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

а – общая схема; б – АЧХ входного ВШП;

в - АЧХ выходного ВШП; г – суммарная АЧХ

В процессе переизлучения волны из верхнего канала в нижний происходит преобразование апертурной модуляции ПАВ в модуляцию интенсивности звуковой волны. Это позволяет принимать сигнал выходным ВШП, аподизированным непосредственным взвешиванием электродов. В таком фильтре происходит достаточно сильное подавление сигнала вне полосы пропускания входного (рис. 2.23, б) и выходного (рис. 2.23, в) преобразователей. Амплитудно-частотная характеристика такого фильтр получается путем перемножения парциальных характеристик: А_ = А_вх х А_вых.

Полосовые фильтры позволяют реализовать заданную АЧХ с подавлением за полосой пропускания до 40 - 70 дБ с коэффициентом прямоугольности формы 1,2 - 1,5. Фильтры рассчитаны на центральные частоты от 10⁷ до 10⁹Гц с полосой пропускания от 10^-1 до 4х10⁵ Гц.

Микроэлектронная технология производства полосовых фильтров позволяет легко интегрировать их в радиотехнические цепи и системы, тиражировать без подстройки параметров.

Системный анализ показал, что улучшение характеристик полосовых фильтров возможно за счет снижения вклада физических эффектов второго порядка:

- многократные отражения ПАВ от краев ВШП;

- сигналы тройного прохождения, обусловленные преобразователями;

- электроакустическая регенерация вследствие постоянного чередования электрических и акустических полей;

- дифракция пучка ПАВ и его отклонение от направления распространения;

- отражение от краев звукопровода;

- ложные сигналы, вызываемые объемными, продольными и поперечными модами;

- изменение скорости ПАВ из-за поверхностной загрузки звукопровода;

- дисперсия скорости звука в металлизированных областях;

- искажение фазового фронта ПАВ вследствие различия прохождения в центральной и периферийной областях;

- краевые эффекты взаимодействия соседних электродов;

- паразитные электростатическая и электромагнитная связи входного и выходного преобразователя;

- искажение характеристик внешними цепями согласования и т. п.

Полосовые фильтры имеют достаточно широкий диапазон частот и полос пропускания. Поэтому они нашли применение в качестве фильтров промежуточной частоты для телевизионных приемников, в системах связи и радиолокации.

Дисперсионные фильтры - представляют собой функциональное линейное устройство, предназначенное для получения задержки, зависимой от частоты, и имеющее модулированную импульсную характеристику. Устройства со сжатием импульса находят широкое распространение в радиолокационных системах. В этих системах увеличение длительности зондирующего импульса позволяет увеличить чувствительность за счет увеличения отношения сигнал/шум. При этом необходимо сузить полосу пропускания приемника и снизить мощность шума на входе. Однако большая длительность импульса ведет к ухудшению разрешающей способности по дальности и невозможности различать две близко находящиеся цели. Это противоречие можно разрешить методом сжатия импульсов с использованием дисперсионных фильтров.

На рис. 2.24 представлена конструкция дисперсионного фильтра на отражательных решетках.

Рис. 2.24. Конструкция дисперсионного фильтра

на отражательных решетках

Входной и выходной ВШП практически идентичны. В качестве устройства управления ПАВ используются отражательные неэквидистантные решетки из канавок. Каждая из решеток меняет направление волн на 90 ^о.

2.2.3. Генераторы на пав

Акустоэлектронный генератор является активным акустоэлектронным устройством, предназначенным для генерации акустических сигналов.

Различают два типа генераторов на ПАВ в зависимости от используемого стабилизирующего элемента. В первом типе используется ПАВ-линия задержки, включенная в цепь положительной обратной связи усилителя (рис. 2.25, а).

Линия задержки позволяет возбудить колебания на частотах , определяемых соотношением  = 2V_a / L, где L - длина линии задержки.

Рис. 2.25. ПАВ-генератор на основе ЛЗ (а) и его спектральная характеристика (б); на основе резонатора (в) и его спектральная характеристика (г); 1 - ВШП; 2 - отражательные структуры;

3 - усилитель; 4 - подложка

Для получения одномодового режима необходимо строгое выполнение соотношения L = п, где  - длина звуковой волны, п - целое число. Частота генераций может быть изменена за счет изменения скорости ПАВ в резонирующей полости или введением фазового сдвига во внешней цепи. Спектральные характеристики генератора на ЛЗ приведены на рис. 2.25, б.

В генераторе второго типа в качестве стабилизатора частоты используется ПАВ-резонатор с одним входом (рис. 2.25, в). Усилитель подключается между разнополярными шинами преобразователя. Селективные свойства генератора определяются размерами резонирующей полости и параметрами отражательной структуры. Добротность ПАВ-резонаторов составляет около 10⁴ и это позволяет создавать конкурентоспособные генераторы. В одновходовых генераторах возникают трудности с перестройкой частот. Линейная модуляция в таких генераторах обеспечивается в очень узкой полосе.

У генераторов этого типа шумовые характеристики лучше, чем у генераторов на ПАВ ЛЗ. На рис. 2.22, г приведены спектральные характеристики генератора на ПАВ-резонаторе.

Оба типа генераторов могут работать на основных частотах от 10⁷ до 10⁹ Гц без использования дополнительных схем умножения частоты.

Анализ показал, что важным преимуществом генераторов на ПАВ является возможность частотной модуляции, а также заданный переход к нужным частотам при условии сохранения стабильности частоты: кратковременной 10^-9 с^-1, долговременной 10^-6 год^-1 и температурной около 10^-6 °С^-1 в диапазоне до + 50 °С. Такие генераторы могут быть использованы в радиолокационных системах, дальномерах на основе доплеровского сдвига частоты, а также в стандартных радиотехнических устройствах.

2.2.4. Усилители

Усилители представляют собой акустоэлектронное устройство, предназначенное для усиления акустических сигналов.

Во всех ранее рассмотренных устройствах функциональной электроники уровень входного сигнала существенно выше уровня выходного, преобразованного сигнала. Это вполне закономерно, т. к. значительная часть энергии затрачивается на преобразование одного вида сигнала в другой и обратно, прохождение через звукопровод и т. п. Для сохранения уровня сигнала необходимо встраивать усилители, что приводит к значительным технологическим трудностям.

Решение проблемы усиления сигналов можно найти, более пристально изучая физические процессы при распространении динамических неоднородностей. Ранее уже указывалось, что динамические неоднородности в виде ПАВ являются результатом взаимодействия электрических полей с пьезоэлектриками. Распространение акустических волн сопряжено с распространением волн зарядовой плотности. Усиление акустических волн можно производить как за счет подачи на электроды ВШП большего сигнала, так и за счет «перекачки» энергии из волн зарядовой плоскости в акустические волны. Это явление акустоэлектронного взаимодействия, широко используемое в конструкциях усилителей.

В зависимости от типа континуальной среды различают ионное взаимодействие (в металлах), потенциал - деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупроводниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополупроводниках). Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее постоянное электрическое поле E₀, создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей V_др и скорости звука V_а (рис. 2.26, а).

Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ V_a > V_др = E₀ ( - подвижность электронов), энергия волны поглощается электронным газом. При скорости дрейфа, большей фазовой скорости ПАВ V_дp > V_ происходит перекачка энергии электронов в энергию акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале распространения и, соответственно, на выходных ВШП получится усиленный сигнал.

Таким образом, за счет перераспределения энергии в динамических неоднородностях различной физической природы можно получить эффект усиления. Исследовались конструкции усилителей на основе этого эффекта. В частности акустоэлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 2.26, б.

Рис. 2.26. Схема взаимодействия динамических

неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими свойствами (а), конструкция усилителя на ПАВ (б); 1 - акустическая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического поля E₀; 2 - то же в присутствии поля

С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы предложены две континуальные среды. В одной преимущественно распространяются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой - электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляется путем создания слоистых структур с использованием технологии тонких пленок. В качестве генератора ПАВ используется стандартная конструкция ВШП. Звукопровод выполняется, например, на основе ниобата лития, на поверхности которого на изолирующей пленке диоксида кремния выращивается пленка антимонида индия толщиной около 500 Å. Вся поверхность покрывается достаточно толстой (порядка 1000 Å) защитной пленкой диоксида кремния. Края полупроводниковой пленки снабжены омическими контактами для подвода дрейфового напряжения. В качестве полупроводниковых сред могут быть использованы также CdS, CdSe, ZnS, ZnO, GaAs и др.

Сущность явления состоит в следующем. Если вблизи рабочей поверхности пьезоэлектрического волновода поместить полупроводник, то пьезоэлектрические поля, сопровождающие ПАВ, будут проникать в полупроводник и наводить в нем электрические токи. Если теперь приложить постоянное электрическое поле, которое вызовет дрейф носителей заряда в полупроводнике в направлении распространения ПАВ, то носители заряда будут отдавать свою энергию волне (ПАВ). Для усиления волны необходимо, чтобы скорость их дрейфа превышала фазовую скорость ПАВ.

Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В качестве устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структуре на тракте распространения сигнала.

На основе использования явления взаимодействия ПАВ с носителями заряда в полупроводниковых и слоистых структурах разработаны акустоэлектронные усилители.

На рис. 2.27 показано устройство акустоэлектронного усилителя на поверхностных волнах.

На сапфировой подложке 3 в пространстве между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) выращивают эпитаксиальным способом монокристаллический слой кремния n-типа 2 толщиной около 1 мкм. У краев слой кремния снабжен омическими контактами для подвода дрейфового напряжения U_др. Между акустической подложкой 4 и слоем кремния 2 существует воздушный зазор 1. Величина воздушного зазора выбирается в зависимости от частоты усиливаемых сигналов (от 50 нм для работы на частоте 100 МГц до 20 нм – для 1 ГГц). Такие усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах, имеют малый коэффициент шума и коэффициент усиления до 35 дБ.

Рис. 2.27. Акустоэлектронный усилитель на ПАВ:

1 – воздушный зазор; 2 – кремниевая пленка;

3 – сапфировая подложка; 4 – акустическая подложка

Анализ показал, что акустоэлектронные усилители могут работать, как в импульсном, так и в непрерывном режимах усиления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных частотах 10 Гц с полосой порядка 10 %.

Акустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие системы.

В настоящее время разработка функциональных акустоэлектронных устройств достигла такого уровня, что они способны заменить отдельные схемотехнические устройства при работе в реальном масштабе времени с выигрышем не только по потребляемой энергии и надежности, но также по стоимости габаритам и стоимости. Однако на пути широкой практической реализации этих приборов стоят еще значительные технологические трудности.

2.2.5. Акустические преобразователи

Пьезоэлектрические преобразователи используют для возбуждения с помощью электрических сигналов акустических волн в ультразвуковых линиях задержки и обратного преобразования их в электрический сигнал.

В настоящее время разработано множество акустических преобразователей.

Наилучшим пока является преобразователь, который изготовляют посредством напыления на торец звукопровода, покрытого металлической пленкой, тонкого слоя сульфида кадмия CdS (см. рис. 2.28).

Рис. 2.28. Акустический преобразователь с напыленной

пленкой сульфида кадмия: 1 – металлическая пленка;

2 – звукопровод; 3 – напыленная пленка сульфида кадмия

Такие преобразователи имеют малые потери (до 12 дБ для пары преобразователей на частотах 300…400 МГц) и широкую полосу пропускания (порядка 30 %) на частотах от 100 до 1000 МГц.

На частотах порядка 10 ГГц в качестве преобразователей используют обедненный слой смещенного в обратном направлении p-n-перехода (рис. 2.29). Выбором напряжения смещения U_см толщину обедненного слоя доводят до десятых долей микрона и модулируют высокочастотным напряжением u_вх.

Рис. 2.29. Акустический преобразователь на p-n-переходе:

1 – золото; 2 – обедненный слой; 3 – GaAs n-типа;

4 – звукопровод

На принципе электромеханического резонанса основано действие прибора, называемого резонистором и представляющего собой транзистор с резонирующим затвором (рис. 2.30).

Затвор З, представляющий собой часть балки, противоположный конец которой закреплен на изоляторе, нависает над каналом между стоком С и истоком И. Под балкой на изоляторе расположен электрод, на который подается входной сигнал. Сила электростатического взаимодействия сигнального электрода с затвором, на который также подано постоянное напряжение смещения, раскачивает балку в случае, когда частота сигнала совпадает с механическим резонансом балки. Вибрирующий затвор модулирует канал, обусловливая наличие переменной составляющей тока в нагрузке R_н. Консоль из золота имеет длину 0,25 мм. Такие резонисторы на частотах 1…45 кГц имеют добротность 100…750. При обратной связи с выхода на вход резонистора можно получить тональный генератор, подобный широко известному камертонному генератору. Разработаны и применяются резонисторы и для более высоких частот, приблизительно до 1 МГц.

Рис. 2.30. Устройство резонистора

3. Функциональная диэлектрическая

ЭЛЕКТРОНИКА

3.1. Физические основы

Функциональная диэлектрическая электроника представляет собой направление в функциональной электронике, в котором изучаются явления и эффекты в активных диэлектриках, а также возможность создания приборов и устройств обработки и хранения информации на основе динамических неоднородностей электрической, магнитной или электромагнитной природы.

3.1.1. Динамические неоднородности