Федеральное агентство связи

Ордена трудового красного знамени федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

Кафедра Электроники

Лабораторная работа №1

«Устройства функциональной электроники на поверхностных акустических волнах»

Выполнил студент:

Епифанов Георгий Проверил: Аристархов Г.М

Устройства функциональной электроники на поверхностных акустичских волнах

Цель работы:

1. Изучение влияния конструкторско-топологических параметров устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) на его электрические характеристики:

а) выбор материала подложки;

б) выбор геометрии (топологии) тонкопленочных элементов частотно-избирательных фильтров и согласованных фильтров сложных сигналов.

2. Освоение методики проектирования пленочных элементов устройств на ПАВ при использовании технологии изготовления интегральных микросхем.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Записать в отчете название и цель работы.

2. Изучить теоретическую часть описание лабораторной работы.

3. Произвести расчет, необходимый для проектирования частотно-избирательного фильтра (ЧИФ).

4. Начертить топологию ЧИФ

5. Письменно ответить на контрольные вопросы, записав и сами вопросы.

Ход работы:

1. Значения по номеру варианта

Первая буква фамилии	,МГц	,МГц
Е	60	5,7	200

-центральная частота; -ширина полосы пропускания; -псевдослучайная последовательность для согласованного фильтра(СФ) сложного сигнала(СлС)

Первая буква фамилии	𝑅𝑎, Ом
Е	75

𝑅𝑎-выходное сопротивление ВШП(встречно-штыревого преобразователя) частотно-избирательного фильтра

2. Расчет частотно-избирательного фильтра(чиф)

2.1 Определяем оптимальный пьезоматериал для подложки

Относительная полоса пропускания:

Исходя из данного значения оптимальным пьезоматериалом для подложки будет Нитрид алюминия(пленка).

Материал	Срез и направление распространения	Cкорость ПАВ, x103 м/с	N0	/ ,%	M0
Нитрид алюминия	X, Z	6,16	10	9.5	61

2.2 Определим :4

2.3 Период решетки:

2.4 Ширина электродов:

2.5 Определим длину электродов:

2.6 Количество пар электродов во входном ВШП:

= 𝑁₀/10 = 10/10 ≈ 1.

2.7 Расстояние между входным и выходным ВШП:

2.8 Ширина суммирующих шин:

2.9 Переходное затухание в фильтре 𝜉 , которое должно бить компенсировано дополнительным усилением, находим из графика на рис. 4 д

100%; 𝜉=46 дБ

2.10 Время задержки в линии задержки ПАВ:

3.Расчет согласованного фильтра фМн СлС на пав

3.1 Длительность элементарного импульса ФМн СлС:

3.2 Расстояние между отводами электродов согласованного фильтра:

3.3 Общая длина всех отводов электродов ВШП:

Ответы на контрольные вопросы

1.Что такое ПАВ и за счет чего она образуется?

Поверхностные акустические волны (ПАВ) – это упругие деформации в твердом теле, имеющие преимущественно продольную компоненту. Он образуется за счет прикладывания электрического сигнала к входному ВШП(встречно-штыревого преобразователя), из-за чего деформируется поверхность пьезоэлектрического кристалла, создавая бегущие ПАВ.

2. Что такое ПАВ устройства и для чего они применяются? Какова связь их электрических характеристик с топологическими размерами элементов конструкций?

Устройства на ПАВ применяются как полосовые фильтры в радиоприемниках, усилителях промежуточной частоты, синтезаторах частот, многоканальных приемках, где они заменяют кварцевые и многозвенные фильтры, требующие сложной методики подстройки.

Топология устройства зависит не только от выполняемой операции обработки сигнала, но и от требуемых технических характеристик. Число различных вариантов топологий современных устройств на ПАВ исчисляется сотнями.

а) С геометрическими размерами ВШП связана его резонансная частота:

Например, для 𝑆𝑇 – кварца 𝜗ПАВ – 3150 м/с и при 𝛼_𝑝 = 1 мкм 𝑓₀ ≈ 1,5 ГГц. Минимальная частота ПАВ ограничена размерами пластин (кварц – 300 мм, ниобат лития – 150 мм) и равна единицам мегагерц.

б) Определим : (мкм)

в) Период решетки:

г) Ширина электродов:

д) Длина электродов:

е) Количество пар электродов во входном ВШП: = 𝑁₀/10

ё) Расстояние между входным и выходным ВШП:

ж) Ширина суммирующих шин:

топологии преобразователей ПАВ, а именно: от количества, геометрических размеров и взаимного расположения электродов в преобразователе, от протяженности зон перекрытия смежных электродов (протяженности зазоров), от очередности подсоединения электродов к общим суммирующим шинам.

3. Чем отличаются входной и выходной ВШП в частотно-избирательном фильтре и в согласованном фильтре сложного сигнала (СлС)?

во входном ВШП каждая пара электродов действует как источник механического сигнала, а в выходном – как источник электрического сигнала

При построении полосовых фильтров на ПАВ обычно входной ВШП делают широкополосным, а выходной ВШП имеет заданную полосу, и амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра определяется только входным ВШП (см. рис. 5), хотя из принципа взаимности их можно поменять местами, что и делают при построении согласованных фильтров

4. Как строятся линии задержки на ПАВ? В каком соответствии находятся АЧХ согласованного фильтра, спектр обрабатываемого СлС и структура ВШП?

Чаще всего линия задержки ПАВ (ЛЗ ПАВ) представляет собой пьезокристаллическую пластину, на поверхность которой наносится (например, методом напыления в вакууме) два встречно-штыревых преобразователя.

5. Что такое аподизация и для чего она применяется?

6. Чем определяется выбор материала подложки для устройства на ПАВ? Их основные характеристики.

Конструктивно ПСФ может быть выполнен в двух основных вариантах:

гибридном (рис. 7) и монолитном (рис. 8). В гибридном варианте многоотвод-

ная ЛЗ (МЛЗ) на ПАВ напылена на пластине пьезоэлектрика (например,

кварце), которая приклеена к диэлектрической подложке. Кроме того, на ней размещены компоненты и элементы коммутирующей части схемы: бескорпусные диоды, тонкопленочные резисторы и полупроводнико-

вые интегральные схемы для ОР сдвига.

Монолитный вариант (см. рис. 8) ПСФ выполняется на сапфировой под-

ложке с выращенными двумя эпитаксиальными слоями: пьезоэлектрического

слоя и слоя кремния. На пьезоэлектрическом слое (нитриде алюминия AlN) пу-

тем напыления алюминия изготавливается МЛЗ, а в слое кремния выполняется

вся коммутирующая часть ПСФ. Для металлизации звукопровода в качестве основного проводящего металла обычно используют алюминий толщиной 0,1-0,2 мкм, а для лучшей адгезии алюминия к звукопроводу применяют подслой металла, имеющего хо-

рошую адгезию.

Например, для кварца применяют подслой ванадия. Толщина подслоя

0,01-0,02 мкм. Пленки металла наносятся вакуумным напылением. После

напыления металлической пленки на звукопровод последний покрывают

слоем фоторезиста и экспонируют через фотошаблон; производят проявление,

а затем травление металлической пленки.

7. Какие функции можно реализовать на ПАВ устройствах?

8. Что такое трансверсальный фильтр? Как его можно реализовать?

Поскольку ПАВ распространяется от одной пары электродов к другой с конеч-

ной скоростью, сигнал повторно задерживается и суммируется, т.е. реализу-

ется трансверсальный фильтр.

9. Как выполняются программируемые согласованные фильтра на ПАВ?

Развитие помехозащищенных систем передачи информации, РЛС, теле-

метрии поставило задачу обработки ФМн сложных сигналов (СлС) с большим

количеством символов, т.е. Nэ ≥ 127, и с изменяющейся в процессе работы

структурой кода фазовой манипуляции. Такую задачу решают согласованные

фильтры на ПАВ. В них выходные ВШП соединяются с суммирующими ши-

нами через переключающие диоды. Это позволяет управлять фазой каждого

из отводов электродов путем подачи на диоды соответствующих положитель-

ных либо отрицательных управляющих сигналов.

Такие фильтры в литературе получили название программируемых, т.к.

они путем электронной перестройки способны в зависимости от программы,

которая задает соответствующее смещение на коммутирующих диодах, обра-

батывать ФМн СлС различной кодовой структуры.

10. Что такое оптимальная полоса фильтра на ПАВ?

11. Как осуществляется перестройка фазы в согласованных фильтрах на ПАВ для фазоманипулированных сложных сигналов?

Фаза отводов кодируется в соответствии со структурой обрабатываемого сигнала путем соответствующего соединения выходных ВШП с суммирующими шинами.

Развитие помехозащищенных систем передачи информации, РЛС, теле-

метрии поставило задачу обработки ФМн сложных сигналов (СлС) с большим

количеством символов, т.е. Nэ ≥ 127, и с изменяющейся в процессе работы

структурой кода фазовой манипуляции. Такую задачу решают согласованные

фильтры на ПАВ. В них выходные ВШП соединяются с суммирующими ши-

нами через переключающие диоды. Это позволяет управлять фазой каждого

из отводов электродов путем подачи на диоды соответствующих положитель-

ных либо отрицательных управляющих сигналов.

12. Какие параметры частотно-избирательного фильтра на ПАВ определяется апертура ВШП и количество электродов в отводе ВШП; чем достигается требуемое затухание за полосой пропускания ЧИФ и СФ?

Входное и выходное сопротивления фильтра ПАВ зависят от апертур входного и выходного ВШП, который совместно с контактными площадками и технологическими полями определяет ширину звукопровода.

13. Классификация устройств на ПАВ?

Устройства на ПАВ можно условно разделить на два класса: трансвер-

сальные и резонаторные.

К трансверсальным устройствам на ПАВ относятся: полосовые фильтры,

взвешивающие фильтры, согласованные фильтры сложных сигналов (ЛЧМ,

ФМ и ММС (Манипуляция с минимальным сдвигом)), линии задержки, дис-

персионные линии задержки, дифференциаторы, частотные дискриминаторы,

преобразователи Гильберта, трансформаторы, фазовращатели, аттенюаторы. К резонаторным устройствам относятся одно-входовые и двух-входовые

резонаторы, полосовые лестничные (LDRF) и мостовые фильтры, полосовые

фильтры на резонаторах с электрической или акустической связью (LCRF,

TCRF), фильтры верхних и нижних частот, режекторные фильтры.

14. Преимущества и недостатки устройств на ПАВ?

По сравнению с другими типами фильтров, например, электрическими LC- или RC-типа, фильтры на ПАВ обладают следующими достоинствами:

– возможностью реализаций различных достаточно сложных по форме АЧХ и ФЧХ при высокой точности обеспечения заданных параметров;

– технологичностью изготовления, возможностью применения стандартных технологических процессов микроэлектроники;

– высокой стабильностью параметров в процессе эксплуатации и надежностью работы, объясняющиеся тем, что фильтр на ПАВ представляет собой монолитное твердотельное устройство;

– хорошей сопрягаемостью с блоками микроэлектронной аппаратуры;

– малыми габаритами и весом. К недостаткам фильтров на ПАВ относятся:

– повышенная стоимость, так как они строятся, как правило, на монокристаллической пьезоподложке;

– повышенный уровень вносимых потерь, так как их преобразователи обычно обладают двунаправленным излучением и приемом ПАВ, и поэтому менее одной четверти отдаваемой источником сигнала мощности достигает нагрузки.

нагрузки.

Москва 2024