5.2.3. Генераторы на пав

Акустоэлектронный генератор является активным акустоэлектронным устройством, предназначенным для генерации акустических сигналов.

Исследованы конструкции генераторов с позиций предложенной модели прибора функциональной электроники. Различают два типа генераторов на ПАВ в зависимости от используемого стабилизирующего элемента. В первом типе используется ПАВ-линия задержки, включенная в цепь положительной обратной связи усилителя (рис. 5.22, а).

Линия задержки позволяет возбудить колебания на частотах со, определяемых соотношением

= 2 V_а/ L,

где L — длина линии задержки.

Для получения одномодового режима необходимо строгое выполнение соотношения

L = n𝝀,

где 𝝀 — длина звуковой волны, n — целое число. Частота генераций может быть изменена за счет изменения скорости ПАВ в резонирующей полости или введением фазового сдвига во внешней цепи. Спектральные характеристики генератора на ЛЗ приведены на рис. 5.22, б.

Рисунок 5.22 – ПАВ-генератор на основе ЛЗ (а) и его спектральная характеристика (б); на основе резонатора (в) и его спектральная характеристика (г); 1 — ВШП; 2 — отражательные структуры; 3 — усилитель; 4 — подложка

В генераторе второго типа в качестве стабилизатора частоты используется ПАВ-резонатор с одним входом (рис. 5.22, в). Усилитель подключается между разнополярными шинами преобразователя. Селективные свойства генератора определяются размерами резонирующей полости и параметрами отражательной структуры. Добротность ПАВ-резонаторов составляет ~ 10⁴ и это позволяет создавать конкурентоспособные генераторы. В одновходовых генераторах возникают трудности с перестройкой частот. Линейная модуляция в таких генераторах обеспечивается в очень узкой полосе.

У генераторов этого типа шумовые характеристики лучше, чем у генераторов на ПАВ ЛЗ. На рис. 5.22, г приведены спектральные характеристики генератора на ПАВ-резонаторе.

Оба типа генераторов могут работать на основных частотах от 10⁷ до 10⁹ Гц без использования дополнительных схем умножения частоты.

Анализ показал, что важным преимуществом генераторов на ПАВ является возможность частотной модуляции, а также заданный переход к нужным частотам при условии сохранения стабильности частоты: кратковременной 10^-9 с^-1 , долговременной 10^-6 год^-1 и температурной ~ 10^-6 °С^-1 в диапазоне до + 50 °С. Такие генераторы могут быть использованы в радиолокационных системах, дальномерах на основе доплеровского сдвига частоты, а также в стандартных радиотехнических устройствах.

5.2.4. Усилители

Усилители представляют собой акустоэлектронное устройство, предназначенное для усиления акустических сигналов.

Динамические неоднородности в виде ПАВ являются результатом взаимодействия электрических полей с пьезоэлектриками. Распространение акустических волн сопряжено с распространением волн зарядовой плотности. Усиление акустических волн можно производить за счет подачи на электроды ВШП большего сигнала, так за счет и “перекачки” энергии из волн зарядовой плотности в акустические волны. Это явление акустоэлектронного взаимодействия, широко используется в конструкциях усилителей.

В зависимости от типа континуальной среды различают ионное взаимодействие (в металлах), потенциал-деформационное взаимодействие (в полуметаллах и полупроводниках) и пьезоэлектрическое взаимодействие (в пьезополупроводниках). Если к кристаллу пьезополупроводника приложить внешнее постоянное электрическое поле Ео, создающее дрейф электронов в направлении ПАВ, то усиление будет зависеть от соотношения скорости дрейфа носителей Vдр и скорости звука Vа (рис. 5.23, а)

А) Б)

Рисунок 5.23 – Схема взаимодействия динамических неоднородностей в полупроводнике с пьезоэлектрическими свойствами (а), конструкция усилителя ПАВ (б), 1 – акустическая волна и зарядовые пакеты в отсутствии электрического поля Ео; 2 – то же в присутствии поля

Так, при скорости дрейфа носителей, меньшей скорости распространения ПАВ Vа > Vдр = µ Eо (µ - подвижность электронов), энергия волны поглощается газом. При скорости дрейфа, большей фазовой скорости ПАВ Vдр>Vа, происходит перекачка энергии электронов в энергию акустической волны, возрастает ее амплитуда в канале распространения и, соответственно, на выходных ВШП получится усиленный сигнал.

Таким образом, за счет перераспределения энергии в динамических неоднородностях различной физической природы можно получить эффект усиления. Исследовались конструкции на основе этого эффекта с позиций предложенной модели прибора. В частности акустоэлектронный усилитель, схема которого приведена на рис. 5.23, б. С целью обеспечения взаимодействия динамических неоднородностей различной физической природы предложены две континуальные среды.

В одной преимущественно распространяются акустические волны (пьезоэлектрик), в другой – электронные (полупроводник). Совмещение сред осуществляется путем создания слоистых структур с использованием технологии тонких пленок. В качестве генератора ПАВ используется стандартная конструкция ВШП. Звукопровод выполняется, например, на основе ниобата лития, на поверхности которого на изолирующей пленке диоксида кремния выращивается пленка сурьмянистого индия толщиной ≈500Å. Вся поверхность покрывается достаточно толстой (≈1000Å) защитной пленкой диоксида кремния. Кара полупроводниковой пленки снабжены омическими контактами для подвода дрейфового напряжения. В качестве полупроводниковых сред могут быть использованы также CdS, CdSe, ZnO, GaAs и др.

Детектором является ВШП, на который поступает усиленная акустическая волна. В качестве устройства управления используется пленка полупроводника в слоистой структуре на тракте распространения сигнала.

Анализ показал, что акустоэлектрические усилители могут работать как в импульсном, так и в непрерывном режимах усиления. Коэффициент электронного усиления лежит в пределах от 10 до 90 дБ, коэффициент шума до 10 дБ на центральных частотах 10⁸ Гц с полосой ≈10%

Акустоэлектронные усилители выполняются по микроэлектронной технологии и легко монтируются в соответствующие системы.