Акустоэлектронные приборы

Эти приборы реализуют совокупность достижений акустоэлектроники – раздела акустики, находящегося на стыке нескольких научных направлений – акустики твердого тела, физики полупроводников, сегнетоэлектриков и радиоэлектроники. В основе акустоэлектроники лежат исследования принципов построения ультразвуковых устройств с различными функциональными возможностями, а также разработка и серийный выпуск акустоэлектронных изделий.

В акустоэлектронных устройствах используются звуковые и ультразвуковые волны широкого диапазона частот от единиц до десятков ГГц. В низкочастотной области акустоэлектронные изделия выполняются на основе пьезокерамических материалов, позволяющих преобразовывать звуковые и ультразвуковые сигналы в электрические и обратно, что дает возможность создать очень много акустоэлектронных изделий, работающих в диапазоне от единиц до 30 МГц.

Для высокочастотного диапазона широко используются как объемные акустические волны (ОАВ), так и поверхностные акустические волны (ПАВ). Основным преимуществом ПАВ является доступность волнового фронта, что позволяет снимать сигнал и управлять распространением волны в любых точках звукопровода, а также управлять характеристиками этих устройств и создавать многочисленные устройства с различными функциями.

Современные акустоэлектронные приборы обычно представляют собой структуры резонансного типа. Принцип действия многих из них основан на использовании пьезоэффекта.

Прямой пьезоэффект проявляется в образовании зарядов на поверхности твердого тела под воздействием механических напряжений. Обратный пьезоэффект проявляется в изменении геометрических размеров тела под действием приложенного напряжения.

Исторически первым материалом, нашедшим применение в акустоэлектронике, был монокристалл кварца. На его основе реализуются различные акустоэлектронные приборы, наиболее распространенным среди которых является кварцевый резонатор.

Кварцевый резонатор представляет собой однородную пластину кварца. В кварцевом резонаторе возбуждаются ОАВ в виде продольных колебаний по типу сжатие-растяжение. Основным электрическим параметром кварцевых резонаторов является частота, вблизи которой изменение импеданса имеет резонансный характер. Эта частота жестко фиксирована. Основной размер, определяющий частоту продольных колебаний кварцевого резонатора это длина пластины.

Кварцевые резонаторы по сравнению с резонаторами из других материалов обладают наибольшей стабильностью частоты и отличаются высокой добротностью.

В теле однородной кварцевой пластины нельзя обнаружить область, соответствующую индуктивности, емкости или сопротивлению. Тем не менее, кварцевая пластина выполняет функции резонатора, т.е. заменяет несколько реактивных элементов и резисторов. В кварцевом резонаторе возбуждаются резонансные механические колебания за счет приложения к нему переменного электрического поля, и, наоборот, при возбуждении колебаний механическим путем на обкладках резонатора появляется электрическое напряжение, при этом резонатор должен иметь механическую связь с источником колебаний.

В электрической цепи переменного тока на частотах, близких к резонансным, кварцевый резонатор ведет себя как последовательно-параллельный колебательный контур имеет вид в соответствии с рисунком 7.6.

Рисунок 7.6 – Эквивалентная схема кварцевого резонатора

Для такой схемы характерны два резонанса: последовательный (резонанс напряжений ветви LCR) и параллельный (резонанс токов во всем контуре). Емкость С является статическим параметром резонатора, а L, R, C – динамическими. Все эти параметры сравнительно легко определяются. В первом приближении частота резонанса (частота последовательного резонанса) f­_P определяется как

,

а частота антирезонанса (частота параллельного резонанса) f_a-как

.

Типовая зависимость сопротивления резонатора Z от частоты имеет вид в соответствии с рисунком 7.7. Отметим, что в резонансном промежутке сопротивление контура носит индуктивный характер, вне резонансного промежутка – емкостный, а на частотах резонанса и антирезонанса – активный. Избирательный характер сопротивления кварцевых резонаторов определил области их применения.

Помимо кварцевых резонаторов широкое применение находят акустоэлектронные элементы на основе других пьезоактивных материалов. В них могут быть возбуждены не только объемные акустические волны, но и изгибные, сдвиговые, поверхностные, крутильные и др. В низкочастотных акустоэлектронных элементах используются изгибные, а в высокочастотных – поверхностные акустические волны.

Рисунок 7.7 – Зависимость сопротивления резонатора Z от частоты

Преобразователи ПАВ насчитывают семь различных типов. На практике широкое применение находят преобразователи двух типов: с синфразной системой электродов и со встречно-штыревыми электродами.

Синфазная система электродов используется чаще всего для создания линий задержки. Электрический сигнал подводится к двум электродам, размещенным на противоположных плоскостях пьезоэлектрической пластины, в соответствии с рисунком 7.8.

Здесь левый синфазный преобразователь возбуждает в кристалле под действием входящего электрического сигнала акустическую волну. Правый синфазный преобразователь преобразует акустическую волну в электрический сигнал, сдвинутый по времени относительно сигнала на входе. Время задержки определяется временем прохождения акустической волны между преобразователями.

Рисунок 7.8 – Фильтр ПАВ с синфазной системой электронов

Система синфазных преобразователей с переменным зазором, способная выполнять функцию дисперсионной линии задержки имеет вид в соответствии с рисунком 7.9. Здесь время прохождения сигнала разных частот f₁ и f₂ будет различно.

Рисунок 7.9 – Встречно-штыревой преобразователь с переменным шагом и изменением длины штырей в одном из рядов

Шаг гребенки может увеличиваться или уменьшаться в направлении распространения. Расстояние между гребенками определяет время распространения и соответственно время задержки. Расстояние между зубцами будет соответствовать длине возбуждаемой волны. Если эти расстояния равны, то реализуется широкополосная система. Если же расстояния существенно различаются, то будут различаться и пролетные времена и получится дисперсионная линия задержки.

Преобразователи со встречно-штыревыми системами электродов имеют две системы электродов, расположенных на одной стороне пьезоэлектрической пластины, и представляют собой вдвинутые друг в друга две гребенчатые структуры.

Внешне такой преобразователь похож на систему электродов эмиттера и базы мощного транзистора с гребенчатой структурой. Увеличение числа полос в гребенке повышает эффективность преобразования, однако при этом сужается полоса рабочих частот.

Встречно-штыревые системы, также как синфазные, могут исполняться с переменным шагом и могут быть использованы как в широкополосных системах, так и в дисперсионных линиях задержки. Изменением длины электродов можно менять величину амплитуды поля и добиваться определенного вида АЧХ. В общем случае обе эти системы возбуждают волны в двух направлениях, перпендикулярных зубцам.

Перспективное направление акустоэлектроники связано с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ). Эти волны распространяются в поверхностном слое пьезокристалла толщиной порядка длинны волны. Длина акустической волны зависит от скорости распространения акустических колебаний V_ак и частоты электрических колебаний f:

В современных ТВ приемниках в основном применяются бесподстроечные элементы, такие как ИМС и фильтры ПАВ. Качество телевизионного изображения и звукового сопровождения в значительной степени зависит от электрических характеристик тракта промежуточной частоты (ПЧ). Фильтры ПАВ могут успешно использоваться для формирования АЧХ и фазочастотных характеристик блока радиоканала.

Основные преимущества – малые размеры, высокая надежность, повторяемость и стабильность параметров. Фильтры на ПАВ хорошо согласуются с ИМС по электрическим параметрам и имеют сходную технологию изготовления. Элементы реальной конструкции фильтра на ПАВ имеют вид в соответствии с рисунком 7.10.

Рисунок 7.10 – Фильтр ПАВ с элементами реальной конструкции

На этой частоте шаг совпадает с длинной акустической волны (l=λ_ак), и электрический сигнал преобразуется в ПАВ изменяя количество штырей, можно изменять полосу пропускания фильтра

где N – число пар штырей.

Наиболее эффективно, чем больше штырей тем больше усиление ПАВ

Фильтр содержит пьезоэлектрическую подложку 1 с полированной рабочей поверхностью, на которую методами фотолитографии нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) 2 и экранирующий электрод 3. Один из преобразователей соединен с источником сигнала, другой с электрической нагрузкой. На края подложки наносится акустопоглотитель 4, позволяющий исключить паразитные переотражения ПАВ.

При подаче высокочастотного сигнала на входной ВШП электрическое поле преобразователя вызывает деформацию пьезоэлектрической подложки с частотой входного сигнала. В результате возбуждается ПАВ, а также широкий спектр объемных волн.

Максимальная амплитуда волны в подложке возникает на частоте акустического синхронизма:

,

где l- пространственный шаг штырей.

Параметры фильтра на ПАВ определяются геометрией ВШП и электрофизическими свойствами материала подложки. Для анализа работы фильтров на ПАВ используют «импульсную модель», основанную на соответствии между геометрией ВШП и его импульсной характеристикой. Эффективным источником возбуждения акустической волны является электрический заряд на электродах. Источники ПАВ представляются в виде d – функций. Амплитудой d – источников можно управлять за счет перекрытия штырей, а фазу d – источников можно регулировать путем изменения их расположения. Таким образом, периодически расположенные штыри представляются пространственными выборками, промодулированными весовой функцией. Импульсная характеристика является сверткой импульсных характеристик входного и выходного ВШП соответственно, АЧХ фильтра определяется произведением АЧХ входного и выходного ВШП.

В настоящее время серийно выпускаются телевизионные фильтры на ПАВ с несущей частотой изображения 38 и 38,9 МГц. Фильтры выполнены на подложках из 128°YX – среза ниобаталития. Конструкция фильтров содержит входной преобразователь, насчитывающий 185 штырей и выходной преобразователь с емкостным взвешиванием, имеющий 20 двойных штырей. Оба преобразователя находятся в одном акустическом потоке.

Современные ПАВ фильтры характеризуются малыми потерями (2 ÷ 6 дБ) и высокой селективностью (до 100 дБ). В настоящее время фильтры ПАВ работают на частотах до 900 МГц, ведется разработка фильтров, способных работать на частотах от 1,2 до 1,3 ГГц. Диапазон воспроизводимых полос – от сверхузкополосных фильтров (0,3% от номинальной частоты) до сверхширокополосных (до 70%).