Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 19 из 102)
Рисунок 1.7.6 Рисунок 1.7.7
88
Таблица 1.7.1
Сумма с учетом
помехи
00100
(4)
01001
(9)
10000
(16)
10100
(20)
11010
(26)
10110
(22)
10001
(17)
01010
(10)
00110
(5)
00000
(0)
Номе Число, Сумма без Число,
р поступающее на помехи поступающее
так вход без помехи на вход с
та учетом помехи
1 00101 (5) 00101 00100
2 00101 (5) (5) (4)
3 00101 (5) 01010 00101
4 00101 (5) (10) (5)
5 00101 (5) 01111 00111
6 00000 (15) (7)
7 00000 10100 00100
8 00000 (20) (4)
9 00000 11001 00110 10 00000 (25) (6)
10100 00000
(20) 00000
01111 00000
(15) 00000
01010 00000
(10)
00101
(5)
00000
(0)
Отклик в результате суммирования чисел 4, 5, 7, 4, 6 представлен в таблице, на шестом такте подается число 00000 и не читается последовательное исключение чисел без помехи и с помехой.
После получения суммы пяти чисел происходит процесс ―вычитания‖, так как на входе прекращается действие сигнала. Подается число 00000, а тактовые импульсы, управляющие действием сумматора, будут последовательно исключать из суммы в начале первое число, потом второе и
т.д., как это показано, начиная с шестого такта, в табл. 6.1. В аппаратуре преобразование аналогового сигнала в цифровой происходит с помощью АЦП, выпускаемых промышленностью серийно.
Если необходимо от цифрового отклика вновь перейти к аналоговому, то используются серийно выпускаемые цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
Используя принцип работы цифрового фильтра, фильтр может быть построен на различной элементной базе.
1.8 АКУСТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
89
Встречно-штыревой преобразователь, акустоэлектронное устройство, предназначенное для преобразования электромагнитных волн в поверхностные акустические и обратного преобразования; разновидность электроакустического преобразователя. Состоит из двух групп металлических электродов (штырей), вложенных навстречу друг другу и расположенных на поверхности звукопровода в основном из пьезоэлектрика. Переменный электрический сигнал, проводимый в встречно-штыревой преобразователь, создает вблизи поверхности звукопровода переменные упругие силы, порождающие ПАВ.
Рисунок 1.8.1. Схематическое изображение двунаправленного встречно-штыревого преобразователя: а – неаподизованного; б – аподизованного; в – с емкостным ―взвешиванием‖ электродов; 1 – источник переменного электрического сигнала; 2 – поглатитель ПАВ; 3 – звукопровод; 4 – металлические электроды; 5 – контактные площадки; 6 – часть преобразователя, осуществляющая модуляцию амплитуды ПАВ; 7 – часть преобразователя, генерирующая ПАВ; λ0 – длина ПАВ. (Стрелками указано направление распространения ПАВ.)
90
Встречно-штыревой преобразователь является двунаправленным преобразователем, т.е. возбужденные им ПАВ распространяются перпендикулярно штырям в двух противоположных направлениях. Исключение помех, вносимых ПАВ, отраженными от края звукопровода, обеспечивается созданием на его поверхности вблизи этого края поглотителя ПАВ. В простейшем встречно-штыревом преобразователе так называемая степень перекрытия электродов (глубина их вложения) одинакова, а расстояние между центрами ближайших межэлектродных зазоров равно λ0/2, где λ0 – длина ПАВ (рис. 1.8.1,а). Максимальная эффективность преобразования переменного электрического сигнала в ПАВ в таком встречно-штыревом преобразователе обеспечивается на частоте f0=v/λ0 (где v – скорость распространения ПАВ), что обусловлено возникновением акустического синхронизма, т.е. сложением в фазе ПАВ, возбужденных каждой парой расположенных рядом электродов. Отклонение частоты переменного электрического сигнала от f0 приводит к уменьшению интенсивности ПАВ. Использование такого встречно-штыревого преобразователя для создания акустоэлектронных устройств (например, полосовых фильтров) ограничено, т.к. его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) [имеющая вид (sinx)/x, где x=πN(f-f0)/f0, N – количество пар электродов в преобразователе] для большинства применений имеет неудовлетворительную форму.
Для получения встречно-штыревого преобразователя с заданной АЧХ используют при его изготовлении т.н. методы ―взвешивания‖, суть которых заключается в том, что интенсивность ПАВ, возбуждаемых каждой парой электродов, меняется в соответствии с заданной функцией (функцией ―взвешивания‖). Наиболее распространенным является встречно-штыревой преобразователь, созданный на основе метода ―взвешивания‖, называемый аподизацией, который заключается в изменении перекрытия каждой пары электродов в соответствии с заданной функцией ―взвешивания‖ (рис. 1.8.1,б).
В таком встречно-штыревом преобразователе (аподизованном преобразователе) каждая пара электродов генерирует ПАВ с одинаковой амплитудой, но с различной шириной акустического луча. Основным недостатком аподизованного встречно-штыревого преобразователя является дифракционная расходимость ПАВ, генерируемых электродами с малым перекрытием (~ длине ПАВ).
Среди аподизованных преобразователей выделяют встречноштыревые преобразователи, изготовленные на основе методов ―непосредственного взвешивания‖, в которых получение заданной АЧХ обеспечивают, например, созданием емкостей между контактными площадками встречно-штыревого преобразователя и его электродами (рис. 1,в). Такой встречно-штыревой преобразователь состоит из двух частей (секций), одна из которых генерирует ПАВ, а другая осуществляет модуляцию их амплитуды в соответствии с функцией ―взвешивания‖.
91
Однонаправленное распространение ПАВ достигается включением двух встречно-штыревых преобразователей через фазосдвигающее устройство (обеспечивает сдвиг фаз на 90°) на расстоянии (n+1/4)λ0, где n – целое число. Такую конструкцию называют однонаправленным встречноштыревым преобразователем. В этом встречно-штыревом преобразователе на частоте акустического синхронизма происходит сложение по фазе ПАВ, возбужденных двунаправленными встречно-штыревыми преобразователями и распространяющихся в одном направлении, и взаимное гашение ПАВ, распространяющихся в противоположных направлениях.
Рисунок 1.8.2. Схематическое изображение однонаправленного встречно-штыревого преобразователя: 1 – источник переменного электрического сигнала; 2 – звукопровод; 3 – согласующее устройство; 4 – фазосдвигающее устройство; 5 – двунаправленный встречно-штыревой преобразователь; n – целое число; λ0 - длина ПАВ. (Стрелками указано направление распространения ПАВ.)
Встречно-штыревые преобразователи изготовляют нанесением тонкой пленки, чаще всего из Al или Au, на пластину пьезоэлектрика.
Встречно-штыревые преобразователи используют для создания
линий задержки, полосовых фильтров и других акустоэлектронных устройств на ПАВ, предназначенных для работы в диапазоне частот от 10 МГц до нескольких ГГц.
92
1.9 ФИЛЬТРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ
ВОЛНАХ
Принцип действия фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ ). На принципах функциональной электроники, а именно на использовании динамических неоднородностей, можно построить фильтры не только на основе ПЗС, но и акустоэлектронные, основанные на применении поверхностных акустических волн. При многих замечательных качествах фильтров на ПЗС их максимальная рабочая частота ограничена примерно 20 МГц. Акустоэлектронные фильтры, основанные на создании и движении динамических неоднородностей в виде дискретных упругих деформаций, удачно дополняют фильтры на ПЗС, так как рабочий диапазон частот фильтров на ПАВ находится в пределах от 1 до 103 МГц.
Напомним, что фильтры, использующие акустические объемные колебания, имеют следующие недостатки: существенно ограничены высшие частоты (для магнитострикционных фильтров — несколько мегагерц, для пьезоэлектрических 10 … 30 МГц); конструкция и технология этих фильтров основаны на механической обработке с очень высокой точностью, т. е. они отличаются по конструкции и технологическим процессам изготовления от современных элементов РЭА, базирующихся на микроэлектронике; по конфигурации и размерам, несмотря на их компактность (по сравнению с электрическими фильтрами), они плохо согласуются с конструкциями ИС.
Фильтры на поверхностных акустических волнах имеют принципиальные преимущества перед другими фильтрами, основанными на эффекте преобразования электрических колебаний в акустические. В устройствах на ПАВ объемные волны не применяются. В связи с этим изменяется принцип их действия и технические возможности.
Для того чтобы использовать поверхностные волны для создания фильтров, необходимо с помощью электрических сигналов во входном преобразователе возбудить их, а затем в выходном преобразователе вновь превратить в электрические сигналы.
Поверхностные акустические волны формируют тонкий, соизмеримый с длиной волны, слой с динамическими неоднородностями в виде упругих деформаций, имеющих дискретный характер. Это позволяет преобразования электрических волн в акустические во входном преобразователе и обратно в выходном осуществлять путем использования тонких металлических штырей (электродов), напыленных на поверхности звукопровода (подложки), обладающего пьезоэлектрическим эффектом.