Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 23 из 102)
где ∆η1 ― рассогласование по задержке на интервале длины волны. Относительное отклонение результирующего напряжения
,где ∆υпов — отклонение скорости поверхностной волны от номинальной; ∆υпов.н — номинальная скорость поверхностной волны.
Положим, что отклонение ∆η1 определяется отклонением задержки от номинального значения, для которого проведен расчет преобразователей. Если учитывать влияние на задержку только отклонений скорости поверхностной волны ∆υпов то
∆η12/T02 ≈ ∆υ2пов/∆υ2пов.н.
Как видно, влияние зависимых отклонений на потери в фильтре резко возрастает при увеличении числа пар штырей N. Зная отклонение скорости поверхностной волны от номинальной, просто найти уменьшение напряжения отклика. Например, при очень малом отклонении в скорости (∆υ2пов/∆υ2пов.н=10-6) получим
∆U∑(∆θ)/ Uн=0,06 при N=100;
∆U∑(∆θ)/ Uн=0, 6 при N=300.
Следовательно, отклонения в скорости распространения поверхностной волны и времени задержки в звукопроводе значительно влияют на отклик на выходе фильтра.
При случайных независимых отклонениях полагаем, что известно D )(оно одинаково для всех штырей). Тогда из уравнения U∑(∆θ) ≈ ≈
108
.Следовательно, при увеличении числа пар штырей случайная составляющая ∆U∑(∆θ)/ Uн уменьшается, устремляясь к нулю. Этот результат аналогичен полученному ранее для фильтров на ПЗС, где относительное влияние случайных независимых отклонений уменьшается с увеличением числа ячеек памяти. В фильтрах на ПАВ остается только незначительное среднее отклонение выходного напряжения, не зависящее от количества пар штырей. Например, при больших относительных отклонениях задержки [D1/2(∆θ1)/Т0=0,01] уменьшение среднего значения составит 0,2% . Следовательно, можно допускать существенные случайные независимые отклонения при изготовлении штырей.
Конструирование преобразователей фильтров на ПАВ. При конструировании фильтров на ПАВ необходимо решить ряд вопросов, связанных с вторичными эффектами, к числу которых в первую очередь следует отнести эффекты отражения акустических волн от штырей преобразователей, от краев звукопровода и т. д. Наиболее существенное влияние оказывает отражение от штырей. Действительно, волна, распространяющаяся под штырями, с одной стороны, накапливает интенсивность, суммируясь с волнами других пар штырей, а с другой ― отражается от каждой последующей пары.
Нанесенные на поверхность звукопровода штыри изменяют условия и скорость движения волны. В них возбуждается электрическое напряжение, происходит вторичное излучение, т. е. отражение волн. Эффект этот тем больше, чем больше пар штырей и чем больше коэффициент электромеханической связи kм. Эффект отражения существенно ограничивает количество пар штырей и требует тщательного выбора материала звукопровода (в зависимости от требований к полосе частот). Заметим, что использование подобных отражений лежит в основе функционирования резонаторов на ПАВ.
В фильтрах на ПАВ эффект отражений стремятся уменьшить, для чего используют очень тонкие напыленные штыри, толщиной примерно 100 … 200 нм, а также подбирают соотношения между величинами a и h. Установлено, что целесообразно выбирать отношение a /(a+h), равное примерно 0,6 при материалах с небольшим значением kм и 0,7…0,8 — с большим kм.
При конструировании фильтров сначала в зависимости от требований к полосе и средней частоте выбирается материал звукопровода. Для звукопровода могут быть использованы как монокристаллические, так и поликристаллические (пьезокерамические) материалы. Монокристаллы обеспечивают малые потери на распространение ПАВ ( около 0,1 … 0,5 дБ/см на частотах до 2 ГГц). Они стабильны во времени (для силиката висмута отклонение скорости волны от кристалла к кристаллу не превышает ±0,06 %). Характеристики некоторых материалов приведены в табл. 1.9.2 и 1.9.3. В фильтрах с соотношением ∆fп/f0 до 0,05 … 0,06 наиболее широко используется кварц SiO2 различных срезов. В этом случае малый коэффициент электромеханической связи позволяет получить
109
низкий уровень отраженных от штырей сигналов даже при числе штырей более 300...500. Кварц также отличается высокой температурной стабильностью, и поэтому могут быть получены кристаллы, позволяющие создать звукопроводы длиной 100...200 мм.
Для фильтров с полосой ∆fп/f0≈0,5...0,6 применяется в основном ниобат лития LiNbO3, который благодаря большому коэффициенту электромеханической связи позволяет уменьшить затухание в фильтре, но при небольшом числе штырей примерно 10. Таблица 1.9.2
| Материал | Ориентация | Скорость волны υпов, км/с | Измене ние скорост и ∆υ/υпов | Коэффиц иент электроме ханическо й связи k2м, % | Оптимал ьная полоса ∆fп/f0, % | Температ урный коэффиц иент скорости αυ.106, 1/°С | Температ урный коэффици ент задержки ατ.106, 1/°С |
| Кварц Ниобат лития Танталат лития Германат висмута | YX ухе/420 45' YZ 41,5°, X ZY YX [110] (111) | 3,159 3,158 3,488 4 3,329 3,148 1,708 | 0,09 0,058 2,41 2,77 0,59 0,037 0,82 | 0,23 0,16 5,04 5,78 1,21 0,075 1,69 | 5,3 4,6 24 28 11 3,2 15 | 38 14 -87 -57 -52 -33 -123 | -24 0 94 72 69 49 115 |
Таблица 1.9.3
| Марка керамики | Скорость υпов, км/с | Коэффициент электромехани ческой связи kм, % | Диэлектриче ские потери tgδ, % | Добротно сть Q.10-3 | Температурны й коэффициент частоты αf.106 |
| В-16, В-17, В-18 ЦТС- 19 ПКД-38, 329/20 | 2,2...2,4 2,1 2,3; 2,4 | 0,3...0,35 0,31 0,38; 0,15 | 0,25... 0,32 3,5 0,5 | 1,75 0,5 1,0; 2,5 | 25 21 30, 120 |
110 0,04мм
К числу перспективных материалов для звукопроводов можно отнести танталат лития LiТаО3 и германат висмута Bi12GeO20. Танталат лития является единственным материалом, в котором высокие пьезоэлектрические свойства сочетаются с хорошей термостабильностью. Германат висмута применяется для линий задержки на большие длительности из-за низкой скорости распространения ПАВ и для фильтров со сложными ВШП. Это объясняется тем, что можно получить относительно большие размеры кристаллов. налы, состоящие из Nэ элементов сигнала длительностью Тэ с квазислучайными фазами, отличающимися на π. Напомним, что для таких сигналов основные особенности согласованных фильтров заключаются в фазочастотной характеристике. Простейший фильтр для этих сигналов представляет собой совокупность элементов задержки с отводами и сумматора. Описанные выше фильтры могут быть выполнены на основе электромеханических и кварцевых линий задержки. Но это вызывает большие конструкторско-технологические трудности и обычно число отводов, т. е. база сигнала, не превосходит 100 ... 200. Фильтры на ПАВ представляют в этом отношении интересные возможности. Действительно, для формирования отвода достаточно одной или двух пар напыленных встречных штырей. Общая длина такого преобразователя-отвода может составлять сотые и тысячные доли миллиметра. Расстояние между парами штырей lотв определяется длительностью элемента сигнала Тэ:
lотв=υповTэ
Если, например, Тэ составляет 0,25 мкс, как это часто бывает на практике, то расстояние между парами штырей при υпов≈400 м/с должно быть lотв =