2. Способы продвижения цмд

Для построения запоминающих, регистров сдвига, логических схем на ЦМД нужно их перемещать из одного положения в другое и фиксировать.

Перемещение домена можно осуществить, если создать разность напряженностей магнитного поля между диаметрально противоположными точками домена ΔH(рис. 5.4). Перемещение домена происходит в том случае, если . При этом скорость перемещения домена

,

где G - подвижность доменных границ, т.е. скорость смещения границы на единицу напряженности поля. Подвижность домена, составляет G = 100...1000 см²/Ас. Реальная скорость перемещения невелика, порядка 10 м/с.

Домены перемещаются в сторону меньшей напряженности поля, причем размер домена увеличивается. Пределы изменения напряженности поля ограничиваются, с одной стороны, критической напряженностью поля, а, с другой стороны – наименьшей напряженностью поля, которой соответствует устойчивый (максимальный) диаметр домена. Поэтому возможное перемещение домена ограничено.

П ерепад напряженности магнитного поля для перемещения домена создается с помощью напыленных проводниковых шин, образующих контуры с током (рис. 5.6).

Рисунок 5.4 – Системы токовых аппликаций, предназначенных для перемещения и фиксации ЦМД

При подаче тока в шину в контуре создается магнитное поле, направленное против Н_см и поэтому образуется результирующее уменьшение поля, куда и стремится домен. Подавая ток в соседний контур, можно добиться перемещения домена из одного контура в другой. Для этого в первом контуре нужно прекратить протекание тока. Локализованную область с пониженной результирующей напряженностью магнитного поля называют магнитостатической ловушкой.

Скорость перемещения домена пропорциональна току в контуре I_k. Для ортоферрита YFeO₃, обладающего подвижностью доменных границ , с помощью I_k = 200 мА можно передвигать домены со скоростью 3∙10⁶ бит/с.

С помощью контуров с токами обеспечивается продвижение доменов, имеющих диаметры 19…190 мкм, которые характерны для ортоферритов. Однако для доменов с диаметром в несколько мкм, характерных для феррит – гранатов, невозможно изготовить токопроводящие контуры малой ширины и пропускающие большие токи. Поэтому в феррит – гранатовых пленках используют свойства доменов втягиваться под нанесенные поверх пленки феррит – граната участки пермаллоевой пленки (аппликации), магнитостатические ловушки.

Шевронные аппликации (рис. 5.5) являются одним из вариантов магнитостатической ловушки. Для перемещения ЦМД испльзуется вращающееся поле управления Н_у, параллельное плоскости пленки. Вращающееся поле Н_у создает на концах пермаллоевых аппликаций северные (N) и южные (S) магнитные полюсы. Они притягивают или отталкивают ЦМД, обеспечивая его перемещение. На рисунках показано, как перемещается ЦМД, втягиваясь под ближайшие северные (N) полюсы.

Рисунок 5.5 – Перемещения ЦМД в регистре , состоящем из цепочки V-образных (шевронных) аппликаций в разных фазах вращающегося поля

Вращающееся магнитное поле создается двумя ортогональными катушками, на которые подаются синусоидальные токи, сдвинутые по фазе на 90⁰. Типичная частота вращения поля составляет 100 кГц, напряженность поля - 2000...4000 А/м. Поле смещения для кристалла БИС на ЦМД имеет величину Н_см2000...3000 А/м и создается постоянным магнитом. Пермаллоевые аппликации позволяют получить ЗУ с емкостью до 64 Мбит.

Генераторы динамических неоднородностей в виде ЦМД могут быть различного типа. Например, генератор динамических неоднородностей нуклеаторного типа представляет собой проводниковую петлю, по которой пропускается импульсный ток (рис. 5.6).

Под действием тока создается магнитное поле с заданным распределением, формирующее ЦМД. В присутствии поля управления пермаллоевая апликация намагничивается и создает в точке A магнитное поле, частично компенсирующее поле анизотропии. При подаче импульсного тока определенной полярности в проводниковую петлю происходит деление ЦМД в окрестность точки A. После деления ЦМД вводится в доменопередвигающую структуру.

Рисунок . 5.6 – Генератор доменов нуклеаторного типа

Перенос динамических неоднородностей осуществляется по домено-передвигающим структурам, имеющим различную геометрическую форму. На рис. 5.7а представлена несимметричная доменопередвигающая структура (сдвиговый регистр), состоящая из отдельных элементов (рис. 5.7б), где λ – шаг шевронных аппликаций; d – диаметр ЦМД.

Рисунок 5.7 – Доменопередвигающая структура (а) и ее элементы (б)

Для считывания информации, содержащейся в регистрах ЗУ на ЦМД используется магниторезистивный эффект, состоящий в изменении сопротивления пермаллоевой пленки от воздействия магнитного поля домена. Под воздействием радиальной составляющей поля рассеяния домена пермаллоевая полоска намагничивается в направлении оси трудного намагничивания, что приводит к изменению удельного сопротивления пленки.

Сигнал, фиксирующий прохождение домена под пленкой датчика, представляет собой изменение напряжения ΔU=I_дΔR, обусловленное изменением сопротивления пленки на величину ΔR.

Рисунок 5.8 – Магниторезистивный датчик ЦМД

Для практических целей можно оценить толщину пластины h, диаметр домена d_д и поле смещения H_см:

h ~ 4l;

d_д ~ 8l;

H_см ~ 0.279(4pJ_s),

где l - характеристическая длина материала.

При конструировании обычно задаются диаметром домена исходя из желаемой плотности размещения информации и технологических возможностей изготовления управляющих аппликаций.

Тогда для заданного диаметра ЦМД из можно определить

характеристическую длину l = d_д /8 и выбрать материал,

толщину пластины (эпитаксиального поля) магнитного материала h = 0,5 d_д,

приложенное магнитное поле смещения: H_см ~ 0.28(4pM_s),

напряженность управляющего магнитного поля в зависимости от диаметра ЦМД H_упр = Kd^2/3 + 8, А/см,

где K = 26 для несимметричных шевронов, d – в мкм;

максимальная частота управляющего поля и соответственно скорость обработки информации F_упр = v_д / (3 d_д) = G4πJ_s / (60 d_д).

5.4 Контрольные вопросы и задания

1. При каких условиях возникают ЦМД.

2. В каких материалах возникают ЦМД.

3. Поясните процесс формирования ЦМД.

4. Что такое коллапсирование ЦМД ?

5. Зачем необходимо магнитное поле смещения ?

6. Какие факторы определяют скорость перемещения домена ?

7. Чем определяется диаметр ЦМД ?

8. Из каких соображений выбирается толщина магнитной пленки ?

9. Каким образом генерируются ЦМД ?

10. Поясните, как функционирует магнитостатическая ловушка.

11. Нарисуйте и поясните как функционируют токовые аппликации, предназначенные для перемещения и фиксации ЦМД.

12. Приведите топологию регистра на пермаллоевых аппликациях. Поясните принцип его действия.

13. Как осуществляется запись информации регистра ?

14. Как считывается информация из регистра ?

15. Охарактеризуйте функциональный состав ИС ОЗУ на ЦМД.

16. Согласно варианту для заданного диаметра ЦМД или материала оценить толщину магнитной пленки h, H_см, скорость перемещения ЦМД v, геометрические размеры доменнопередвигающей структуры. Выполнить рисунок с указанием размеров.

Таблица 5.1 – Характеристики ортоферритов

№	Me	Js , А/см	d, мкм	Нс, А/см	h, мкм	l, мкм	Bs, сТл
1	Y	84	76	26,5	76	63	1,05
2	Nd	49	190	2,5	51	112	0,62
3	Sm	67	153	2,4	28	73	0,84
4	Eu	66	140	8,4	51	94	0,83
5	Gd	75	94	12,8	61	73	0,94
6	Tb	109	43	41	66	36	1,37
7	Dy	102	51	40,5	40	43	1,28
8	Ho	73	115	9,6	53	84	0,91
9	Er	65	153	6,4	51	99	0,81
10	Тулий	112	58	2,95	58	48	1,4
11	Yb	114	97	33	76	76	1,43
12	Lu	95	130	8,4	51	109	1,19
13	Sm0,6Er0,4	66	25	26,5	46	20	0,83
14	Sm0,55Tb0,45	86	19	49	51	10	1,08

Таблица 5.2 – Характеристики феррит – гранатов

№	Состав	Js, А/см	d, мкм	h, мкм	l, мкм	Bs, сТл
18	Eu2Er1	138	7	6	0,17	1,73
19	Eu1Er2	95	22	14,0	2,2	1,2
20	Eu0,6Y2,4	223	4	4	0,4	2,8
21	Gd0,47Y2,53	119	4	4	0,4	1,5
22	Eu1Gd2	235	5	5,6	0,5	2,95
23	Er1,99Gd1,01	191	5	7,3	0,46	2,4
24	Eu2Y1	1240	0,7	1,51	0,066	15,50
25	Sm0,4Y2,6	150	6	6	0,6	2

Параметр	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
Материал
d, мкм
v, м/с
G, см2/Ас
Hу, А/м
Hсм, А/м

Таблица 4.1 – Данные для расчета

	Варианты
	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Na 1014cм3	1	2	3	0,9	1	2	3	1	2	10
dg, нм	100	120	150	150	120	100	100	70	150	150
S3, мкм2	10х20	15х30	10х30	10х20	10х20	15х30	10х30	10х20	15х30	10х30
U3, В	10	15	20	25	10	15	20	5	20	15

3.4 Контрольные вопросы

17. При каких условиях возникают ЦМД.

18. В каких материалах возникают ЦМД.

19. Поясните процесс формирования ЦМД.

20. Что такое коллапсирование ЦМД ?

21. Зачем необходимо магнитное поле смещения ?

22. Какие факторы определяют скорость перемещения домена ?

23. Чем определяется диаметр ЦМД ?

24. Из каких соображений выбирается толщина магнитной пленки ?

25. Каким образом генерируются ЦМД ?

26. Поясните как функционирует магнитостатическая ловушка.

27. Нарисуйте и поясните как функционируют токовые аппликации, предназначенные для перемещения и фиксации ЦМД.

28. Приведите топологию регистра на пермаллоевых аппликациях. Поясните принцип его действия.

29. Как осуществляется запись информации регистра ?

30. Как считывается информация из регистра ?

31. Охарактеризуйте функциональный состав ИС ОЗУ на ЦМД.

32. Приведите конкретные примеры ИС на ЦМД, выпишите их параметры.

33. Поясните принцип функционирования элементов ЗУ с использованием ВБЛ.

резонаторЫ на поверхностных акустических волнах

7.1 Цель занятия

Изучение принципов действия резонаторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ), расчет узкополосных фильтров, выполненных на их основе.

7.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов

При подготовке к занятию необходимо изучить способы возбуждения и приема ПАВ, принципы работы резонаторов на ПАВ, особенности их конструкции и расчета, материалы, применяемые для реализации устройств на ПАВ, [5, 6, 9].

Узкополосные фильтры с относительной полосой пропускания ∆f / f₀, равной 10^-2…10^-4 требуют большого числа электродов встречно – штыревого преобразователя.

В процессе реализации таких фильтров возникают трудности конструктивно – технологического характера:

• одновременно с увеличением протяженности преобразователя для уменьшения дифракционных искажений необходимо увеличивать апертуру перекрытия электродов;

• размеры полосозадающего преобразователя возрастают;

• ухудшается температурная стабильность электрических характеристик фильтров;

• возрастает стоимость звукопровода.

Эти факторы снижают преимущества фильтров на ПАВ по сравнению с устройствами селекции, использующими другие физические принципы.

Поэтому для реализации таких фильтров используют резонаторы на ПАВ.

Резонаторы на ПАВ характеризуются:

• высокой добротностью (до 20×10³);

• низкими вносимыми потерями (около 5 дБ);

• их основные частоты (30...1000 МГц) на порядок выше, чем у объемных (кварцевых) резонаторов со сравнимыми характеристиками.

Резонатор типа Фабри – Перо состоит из двух распределенных отражателей с большим коэффициентом отражения, разнесенных на расстояние, обеспечивающее аддитивную интерференцию последовательных отражений между ними.

Для возбуждения и съема поверхностных волн используются преобразователи встречно – штыревого типа.

Р исунок 7.1 Топология резонатора на ПАВ

Основным элементом резонаторов ПАВ являются отражательные решетки (ОР). Они образуются периодическими нарушениями структуры поверхности кристалла звукопровода и представляют собой распределенный отражатель с периодом . Каждый из его элементов отражает лишь малую часть падающей на него акустической волны - меньше одного процента. Однако за счет синфазного сложения большого числа отраженных частичных волн общий коэффициент отражения |Г| на рабочей частоте получается близким к единице и сильно зависит от частоты, так как синфазное сложение возможно лишь вблизи рабочей частоты решетки f_Р.

Исходные данные для расчета

резонансная частота фільтра – f₀;

полоса пропускания – ∆f;

вносимые потери –α_вн, дБ;

внеполосное затухание – П,дБ;

сопротивление нагрузки R_Н, Ом;

коэффициент прямоугольности – K_П;

характеристики материалов;

схема соединения резонаторов при проектировании фильтров.

Необходимо определить:

число периодов отражательной решетки N;

период отражательной решетки d_Р;

длину резонансной полости l_P;

число пар ВШП N_ВШП;

апертуру ВШП W;

толщину пленки h.

Порядок расчета

1. Определяется добротность

Q= f₀ / ∆f.

2. Коэффициент отражения решетки

где α_ВН – вносимые потери, дБ.

3. Определяется параметр решетки

4. Определим возможные пределы изменения параметра ΔZ:

где h_min, h_max – минимальная и максимальная толщина пленки соответственно.

Длина волны

где V_f – фазовая скорость волны.

Минимальная толщина пленки определяется допустимым поверхностным сопротивлением и равна h_min=0,1 мкм, максимальная – допустимым изменением скорости ПАВ.

На основании рассчитанных значений (N_r |ΔZ|), ΔZ_max, ΔZ_min определяются возможные пределы числа отражающих полосок

Для кварца 200 < N_r < 800, для ниобата лития 200 < N_r < 800.

Вычисляем значение параметра ΔZ:

и толщину пленки

Для обеспечения одномодового режима работы должно выполняться условие

где N_rr – длина резонансной полости.

Изменение скорости под решеткой и ВШП определяется из выражения

где B_i – коэффициенты, зависящие от материала звукопровода.

По известным значениям скорости ПАВ на свободной поверхности и изменению скорости под решеткой и ВШП определяем скорость под решеткой

V_r = V_f + ΔV_r.

Период отражающей решетки вычисляем из соотношения

Эффективная длина резонансной полости в числе длин полуволн

Физическое расстояние между краями решеток в числе длин полуволн рассчитывается по фрмуле

Частотно-избирательные свойства резонатора описываются эквивалентной схемой (рис. 2).

Вдали от резонанса такая схема описывает обычную линию задержки, образованную двумя преобразователями связи со статической емкостью С_ПР и сопротивлением излучения R₀.

Полная статическая емкость преобразователя, содержащего N_ВШП пар электродов,

,

где С₀ - погонная статическая емкость одного периода ВШП;

W - акустическая апертура преобразователя в длинах волн.

Рисунок .2 – Эквивалентная схема одномодового резонатора

Сопротивление излучения

R₀=(8N_ВШП f₀k²C₀)^-1.

В точке резонанса между преобразователями образуется сильная связь. Пропускание резко увеличивается в очень узком частотном диапазоне, аналогично одиночному резонансному контуру с динамическими параметрами R₁, L₁, C₁. При | |≈1 элементы эквивалентной схемы можно аппроксимировать выражениями

Апертура ВШП определится из выражения

C₀ – погонная емкость ВШП.

Полагая N_ВШП = 0,4N_rr, из последнего выражения определяем апертуру ВШП.

3 Контрольные вопросы и задания

1. Охарактеризуйте свойства ПАВ.

2. Укажите особенности поверхностных акустических волн.

3. Изобразите встречно-штыревой преобразователь и укажите параметры, которые его характеризуют.

4. Чем определяется частота акустического синхронизма?

5. Какие материалы используются для реализации устройств на ПАВ? Какими параметрами они характеризуются?

6. Объясните принцип действия резонатора Фабри-Перо.

7. Чем определяется средняя частота ОР и резонансная частота резонатора?

8. От каких факторов зависит число электродов ОР?

9. От каких факторов зависит добротность резонатора?

10. Охарактеризуйте основные потери, которые снижают добротность резонатора.

11. В каком диапазоне частот функционируют резонаторы на ПАВ?

12. Какие существуют конструкции резонаторов на ПАВ?

13. Где используются резонаторы на ПАВ?

14. Поясните принципы формирования полосовых фильтров на основе резонаторов на ПАВ?

15. Рассчитать резонатор согласно варианту

Литература

1. Функциональная микроэлектроника. Магнитоэлектроника и приборы с переносов зарядов: Учебное пособие/ В.А. Письменецкий, Б.Г. Бондарь, В.А. Антонова, В.А. Хорунжий. – К.:УМК ВО, 1988. – 148 с.

2. Аваев Н.А. и др. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов/ Н.А.Аваев, Ю.Е.Наумов, В.Т. Фролкин. – М.:Радио и связь, 1991. – 288 с.

3. Основы микроэлектронных устройств: Уч. пособие/ Б.Г.Бондарь, А.В. Бородин, Ю.Е.Гордиенко, Н.И.Слипченко; Под ред. проф. Гордиенко Ю.Е. – К.:ІЗИН, 1998. – 216 с.

4. Балякин И.А., Егоров Ю.М., Радзивалов В.А. Приборы с переносом зарядов в радиотехнических устройствах обработки информации. – М.: Радио и связь, 1987. – 176 с.

5. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах: Спрвочник/А. М. Балбашов, Ф. В. Лисовский, В. К. Раев и др.; Под ред. Н. Н. Евтихиева, Б. Н. Наумова. – М.: Радио и связь, 1987. – 488 с.

6. Конспект лекций.