![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Функциональные компоненты
Увеличение числа выполняемых функций, рост требований по надежности и стоимости определяют необходимость повышения степени интеграции компонентной базы современных РЭС. Интегральная электроника, используемая в настоящее время, предполагает интеграцию элементарных электронных составляющих (резисторов, конденсаторов, транзисторов, полупроводниковых диодов, тиристоров) на кристалле микросхемы. Развитие компонентной базы РЭС связано с уменьшением размеров этих составляющих до субмикронных и переход в манометровый масштаб измерений размеров и расстояний. Весьма скоро будут достигнуты физические пределы интеграции такого схемотехнического направления, когда появятся микросхемы с топологическими нормами порядка 0, 1 мкм, изготовленные на пластинах большого диаметра с помощью литографических установок неоптического экспонирования. При этом многочисленные межсоединения, свойственные схемотехнической интегральной электронике, вызовут ограничение скорости внешнего обмена информацией уровнем 3 ГГц, хотя рабочая частота отдельно изготовленных транзисторов превысит 10 ГГц. Предельные показатели традиционного направления развития интегральной электроники не смогут соответствовать уровню уже существующих задач, таких как системы оперативного распознавания образов, искусственного интеллекта, параллельной обработки потоков информации, управление многомерными базами знаний и др. Традиционно изготовленный схемотехнический базовый элемент интегральной микросхемы (цифровой или аналоговой) выполняют на кристалле, в который с помощью определенных технологических процессов целенаправленно внесено значительное количество локальных неоднородностей на поверхности и в объеме. Полученные неоднородности называют статическими, поскольку они должны оставаться неизменными весь срок эксплуатации микросхемы. Выполнение заданных функций по генерированию, обработке и хранению информации осуществляется на основе определенных схемотехнических решений. Альтернативой интегральной электронике статических неоднородностей является использование динамических неоднородностей в процессе генерирования, обработки и хранения информации, а также интеграция количества выполняемых функций. Увеличение функциональных возможностей интегральной электроники происходит за счет интеграции на одном кристалле не только элементов, но и физических эффектов и явлений. Таким образом, при работе микросхем используются не только схемотехнические решения, но и динамические неоднородности различной физической природы как физические носители информации. Динамическая неоднородность может быть расположена на части поверхности или в локальной области внутри некоторого существующего материала, полученного применением определенных физико-химических процессов. Локализация динамической неоднородности в материале или ее перемещение по рабочему объему материала в результате взаимодействия с физическими полями или другими динамическими неоднородностями различной физической природы могут быть использованы, например, для переноса информации. К динамическим неоднородностям относят ансамбли (пакеты) заряженных частиц, домены (электрические домены, домены Ганна, цилиндрические магнитные домены), волны (поверхностные акустические волны, магнитные статические волны) и др. Размеры динамической неоднородности зависят от ее физического существованием зарядовых пакетов и магнитных доменов) до размера атомов (спиновые, волновые устройства). Следовательно, функциональная электроника является областью интегральной электроники, в которой используются явления возникновения, перемещения и взаимодействия динамических неоднородностей различной природы в однородной среде под действием физических полей. Например, в матрицах приборов зарядовой связи (ПЗС), относящихся по своему принципу действия к изделиям полупроводниковой функциональной электроники, информация обрабатывается или хранится в виде зарядового пакета, состоящего из электронов и дырок. При этом статические неоднородности в приборе и различное схемотехническое обрамление являются вспомогательными. Этим подтверждается тот факт, что функциональная и интегральная электроника развиваются одновременно, дополняя друг друга при создании сложных РЭС. Следует обратить внимание на то, что в функциональной электронике пока не найдено принципиальных ограничений на размеры динамических и статических неоднородностей. Отличительным свойством функциональной электроники является возможность использования в процессе обработки информации функций высшего порядка в качестве основных. Например, интегрального преобразования Лапласа, быстрого преобразования Фурье, процедуры свертки, корреляции, автокорреляции, задержки, фильтрации, когерентного сложения и др. Одновременно могут быть осуществлены традиционные логические операции типа И, НЕ, ИЛИ и т.п. Немаловажно также, что обработка информации происходит без проводников и межсоединений и в аналоговом виде без преобразования в цифровую форму и обратно. Итак, составными частями прибора функциональной электроники являются: динамические неоднородности некоторого материала (например, поверхностные акустические волны); генератор динамических неоднородностей (для их ввода в канал распространения); устройство управления в тракте переноса информации; детектор информации (например, если необходим перевод в двоичный код). Главными направлениями исследований в области функциональной электроники являются разработка теоретических основ и практическое использование достижений в создании новых устройств, использующих свойства таких динамических неоднородностей, как: поверхностные и спиновые акустические волны, цилиндрические магнитные домены, ансамбли (пакеты) зарядов, ядерный магнитный резонанс, голографические массивы, белковые бистабильные среды, фазовые переходы на границах многослойных структур, кооперативное поведение самоорганизующихся неоднородностей, сверхпроводимость, пьезо- и пироэлектричество в диэлектрических средах, электрокапиллярные явления и др.
Акустоэлектроника Одно из направлений развития функциональной электроники, основанное на использовании пьезоэлектрического эффекта, а также физических явлений взаимодействия электрического поля с волнами акустических напряжений в пьезоэлектрическом и полупроводниковом материале, получило название акустоэлектроника. Таким образом, в акустоэлектронных приборах происходит преобразование акустических колебаний в электрические и обратно. Основными пьезоэлектрическими материалами являются кварц, сегнетова соль, турмалин и некоторые виды керамики, со» стоящие из молекул Si02, которые в отсутствие механической деформации имеют нейтральный заряд вследствие равномерно распределенных положительных и отрицательных ионов. При сжатии кристалла на расположенных снаружи электродах появляется разность потенциалов (в этом проявляется прямой пьезоэффект). Под действием приложенного к электродам электрического напряжения И в зависимости от его полярности кристалл поляризуется и изменяет свои геометрические размеры (обратный пьезоэффект). Приложение к электродам переменного напряжения определенной частоты вызывает возбуждение механических колебаний, определяемых свойствами материала кристалла и его размерами.
КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ Ранее других в составе РЭС начали применяться кварцевые резонаторы, в которых используют механические колебания изгиба, сжатия, кручения или сдвига всего объема кварцевой пластины. Чем меньше размеры кристалла, тем выше частота. Например, для частот основной механической гармоники 200...500 кГц кварцевый резонатор, работающий на изгиб, имеет толщину в десятые доли миллиметра, а в длину - несколько десятков миллиметров. Резонаторы такого типа, имеющие несколько механических степеней свободы, колеблются сразу в нескольких направлениях. Например, при возбуждении кристалла в виде прямоугольной пластины имеют место колебания продольные и поперечные (по толщине). Кроме основных возможно появление побочных колебаний (чаще всего изгибных), что приводит к появлению дополнительных составляющих спектра частот резонатора. Наиболее ярко пьезоэлектрический эффект обнаруживается в кристаллах кварца (рис. 3.).
На механическом резонансе в кварцевой пластине устанавливаются стоячие упругие волны, длина которых пропорциональна скорости их распространения по пластине, определяемой анизотропными упругостью и плотностью кристалла (зависимых от направления деформации). Деформация в одном направлении в силу внутренних связей твердого тела вызывает деформацию в других направлениях. Поэтому основная деформация сопровождается побочными резонансами, особенно у пластин с основным механическим резонансом по толщине. В электрической цепи переменного тока кварцевый резонатор проявляет себя как параллельно-последовательный колебательный контур (рис. 4.), в котором сопротивление Rs обозначает потери внутреннего трения в пластине, индуктивность Ls пропорциональна массе кристалла, емкость Cs обратно пропорциональна показателю механической жесткости кристалла, СР - паразитная электрическая емкость выводов и кристаллодержателя.
Рис. 4. Эквивалентная схема замещения кварцевого резонатора
По сравнению с колебательным контуром из сосредоточенных компонентов добротность кварцевого резонатора весьма высока, что позволяет использовать его для создания избирательных фильтров. Кроме того, высокая добротность позволяет обеспечить стабильность частоты электрических колебаний в автогенераторах с кварцем. На рис. 5 приведена зависимость реактивного сопротивления резонатора от частоты приложенного к нему переменного напряжения. На низких частотах резонатор ведет себя как емкость. С повышением частоты емкостное сопротивление уменьшается, и на частоте последовательного резонанса (называемой резонансной частотой кварцевого резонатора) оно снижается до нуля. Резонатор проявляет свойства последовательного контура, его полное сопротивление минимально и равно активному сопротивлению Rs.
Рис. 5. Изменение реактивного сопротивления кварцевого резонатора от частоты
Выше частоты последовательного резонанса, определяемой формулой Томпсона fnoc =1/(2Π (jLsCs)^(1/2)) растет индуктивное сопротивление резонатора и на частоте fnAP резонатор достигает резонанса параллельного колебательного контура. При дальнейшем повышении частоты начинает сказываться шунтирующее действие емкостей кварцедержателя и обкладок (резонатор действует как конденсатор малой емкости). Разность между резонансными частотами невелика и составляет приблизительно 0, 4% от частоты последовательного резонанса. Колебания кварцевых пластин на механических гармониках основного резонанса могут быть использованы для получения резонаторов на более высоких частотах. Например, в случае поперечных колебаний половина длины волны первой гармоники колебаний расположена по толщине (рис. 6, а), а при нечетных гармониках -нечетное число полуволн (рис. 6, б). Знаки зарядов на противоположных плоскостях кварцевой пластины, где расположены сплошные электроды, различны. Поперечные колебания четной механической гармоники (рис. 6, в) вызывают одноименный заряд плоских, частей пластины и отсутствие пьезоэффекта. Аналогичные свойства; проявляются при продольных колебаниях. Однако, применяя несколько электродов на плоскостях резонатора, удается путем их специального электрического соединения получить пьезоэффект на четных механических гармониках. Кварцевая пластина резонатора, используемого на высших гармониках, длиннее пластины резонатора основной механической гармоники. Точность номинальной частоты кварцевых резонаторов достигается биологической подгонкой и составляет +/- (0, 5...1, 0)*10-7. Поскольку добротность кварцевых резонаторов весьма высока (как правило, 104...106 и выше), то в предварительных расчетах сопротивлением потерь Rs эквивалентной схемы замещения можно пренебречь. К важнейшим характеристикам кварцевых резонаторов относятся температурная зависимость резонансной частоты и уровень старения. Для получения резонаторов с минимальным температурным коэффициентом частоты (ТКЧ) выбирают соответствующий срез кристалла (пространственный угол наклона плоскости разрезания исходного кристалла кварца). Например, наименьшим ТКЧ в достаточно широком диапазоне температур (кривая 1 на рис. 7) обладают пластины со срезом под углом 51° (технологический тип ухl/+ 51°30У+45°).
Рис. 6. Упругие механические деформации кристалла кварца по толщине и знаки заряда его плоскостей
Однако вблизи основной частоты пластины этого типа расположен паразитный резонанс, что заставляет применять для пластин другие срезы, например, под углом 35° (технологический тип ухl/+35°15'), ТКЧ которого отражает кривая 2 на рис. 13.5. Небольшим изменением угла среза можно в процессе производства кварцевых резонаторов добиться того, чтобы нулевое значение ТКЧ совпадало с серединой температурного диапазона условий эксплуатации РЭС. ТКЧ резонаторов с пластинами других срезов отличаются болеесущественной зависимостью от температуры.
Рис. 7. Относительное изменение резонансной частоты кварцевого резонатора в диапазоне температур: 1 - пластина со срезом 51°; 2- пластина со срезом 35°
Процесс необратимого изменения резонансной частоты кварцевого резонатора обычно называют его старением, причины которого объясняются изменениями свойств материалов (прежде всего кварцевой пластины). Существенное влияние на старение оказывает качество обработки поверхностей кварца. При длительной эксплуатации для уменьшения скорости старения необходимо поддерживать уровень рабочих напряжений и токов в пределах милливольт и миллиампер. Электроды кварцевых резонаторов на поверхностях пластины изготавливают металлизацией, к которой предъявляются требования высокой прочности. Для металлизации в большинстве применений используют серебро и золото. Крепление пластин в корпусе резонатора зависит от типа механических колебаний. В большинстве случаев пластину с поперечными колебаниями закрепляют специальными пружинными зажимами по ее клиновидному торцу (рис. 8, а), расположенному в узле колебаний, что обеспечивает минимальные вносимые потери. Кварцевые пластины продольных колебаний укрепляют на проволочных выводах из бронзы, припаиваемых к вожженным в узлах колебаний кварца серебряным площадкам (рис. 8, б). Разновидности металлических и стеклянных корпусов кварцевых резонаторов представлены на рис. 9. К современным РЭС предъявляются все более высокие требования по стабильности частоты сигналов. Обычно требуемая долговременная относительная нестабильность частоты должна быть не ниже 10-6... 10-8, что можно обеспечить, применяя кварцевые резонаторы. Добротность кварцевых резонаторов во много раз превышает добротность резонаторов на LC-контурах. На рис.10. приведена одна из разновидностей генератора с кварцевым резонатором между коллектором и базой транзистора, выполненная по схеме с заземленным эмиттером (емкостная трех-точка).
Рис. 8. Примеры крепления пластины кварцевого резонатора с помощью выводов
Рис. 9. Разновидности корпусов кварцевых резонаторов
Рис. 10. Пример генератора с кварцевой стабилизацией частоты
Появление программируемых кварцевых генераторов позволило вместо производства изделий с различными рабочими частотами, напряжениями питания и диапазонами рабочих температур использовать всего несколько стандартных функционально законченных генераторов, а многочисленные их вариации по основным электрическим параметрам обеспечивать уже программным путем на этапе поставки продукции или даже непосредственно у заказчика. В состав микросхем программируемых кварцевых генераторов входит собственно кварцевый генератор опорной частоты (например, 25 МГц), делитель частоты с коэффициентом деления, фазовый детектор, генератор, управляемый напряжением (ГУН), делитель частоты, однократно программируемое ЭППЗУ и управляемые выходные каскады. Внешний вид таких генераторов изображен на рис.11.
Рис. 11. Программируемые генераторы с кварцевым резонатором
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ Фильтры предназначены для селекции электрических сигналов по частотному признаку за счет специфического свойства - различия уровня затухания для сигналов отличающихся частот. В составе РЭС фильтры применяются, в основном, для избирательного пропускания полезного и ослабления мешающих сигналов (полосовые фильтры), для разделения сигналов по частоте и др. Фильтры могут быть изготовлены на LC -контурах, а также с применением механических и пьезоэлектрических резонаторов. Возможны варианты с комбинированным использованием механических и пьезоэлектрических резонаторов. Пьезоэлектрические фильтры могут быть изготовлены на базе кварцевых и пьезокерамических резонаторов. В этом классе лучшими характеристиками обладают кварцевые фильтры, состоящие из нескольких резонаторов, но для получения высоких результатов они требуют тщательной подгонки по частоте каждого резонатора. Гораздо дешевле пьезокерамические фильтры, имеющие к тому же существенно меньшие габариты. Полосовые фильтры могут быть узкополосными (отношение ширины полосы к рабочей частоте 0, 2-5%) и широкополосными. К основным характеристикам фильтров относятся: • избирательность (или затухание в полосе заграждения для мешающих сигналов); • коэффициент прямоугольности (отношение полосы пропускания по уровню 0, 7 минимального вносимого затухания на рабочей частоте к полосе пропускания на уровне, например, -40 дБ); • неравномерность затухания в полосе пропускания (например, не более 6 дБ). Дисковый резонатор, на одной стороне которого расположены разделенные электроды (центральный и кольцевой на рис.12), а на другой - общий электрод, представляет собой систему из двух пьезокерамических резонаторов (цилиндрического и кольцевого) с сильной объемной механической связью, позволяющей получить определенную полосу пропускания или режекции. Входной и выходной импедансы фильтра зависят от площади электродов, что позволяет в условиях производства управлять ими для достижения согласования фильтра с внешними цепями. Такое устройство характерно как для полосовых (например, типов ФП1П6; ФП1П8), так и для режекторных (например, типа ФП1Р8) пьезокерамических фильтров.
Рис. 12. Дисковый резонатор с разделенными электродами
Рис.13. Кварцевые (а) и пьезокерамические (б) фильтры
Поскольку пьезокерамические резонаторы, входящие в состав пьезокерамических фильтров, обладают по сравнению с кварцевыми, невысокой добротностью, то для изготовления полосового фильтра необходимо применение нескольких резонаторов, соединяемых, как правило, по лестничной схеме. Рабочая частота фильтров типа ФП1П составляет 10, 7; 6, 5 и 5, 5МГц при полосе пропускания 0, 15...0, 6 МГц (по уровню 20 дБ) с входным сопротивлением около 300 Ом. Конструкция фильтра (рис. 13.) должна предусматривать защиту от электрических и магнитных полей и воздействия влажной среды. Характеристики фильтров чувствительны к механическим воздействиям (ударам и вибрации).
ПРИБОРЫ ПАВ Приборы, выполнение функций которых основано на поверхностных акустических волнах (ПАВ), имеют существенные достоинства, обусловленные малой массой и габаритами, отсутствием энергопотребления, линейностью, температурной стабильностью, технологичностью, устойчивостью к механическим воздействиям и др. Поверхностные акустические волны распространяются вдоль поверхности твердого тела, проникая на глубину 2-3 длины волны. Полосовые фильтры на поверхностных акустических волнах изготавливают на среднюю частоту от 30 МГц до 3 ГГц. На низких частотах масса и габаритные размеры фильтров ПАВ возрастают и более выгодными становятся пьезокерамические фильтры. Ограничение частотой 3 ГГц обусловлено технологическими причинами (разрешающей способностью фотолитографии). Простейший фильтр ПАВ состоит из пьезоэлектрической подложки, на поверхности которой расположены два преобразователя со встречными решетками (гребенками) с расстоянием между электродами в половину длины волны (рис. 14). Один из преобразователей возмущает поверхностную волну, а другой ее принимает.
Рис. 14. Простейший фильтр ПАВ с двумя преобразователями
Короткий входной (рис. 15) импульс прямого сигнала возбуждает локальный импульсный отклик обоих преобразователей и на выходе возникает специфическая импульсная реакция Поскольку фильтры ПАВ обычно имеют акустическую задержку распространения сигнала 0, 1...50 мкс, то входной сигнал (на рисунке показан как прямой сигнал), появляющийся на выходе за счет паразитных связей «вход-выход», опережает основной отклик (основной сигнал) на время 7. Благодаря внутренним отражениям в импульсной характеристике образуется третий участок (сигнал «тройное эхо»), который вызывает интерференцию с основным сигналом в полосе пропускания. Обычно уровень отражений составляет -50...60 дБ по отношению к основному сигналу.
Рис. 15. Импульсная характеристика фильтра ПАВ
К достоинствами фильтров на ПАВ относится высокая селективность (коэффициент прямоугольности до 1, 15 и менее), возможность изготовления методами интегральной технологии, совместимость с интегральными модулями. При массовом производстве обеспечивается хорошая стабильность и воспроизводимость характеристик и относительно низкая себестоимость, высокая надежность. Обычно время распространения волны в таких фильтрах составляет от нескольких сотен наносекунд до нескольких десятков микросекунд. Фильтрам на ПАВ свойственны и некоторые недостатки: • наличие нежелательных всплесков АЧХ на частотах, кратных основной; • снижение коэффициента подавления по мере повышения основной частоты (этот недостаток можно устранить подключением внешней индуктивности); • заметные потери в полосе пропускания (до 25...30 дБ); • чувствительность к статическому электричеству (чем выше основная частота фильтра, тем значительнее чувствительность); • наличие паразитного просачивания прямого сигнала и сигнала «тройного эха». Проникновение прямого сигнала образуется за счет емкостной связи между входной и выходной гребенками миниатюрного фильтра, а также из-за наличия связи между внешними выводами фильтра. Уровни этих сигналов ограничивают, например, динамический диапазон усилителя телевизионного сигнала. Фильтр считается качественным, если динамический диапазон составляет не менее 40...45 дБ. Амплитуда прямого сигнала и уровень трехэхового сигнала зависят только от конструкции фильтра и, в некоторой степени, связаны с потерями в полосе пропускания. Для входных цепей приемников применяют специальные полосовые фильтры ПАВ с малыми (около 1 дБ) потерями и полосой 0, 2...25% основной частоты (рис. 16).
Рис. 16. Амплитудно-частотная характеристика согласованного фильтра
На основе поверхностных акустических волн разработаны и изготавливаются высокочастотные резонаторы ПАВ с высокими техническими характеристиками (рис. 17), предназначенные для стабилизации частоты, например, автогенераторов. У таких резонаторов, помещенных в герметизированный металлостеклянный корпус, тонкопленочную резонансную структуру с отражательными решетками располагают на поверхности пьезокварцевой пластины. На рис. 18 изображен вариант включения резонатора ПАВ в схему автогенератора.
Рис. 17. Резонаторы ПАВ
Рис. 18. Автогенератор с резонатором ПАВ
Датчик поверхностных акустических волн на пьезоэлектрическом кристалле позволяет методами хроматографии выделять из смеси веществ отдельные составляющие, отличающиеся своими физическими и химическими свойствами. Сложный электрод на одном конце кристалла возбуждает поверхностные акустические волны с частотой около 500 МГц, регистрируемые вторым электродом. Если на поверхности кристалла осаждены какие либо вещества (даже в ничтожном количестве), то они исказят поверхностную волну и это фиксирует второй электрод. Обработка результатов на компьютере позволяет с высокой точностью определить, например, загрязняющее вещество. Поверхностные акустические волны позволяют изготовить тонкую прозрачную панель, позволяющую превратить обычный дисплей компьютера в сенсорный. На стеклянной панели с пьезоэлектрическими преобразователями, находящимися по углам, вдоль ее краев расположены отражающие и принимающие датчики. Преобразователь панели превращает принимаемый от специального контроллера высокочастотный сигнал в акустическую поверхностную волну, распространяющуюся по поверхности и отражающуюся от краевых отражателей. Принятый отраженный сигнал поступает для обработки на контроллер. Прикосновение к панели вызывает изменение характера распространения, что фиксируется принимающими датчиками. Управляющая программ сравнивает принятый от датчиков изменившийся сигнал со значениями в узлах цифровой матрицы, хранящейся в памяти компьютера. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ Линией задержки называют компонент РЭС, предназначенный для задержки во времени распространения определенного электрического сигнала без изменения его формы. Реальная линия задержки, представляющая собой линейный четырехполюсник, все-таки вносит определенные искажения в форму задерживаемого сигнала за счет ограниченной полосы пропускания. Поскольку широкую полосу пропускания получить сложно, то применяют дополнительные цепи коррекции. По физическому принципу линии задержки бывают электрическими и ультразвуковыми, а по интервалу времени задержки подразделяются на диапазоны: наносекундный (10-10...10-7 с); микросекундный (10-7...10-4 с); миллисекундный (10-4...10-2 с). Входное и выходное сопротивления составляют 300...600 Ом. Для значительных интервалов времени задержки применяют, главным образом, ультразвуковые линии, содержащие электроакустические или магнитострикционные преобразователи, расположенные в звукопроводящей среде. Объемная ультразвуковая волна (частотой 10...40 МГц) возбуждается одним из преобразователей и распространяется в звукопроводе до второго преобразователя. Снижению массы и габаритов линии задержки (рис. 19) Способствует применение не объемных, а поверхностных волн. Это позволяет снизить толщину звуко-провода и использовать его в виде пластины, стержня (стеклянного или металлического) или металлической ленты.
Рис. 19. Конструктивные разновидности линий задержки
|