, а приведена одна из таких конструкций. Рядом с электродами ВШП (1) размещены электроды переключения поляризации (2), подключенные к источнику поляризующего напряжения Е ^‑ < U_п < E⁺. Это позволяет менять знак поляризации материала звукопровода между металлическим электродом (3) и электродами (2) одновременно или путем перекоммутации локально под каждой парой ВШП. Варьируя значениями U_п и U_вх, можно эффективно управлять генерацией ПАВ.

Рис. 2.6. Конструкция адаптивного генератора ПАВ (а) и

гистерезис пьезоэлектрического звукопровода (б)

Двухфазные преобразователи позволяют генерировать колебания в обе стороны звукопровода «симметрично», другими словами, 50 % энергии направо и 50 % энергии налево. Однако можно управлять и направлением генерации ПАВ. С этой целью целесообразно использовать многофазные преобразователи, позволяющие синфазно подпитывать волну в заданном направлении (рис. 2.7, а). Фазовое распределение подбирается так, чтобы в обратном направлении условие синфазности не выполнялось. Однако полоса пропускания трехфазного преобразователя определяется протяженностью ВШП и ограничена. Для расширения полосы пропускания и достижения однонаправленности генерации предложен преобразователь бегущей волны (рис. 2.7, б). Каждый из электродов ВШП запитывается от одного из отводов электрической линии задержки. Линия задержки рассчитывается так, что время задержки между соседними отводами равно времени распространения ПАВ между соседними электродами. Это резко несимметричный генератор ПАВ, обеспечивающий строго однонаправленную генерацию.

Рис. 2.7. Трехфазный (а) и многофазный (б) генераторы ПАВ

Эффективное управление генерацией осуществляется путем подбора необходимых топологических и технологических параметров.

Эффективное управление прохождением динамических неоднородностей является изменение граничных условий распространения ПАВ. К граничным условиям будем относить большое число физических параметров, характеризующих среду распространения волн вдоль границы твердого тела, и параметры, отражающие структуру звукопровода. Этот метод управления базируется на локальном изменении свойств среды, что весьма эффективно с энергетической точки зрения. Например, если покрыть поверхность звукопровода тонким слоем селенида кадмия, удельное сопротивление которого зависит от уровня освещенности, то можно менять мнимую часть акустического импеданса. В этом случае появляется возможность изменять амплитуду ПАВ в достаточно широком диапазоне значений.

Однако заметим, что методу управления удельной проводимостью поверхностного слоя присущи недостатки, связанные с большим энергопотреблением, громоздкостью проекционных систем.

Если же использовать магниточувствительные пленки, нанесенные на поверхность звукопровода, то изменять упругие свойства пленки, а также акустический импеданс звукопровода становится проще. Возникающие магнитоупругие поверхностные волны обладают рядом специфических свойств. В частности, их разовая скорость зависит от ориентации вектора управляющего магнитного поля, что позволяет эффективно управлять скоростью распространения в пределах 20 %.

Третий метод управления свойствами звукопровода основывается на целенаправленном изменении электрофизических свойств материала звукопровода. Возможность управления свойствами материала может быть реализована за счет термодинамической взаимосвязи тепловых, электрических, магнитных и упругих параметров среды. Управление в этом случае осуществляется с помощью полей различной физической природы.

В некоторых конструкциях приборов используется линейная зависимость между деформацией звукопровода и скоростью распространения ПАВ. Изменение скорости распространения ПАВ также линейно зависит от температуры.

Этот метод отличается простотой, отсутствием дополнительных потерь, позволяет эффективно использовать материалы с большим коэффициентом электромеханической связи.

Управление скоростью распространения ПАВ можно осуществлять, используя эффект электроупругого взаимодействия. С этой целью звукопровод помещается в электрическое поле с напряженностью порядка 10³ В/см. Однако использование высоковольтного источника напряжения сопряжено с известными трудностями.

Скоростью распространения ПАВ можно также управлять, используя термоупругий эффект. Его применение позволяет изменять упругие константы материала в тепловых полях. Однако большая инерционность тепловых процессов ограничивает использование этого метода управления.

2.1.5. Детектирование динамических неоднородностей

Детектирование динамических неоднородностей является, как правило, физическим процессом, обратным их генерации. Если при генерации ПАВ используется прямой пьезоэффект, позволяющий преобразовывать энергию электрического поля в энергию акустической волны, то в процессе детектирования используется обратный пьезоэффект. Устройство, позволяющее детектировать ПАВ, аналогично генератору ПАВ и представляет собой ВШП.

Одним из способов детектирования является управление топологией электродов. С этой целью можно менять их геометрическую конфигурацию, перекоммутировать отдельные электроды или их группы, формировать латентные электроды и управлять локальным облучением световым или электронным потоком.

Форма импульсного отклика ВШП зависит от закона изменения перекрытия электродов, другими словами, от их частоты и апертуры. На рис. 2.10 представлены формы выходных сигналов, зависящие от топологии детектора, при подаче на вход единичного импульса.

Рис. 2.10. Управление генерацией импульсов топологией ВШП:

а – эквидистантный, неаподизированный;

б, в – неэквидистантный; неаподизированный;

г – эквидистантный, аподизированный

по закону sin х / х

Если произвести перекоммутацию штырей детектора, то можно управлять выходным сигналом, аналогично уже рассмотренному случаю (рис. 2.5). Детектирование ПАВ можно осуществлять также методом управляемого взвешивания, осуществляемое путем подключения к электродам преобразователя управляемых импедансных элементов любого типа. Такой прием обеспечивает регулируемую амплитудную модуляцию импульсного отклика, а также управление формой амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик.

И наконец, детектирование можно осуществить, управляя электрофизическими свойствами подложки. В этом случае конструкции выходного ВШП аналогичны входному, а физические процессы детектирования дополнительны (обратны) процессам генерации.

2.2. 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

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.

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.