На головну    

 Модулятори, дефлектори, фільтри, процесори, генератои. Підсилювачі і фазовозвращателі - Комунікації і зв'язок

Міністерство освіти Республіки Білорусь

Установа освіти

"Білоруський державний університет

інформатики та радіоелектроніки "

кафедра ЕВС

РЕФЕРАТ

На тему:

"Модулятори, дефлектори, фільтри, процесори, генератои. Підсилювачі та фазовозвращателі"

МІНСЬК, 2008

Принцип дії фільтрів на поверхневих акустичних хвилях (ПАР). На принципах функціональної електроніки, а саме на використанні динамічних неоднорідностей, можна побудувати фільтри не тільки на основі ПЗС, а й акустоелектронні, засновані на застосуванні поверхневих акустичних хвиль. При багатьох чудових якостях фільтрів на ПЗЗ їх максимальна робоча частота обмежена приблизно 20 МГц. Акустоелектронні фільтри, засновані на створенні та рух динамічних неоднорідностей у вигляді дискретних пружних деформацій, вдало доповнюють фільтри на ПЗС, так як робочий діапазон частот фільтрів на ПАР знаходиться в межах від 1 до 103 МГц.

Нагадаємо, що фільтри, що використовують акустичні об'ємні коливання, мають такі недоліки: суттєво обмежені вищі частоти (для магнітострикційних фільтрів - кілька мегагерц, для п'єзоелектричних 10 ... 30 МГц); конструкція і технологія цих фільтрів засновані на механічній обробці з дуже високою точністю, тобто вони відрізняються по конструкції і технологічних процесів виготовлення від сучасних елементів РЕА, що базуються на мікроелектроніці; по конфігурації і розмірам, незважаючи на їх компактність (порівняно з електричними фільтрами), вони погано узгоджуються з конструкціями ІС.

Фільтри на поверхневих акустичних хвилях мають принципові переваги перед іншими фільтрами, заснованими на ефекті перетворення електричних коливань в акустичні. У пристроях на ПАР об'ємні хвилі не застосовуються. У зв'язку з цим змінюється принцип їх дії і технічні можливості.

Для того щоб використовувати поверхневі хвилі для створення фільтрів, необхідно за допомогою електричних сигналів у вхідному перетворювачі порушити їх, а потім у вихідному перетворювачі знову перетворити в електричні сигнали.

Рис.1.

Поверхневі акустичні хвилі формують тонкий, сумірний з довжиною хвилі, шар з динамічними неоднорідностями у вигляді пружних деформацій, що мають дискретний характер. Це дозволяє перетворення електричних хвиль в акустичні у вхідному перетворювачі і назад у вихідному здійснювати шляхом використання тонких металевих штирів (електродів), напилених на поверхні звукопровода (підкладки), що володіє п'єзоелектричним ефектом.

Існує багато методів збудження поверхневих хвиль. Розглянемо метод, заснований на використанні в перетворювачі зустрічних штирів (ВШП - зустрічно штирові перетворювачі). Він вдало поєднується з технологічними методами мікроелектроніки. Схематично такий перетворювач показаний на рис.1, де 1 - вхідний перетворювач; 2 - вихідний перетворювач; 3 - поглинач; 4 - звукопровод; 5 - штирі (напилені металеві електроди).

Основними різновидами ВШП є: еквідистантних перетворювач (з однаковими відстанями між штирями); нееквідістантний перетворювач (з різними відстанями між штирями); неаподізованний перетворювач (з однаковими перекриттями штирів); аподізованний (зважений) перетворювач (з різним ступенем перекриття штирів) та ін.

Як видно з рис.1, якщо прикласти до штирів вхідного перетворювача електрична напруга високої частоти, забезпечити узгодження частоти f з кроком ВШП, то під впливом поля відбудеться деформація в пьезоелектріков, яка зі швидкістю ?пов пошириться в обидві сторони від кожного проміжку, якщо a - ширина штирів, h - відстань між штирями; то крок ВШП

 b = a + h. (1)

Якщо крок ВШП узгоджений з довжиною хвилі, то деформації, викликані кожним проміжком, підсумовуються, утворюючи сумарну поверхневу хвилю.

Підсумовування відбувається за рахунок того, що локальна деформація, що утворилася під одним із проміжків, починає переміщатися в протилежних напрямках і проходить відстань ?пов / 2 до наступного проміжку. Вона виявляється там в той момент, коли наступна напівхвиля зовнішньої напруги досягне максимуму і створить свою деформацію, яка, складаючись з прийшла від сусіднього проміжку, створить сумарну деформацію. Це має місце при виконанні рівності

 2b = ?пов = ?пов / f, (2)

де ?пов - довжина поверхневої акустичної хвилі.

Так відбувається багаторазово під усіма проміжками, і сумарна хвиля розповсюджується по звукопроводу. Ця хвиля досягає вихідного перетворювача, де відбувається зворотне перетворення деформацій в електричну напругу. Зворотне перетворення обумовлено тим, що деформації пьезоелектрика, викликані поверхневої хвилею, призводять до появи електричної напруги, наведеного на сусідніх парах штирів при узгодженні ВШП з частотою, буде протилежний через зворотного чергування штирів. Це дозволяє сформувати у вихідному перетворювачі двуполярное змінна електрична напруга з частотою вхідного сигналу.

Чим більше штирів містить перетворювач, тим він ефективніший і тим більша накопичується деформація. Одночасно з цим більш жорсткі вимоги пред'являються до точності виконання штирів звукопровода, до стабільності швидкості розповсюдження поверхневої хвилі і частоти сигналу. Очевидно, що підсумовування буде мати місце тільки при (a + h) = ?пов / 2. деформації, що виникають під проміжками при інших частотах, які не будуть ефективно підсумовуватися. Залежність відгуку від частоти можна використовувати для отримання ефекту фільтрації.

Очевидно, властивості таких фільтрів залежать від матеріалу звукопровода. Наприклад, для ниобата літію (LiNbO3) швидкість поверхневої хвилі становить від 3,48 до 4 км / с в залежності від зрізу, квадрат коефіцієнта електромеханічного зв'язку становить 0,05; температурний коефіцієнт затримки - 85 ? 10-6 1 / ° С. Тоді, наприклад, при частоті 100 МГц довжина поверхневої акустичної хвилі

 ?пов = ?пов / f = 4000 м / с / 100 · 106 Гц = 4 · 10-2 мм. (3)

При цьому крок ВПШ

 b = ?пов / 2 = 0,02 мм. (4)

Відзначимо важливу особливість фільтрів на ПАР: вони є дискретними аналогічно фільтрам на ПЗС. Дійсно, електричне поле діє на п'єзоелектрик, викликаючи неоднорідність, у вигляді дискретних ділянок стиснення або розтягування, де розташовані пари штирів перетворювача. Поширюючись, неоднорідності сумуються. Отже, до таких фільтрів можна застосувати багато міркування, що стосуються особливостей характеристик.

З принципу дії фільтрів на ПАР очевидно, що якщо штирі і проміжки виконати точно і узгоджено з частотою, то смуга частот пропускання визначається числом пар штирів. Дійсно, при малому числі пар штирів відхилення частоти від середньої (расстройка) призводить до зменшення ефективності перетворення і, отже, до частотно-виборчому ефекту, але зменшення коефіцієнта передачі з розладом відбувається повільно. Якщо ж використовувати багато пар штирів, то кожна пара буде вносити свою частку у зменшення відносного коефіцієнта передачі, тобто в цьому випадку смуга частот буде більш вузька. Це повністю узгоджується з міркуваннями, викладеними раніше, коли підкреслювалося, що фільтрація є процес накопичення, так як при великій кількості штирів накопичується багато впливів, що формують поверхневу акустичну хвилю.

Між числом електродів перетворювача і його смугою існує наступний взаємозв'язок:

 ?fп = f0 / N, (5)

де ?fп - смуга пропускання частот фільтру; N - число пар штирів; f0 - центральна частота фільтра.

Нагадаємо, що добротність LC-контура Q = f0 / ?fп. Отже, число пар штирів еквівалентно добротності. Звідси випливає, що звуження смуги пропускання фільтра пов'язано зі збільшенням числа штирів, тобто із збільшенням розмірів фільтра. Однак обмеження, пов'язане зі звуженням смуги пропускання в LC-фільтрах, більш жорстке, так як визначається природою втрат в конденсаторі і котушці індуктивності, які не можуть бути зменшені нижче певного рівня. В даному випадку смуга пропускання обмежується в основному можливостями технології, яка визначає кількість пар штирів і розміри звукопровода. Отже, в цьому сенсі фільтри на ПАР мають ті ж властивості, що й фільтри на ПЗС, для яких було показано, що смуга визначається числом секцій МДП-конденсаторів (елементів пам'яті).

З викладеного принципу дії випливає, що фільтри на ПАР за природою функціонування є смуговими з середньою частотою, що залежить від розмірів штирів. Ідеї, покладені в основу роботи фільтрів на ПАР, використані для створення пристроїв різного функціонального призначення: смугових вхідних фільтрів і фільтрів на ППЧ; ліній затримки на фіксовану затримку і з відводами; фільтрів для прийому складних шумоподібних (ШПС), фазоманіпулірованних (ФМН) сигналів з великою базою; фільтрів для прийому лінійно-частотно-модульованих сигналів з великою базою; резонаторів на ПАР та інших пристроїв.

У подальшому викладі буде розглянуто найбільш поширений варіант - смуговий фільтр з еквідистантних перетворювачами. Особливості деяких інших будуть розглянуті в кінці параграфа.

Область частот фільтрів на ПАР. Мінімальна частота фільтра на ПАР визначається можливими розмірами звукопровода, які залежать від технології виготовлення і складають зазвичай не більше 50 ... 300 мм, а також від вимог до відносної смузі частот, тобто від кількості пар штирів і числа перетворювачів.

Мінімальне число перетворювачів у фільтрі два: вхідний, куди надходить фільтрується сигнал, і вихідний, який сприймає відфільтрований сигнал. Функції фільтрації можуть бути розподілені між ними по-різному. Найбільш часто основні функції з формування частотної характеристики виконує вхідний перетворювач, а вихідний є широкосмуговим. Як показує досвід, при цьому менше проявляються спотворення частотної характеристики.

Сумарна амплітудно-частотна характеристика (АЧХ) фільтра Kф (?) визначається твором частотних характеристик обох перетворювачів:

 Kф (?) = Kвх (?) Kвих (?), (6)

тому детальний розгляд АЧХ можна проводити для кожного перетворювача окремо.

Відзначимо, що для фільтрів на ПАР велике значення має відносне розташування перетворювачів. Їх не розташовують далеко один від одного, так як видалення викликає додаткові спотворення АЧХ. Це узгоджується з вимогою зменшення габаритів та отримання фільтрів на можливо більш низькі частоти.

Використовуючи співвідношення між довжиною перетворювача (рис.2, а) і смугою частот, визначимо, на якій мінімальній частоті може працювати фільтр. Припустимо, що lз << lвх і lвих << lвх, де lз - відстань між перетворювачами; lвх -длина вхідного перетворювача; lвих - довжина вихідного перетворювача. Тоді мінімальну частоту настройки фільтра можна наближено визначити розглядаючи один вхідний перетворювач. Мінімальне число пар штирів і, отже, нижча частота фільтра залежать від вимог до відносної смузі пропускання частот. Якщо взяти типовий випадок, коли ?fп = 0,05f0, то потрібно 20 пар штирів. Довжина вхідного перетворювача буде дорівнює lвх = 10 ?пов. При швидкості поширення.

Рис.2.

поверхневої хвилі ?пов?3000 м / с, вважаючи, що звукопровод дозволяє створити перетворювач довжиною lвх?100 мм, отримаємо, що мінімальна частота сигналу складе близько 200 кГц. Реально, з урахуванням відстані між перетворювачами lз, довжини вихідного перетворювача, технологічних проміжків, частота складе приблизно 400 кГц. Отже, нижча частота фільтра визначається можливою довжиною звукопровода. На практиці фільтри на ПАР використовуються на частотах вище 1 МГц.

Технологія ВШП повинна забезпечувати високу роздільну здатність, щоб з високою точністю витримувати дуже маленькі розміри як ширини штирів, так і проміжку між ними і кроку в цілому. Сказане обмежує вищі частоти. Наприклад, якщо виходити з того, що з достатньою точністю можуть бути виконані штирі і проміжки між ними шириною в 1 мкм, то вища частота настройки перетворювача і, отже, фільтра складе

 f = ?пов / 2 kм = 4000/2 (1 + 1) = 1 · 109 Гц. (7)

Отже, фільтри на ПАР можуть працювати на досить високих частотах.

Розрахунок частотних характеристик. Для практичного використання фільтра важливі ширина смуги і форма частотної характеристики.

При розрахунку частотної характеристики фільтра на ПАР виникають труднощі, викликані тим, що електричне поле і пов'язані з ним поверхневі акустичні хвилі мають складну структуру. Тому для інженерних розрахунків необхідно створити методику, яка повинна дозволити зберегти основні особливості поля і акустичних хвиль і в той же час істотно спростити розрахунок АЧХ.

Основне застосування для розрахунку отримав метод ?-функцій. Для отримання розрахункових співвідношень для частотної характеристики припустимо, що на штирі еквідистантних перетворювача діє сигнал у вигляді дуже короткого імпульсу напруги (?-функція). У цьому випадку в кожному з проміжків між штирями збуджується короткочасно електричне поле. Уздовж звукопроврда буде рухатися поверхнева хвиля з ?пов = 2 (a + h). Протяжність імпульсу цієї хвилі в звукопроводе визначається не тривалістю електричного імпульсу, а шириною вхідного перетворювача lвх. Огинає цього імпульсу ?l = lвх і напрямок його руху в одну зі сторін показані на рис.2, б. імпульс тривалістю ?l = lвх зі швидкістю ?пов рухається до вихідного перетворювача. Для того щоб цей перетворювач мало впливав на частотну характеристику, припустимо, що він складається з однієї пари штирів. Імпульс, проходячи через вихідний перетворювач із затримкою ??з = lз / ?пов, дає на радіочастоті f0 = ?пов / / 2 (a + h) імпульс напруги з тривалістю ??з? lвх / ?пов (рис.2, в). Так як

 lвх = ?повN, (8)

то

 ??і = N / f0 (9)

Відомо, що імпульс такої тривалості на несучій частоті має спектр частот з обвідної [sin N? ((f-f0) / f0)] / [N? ((f-f0) / f0)] (рис.2, г). Високочастотне заповнення для спрощення малюнка не показано. Як видно, смуга пропускання між "нулями" на частотній характеристиці

 2?f0 = 2 (1 / ??і) = 2f0 / N. (10)

Для рівня ослаблення, рівного 0,7 від максимуму (що прийнято використовувати для характеристики смуги пропускання) повна смуга частот в два рази вже:

 ?fп = f0 / N. (11)

Так як відгук лінійної ланцюга на ?-імпульс є її імпульсна функція, то імпульс тривалістю ??і на виході вихідного перетворювача теж імпульсна функція фільтра. Перетворення Фур'є дає частотну характеристику, отже, на рис.2, г показана частотна характеристика фільтра. Ця характеристика має додаткові викиди і практично малопридатна, тому виникає задача значно зменшити рівень бічних пелюсток (викидів). Для цього необхідно, щоб дискретний фільтр мав неоднорідну структуру, тобто щоб окремі ланки фільтра вносили різні "внески".

Структура фільтра, яка була розглянута вище, в термінах дискретних фільтрів може бути визначена як дає фільтр з "прямокутним вікном". Для того щоб зменшити бічні викиди, потрібно використовувати складні форми "вікна". Для реалізації цього завдання слід вирішити питання про те, як змінити "внесок" кожної ланки або кожної пари штирів у формування результуючої хвилі. Дискретне збудження необхідно здійснювати в різних парах штирів з різною інтенсивністю. Інтенсивність парціальної хвилі, порушуємо кожною парою штирів, визначається довжиною або перекриттям штирів (аналогічно тому, як у фільтрах на ПЗС інтенсивність знімається сигналу визначалося перекриттям електродів). Отже, потрібно брати різні значення перекриття штирів у перетворювача по його довжині. Це змінить форму імпульсу, що описує імпульсну функцію і, отже, забезпечить отримання іншої форми частотної характеристики, так як вони пов'язані перетворенням Фур'є. При проектуванні фільтра слід міняти перекриття штирів по довжині перетворювача відповідно заданої імпульсною характеристикою, яка визначається з необхідної частотної характеристики. Зміна перекриття називають аподизації. Це еквівалентно методу формування "вікон" в загальній теорії дискретних фільтрів. Як приклад наведемо форми частотних характеристик, відповідні їм форми імпульсу, аналітичні вирази частотних характеристик та імпульсних функцій, а також малюнки перекриття штирів для еквідистантних перетворювача. При зміні перекриття штирів по довжині перетворювача форма частотної характеристики стає більш плавною, викиди зменшуються, але ширина смуги збільшується. Це й зрозуміло, оскільки зменшується кількість штирів, що істотно впливають на формування результуючої хвилі і смуги пропускання.

Для доказу того, як аподизація впливає на форму частотної характеристики і смугу пропускання, скориставшись формулами, розрахуємо АЧХ. Зробимо це для нормованої ширини імпульсу, коли довжина в часі імпульсної перехідної функції і відповідна їй кількість штирів, є однаковими для всіх випадків (рис.3). для простоти розрахунку покладемо, що тривалість імпульсної функції у всіх випадках дорівнює одиниці. На рис.3: 1 - прямокутна імпульсна характеристика з тривалістю 1 с; 2 - імпульсна функція у вигляді трикутника з тривалістю 1 с; 3 - імпульсна характеристика типу eпрі ? = 8, коли в межах тривалості 1 з ордината становить 0,13 ... 1; 4 - імпульсна характеристика типу eпрі ? = 12, коли в межах тривалості 1 з ордината становить від 0,05 ... 1.

 Рис. 3

Частотні характеристики для зазначених випадків наведені на рис.4, де: 1 - неаподізованний перетворювач з рівномірним перекриттям штирів; 2 - аподізованний, з лінійним зміною перекриття штирів; 3,

4 - при зміні перекриття

штирів за законом eпрі ? = 8 і 12 відповідно. З рис.4 наочно видно, що при лінійної аподизації інтенсивність бічних викидів становить 0,05 максимуму, а смуга пропускання розширюється (на рівні 0,7) приблизно в 1,3 рази, тобто форма частотної характеристики поліпшується в порівнянні з випадком рівномірного перекриття штирів. При перекритті штирів за законом eчастотная характеристика не має бічних викидів, а смуга пропускання розширюється в порівнянні з рівномірним перекриттям штирів приблизно в 1,35 рази при ? = 8 і в 1,55 рази при ? = 12.

Реально в фільтрі з аподізованним перетворювачем при перекритті штирів за законом eбудут невеликі викиди, так як значення перекриття починаються стрибком не з нуля, а з 5% для ? = 12 і з 13% для ? = 8. Таким чином, змінюючи закон перекриття штирів щодо центру перетворювача, можна міняти форму частотної характеристики, зменшуючи бічні викиди. Однак, при цьому будуть змінюватися ширина смуги.

Рис.4.

ЛІТЕРАТУРА

1. Петров К.С. Радіоматеріали, радіокомпоненти і електроніка: Навчальний посібник для вузів. - СПб: Питер, 2003. - 512 с.

2. Опадчій Ю.Ф. та ін. Аналогова та цифрова електроніка: Підручник для вузів / Ю.Ф. Опадчій, О.П. Глудкін, А.І. Гуров; Під. ред. О.П. Глудкін. М .: Гаряча Лінія - Телекому, 2002. - 768 с.

3. Акімов М.М. та ін. Резистори, конденсатори, трансформатори, дроселі, комутаційні пристрої РЕА: Довідник / М.М. Акимов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн .: Білорусь, 2005. - 591 с.

© 8ref.com - українські реферати