Электрорадиоэлементы устройства функциональной микроэлектроники и технология радиоэлектронных (стр. 24 из 102)

111 i

l_ш= 2,25λ_пов

Рисунок 1.9.7.

Например, для несущей частоты

Рисунок 1.9.8. 1000 МГц общая ширина штырей отвода будет около 0,07 мм. Принцип действия таких фильтров пояснен

рис. 1.9.8. на примере приема сигнала, сформированного по коду Баркера из 13 элементов сигнала. Расположив на звукопроводе N_э преобразователей-отводов и скомпоновав их так, чтобы знак при суммировании определялся фазой каждого сигнала, получим согласованный фильтр для ФМН сигнала.

Резонаторы на ПАВ. В обычном фильтре на ПАВ полоса пропускания зависит от количества пар штырей: сужение полосы требует увеличения пар штырей. Вместе с тем, имеется возможность повысить фильтрующие свойства фильтров на ПАВ, используя резонансные явления при наличии отражений. Поверхностная акустическая волна, встречаясь с неоднородностью, будет частично отражаться. Если расположить определенным образом несколько пар штырей, то можно достигнуть такого состояния, когда основная часть энергии ПАВ будет отражаться1.9.8.. На рисунке: 1 — резонаторная полость; 2 - металлические электроды; 3 — пазы; 4 — диффузионные неоднородности.

Если расположить штыри так, чтобы расстояние между ними обеспечивало синфазное сложение отраженных и падающих колебаний, то возбужденная коротким импульсом волна в таком устройстве будет циркулировать, постепенно затухая. Таким образом, импульсная характеристика будет в этом случае близка к характеристике LC-фильтра, но с очень узкой полосой, если при отражении будут малые потери. Для санкционирования такого фильтра необходимо возбудить волну, которая, многократно отражаясь, создаст эффект узкой полосы. Фильтр работает следующим образом. Если на левый преобразователь подать скачок напряжения высокой частоты, то он вначале дойдет до правого

112

преобразователя и там появится напряжение малого уровня. Это напряжение будет непрерывно поступать от левого преобразователя. Волна напряжения этой частоты, отражаясь от правого отражателя, вернется и тоже наведет напряжение. Затем эта волна отразится от левого преобразователя и опять придет в правый. Кроме того, волна, которая пошла от левого преобразователя влево, также отразится и достигнет преобразователя. Если все размеры выдержаны точно, то эти волны синхронно складываются. Постепенно они будут затухать и установится какая-то конечная амплитуда поверхностной волны и конечная амплитуда сигнала, снимаемого с правого преобразователя. Благодаря малым затуханиям отраженных волн происходит медленное нарастание выходного напряжения, что эквивалентно узкополосному фильтру. Как показали исследования, добротность таких резонаторов может достигать 10³ ... 10⁴.

Однако, используя резонаторы, можно создать фильтры только с простой амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиками. Поэтому, несмотря на очень высокие показатели по добротности и узкополосности, они имеют ограниченное применение.

1.10 ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ. ФИЛЬТРЫ НА ПРИБОРАХ С

ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ.

Приборы с зарядовой связью (ПЗС) в дискретных фильтрах. Функциональная электроника, основанная на использовании динамических неоднородностей, создаваемых в веществе в процессе функционирования, дала интересные возможности для создания многих устройств, выполняющих ответственные функции в РЭА, в том числе позволила создать новые эффективные фильтры. Эти фильтры основаны на принципах дискретной фильтрации. Выше была рассмотрена работа дискретных фильтров, дан общий анализ их характеристик при любой 4 физической реализации, показаны их возможности и ограничения.

Положительные качества таких фильтров были известны давно, однако широкого применения они не получили. В основном дискретные фильтры использовались применительно к сложным фазоманипулированным сигналам, поскольку характер таких сигналов, состоящих из набора дискретных элементов конечной длительности и с разными фазами, требовал применения именно такого вида фильтров. Реализовывались они на линиях задержки – электрических, электромеханических, пьезоэлектрических и других.

Обычно сложные сигналы применяются в специальных системах радионавигации, радиолокации, радиосвязи. Поэтому большая трудоемкость изготовления фильтров, для таких сигналов, сложность их регулирования, значительные масса и стоимость были оправданы. С развитием функциональной электроники были созданы приборы с зарядовой связью и

113

появилась возможность создавать дискретные фильтры более компактные, дешевые и надежные, чем применявшиеся ранее аналоговые. Это позволило поставить в принципе по-новому вопрос о создании и применении дискретных фильтров, т. е, получить на основе устройств функциональной электроники не только фильтры для сложных сигналов, но и широкую номенклатуру других фильтров. Это объясняется тем, что дискретные фильтры, по сути, остаются линейными, а дискретный характер накопления в них позволяет устранить многие трудности и ограничения, свойственные аналоговым фильтрам. Следует отметить, что на основе ПЗС удалось также создать компактные и совершенные передатчики изображений, но это направление не связано с элементной базой широкого применения, в связи с чем в этой книге на таком применении ПЗС останавливаться не будем.

Выше при изучении того, как формируются характеристики дискретных фильтров, показано, что частота их настройки не связана с массой и габаритами фильтров и полностью определяется тактовой частотой, а полоса пропускания не зависит от потерь и определяется количеством элементов накопления или дискретной памяти. Для того чтобы провести анализ возможностей фильтров на ПЗС, необходимо выявить, какие они имеют ограничения: по высшей и низшей частотам, тактовой частоте, количеству входящих в них элементов и ширине полосы пропускания. Для того чтобы рассмотреть эти вопросы, необходимо остановиться на физике функционирования МДП-конденсаторов, лежащих в основе работы ПЗС.

Функционирование МДП-конденсаторов. Напомним вначале принцип работы МДП-конденсаторов. На рис. 1.10.1 дано схематическое изображение МДП-конденсатора, состоящего из полупроводника, например кремния n-типа, т.е. с преобладанием носителей — электронов (п — тип носителей тока, Si — материал); оксидного слоя диэлектрика в виде двуокиси кремния — SiO₂; напыленного металлического электрода и проводников, присоединенных к подложке и металлическому электроду, к которым может быть приложено напряжение.

114

Рисунок 1.10.1 Рисунок 1.10.2

Если напряжение не приложено, то области полупроводника равномерно заселены электронами. При подаче на металлический электрод положительного напряжения электроны притягиваются к изоляционному слою, образуя на обкладках конденсатора заряд. Емкость этого конденсатора будет определяться диэлектриком SiО₂.

Если к металлическому электроду подвести отрицательное напряжение достаточного значения U_пор . (рис 1.10.2) (или положительное, если полупроводник р-типа), то электроны под действием электрического поля будут вытеснены из области, находящейся под пластиной. Образуется динамическая неоднородность в виде области в полупроводнике, обедненной носителями. На обкладках сформируются заряды, но емкость такого конденсатора будет много меньше, так как диэлектриком для него служит не только слой SiO₂, но и область полупроводника, обедненная носителями, которая также может рассматриваться как диэлектрик.

Отсюда видно, что МДП-конденсатор в принципе отличается от обычного, в котором емкость не зависит от приложенного напряжения. Однако отличие между обычным и МДП-конденсатором заключается не только в этом. Реально полупроводник неидеален: из-за дефектов кристаллической решетки, наличия примесей состояние МДП-конденсатора меняется во времени. В обедненной области происходит генерирование положительных и отрицательных частиц, т. е. дырок и электронов. Естественно, что электроны вытесняются из обедненной области, а дырки наоборот концентрируются у поверхности изоляционного слоя, образуя слой, который называется инверсным (рис. 1.10.2). При этом емкость конденсатора изменяется, созданная динамическая неоднородность, а именно обедненная область, изменяет электрические свойства и через некоторое время она обращается в полупроводники р-типа.

Для ПЗС важно время, в течение которого динамическая неоднородность в виде обедненной области сохраняет свои свойства. В зависимости от технологии и чистоты материала это время может составлять от 10^-2 с до многих часов (при комнатной температуре). Как увидим позже, это имеет значение для выявления наиболее низких частот, на которых может работать фильтр на ПЗС. Рабочим режимом ПЗС является режим образования обедненной области.

Движение динамической неоднородности (зарядов). Из термина ПЗС следует, что в приборах этого типа имеется связь через заряды. Некоторое время эти приборы называли приборами с переносом заряда. Таким образом, в ПЗС должно осуществляться передвижение динамической неоднородности, т.е. перенос заряда.

Для реализации переноса заряда нужно расположить рядом друг с другом большое количество МДП-конденсаторов (рис. 1.10.3). Рассмотрим случай, когда на первый конденсатор под номером 1.1 подано отрицательное напряжение U_1.1, превышающее U_пор, при котором начинает формироваться