Модулятори дефлектори фільтри процесори генератои Підсилювачі і фазовозвращателі

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


Міністерство освіти Республіки Білорусь

Установа освіти

"Білоруський державний університет

інформатики і 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 ПЗЗ, а й Акустоелектронні, засновані на застосуванні поверхневих акустичних хвиль. При багатьох чудових якостях фільтрів на ПЗС 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, оскільки робочий діапазон частот фільтрів на ПАР знаходиться в межах від 1 до 103 МГц.

Нагадаємо, що фільтри, які використовують акустичні об'ємні коливання, мають такі недоліки: суттєво обмежені вищі частоти (для магнітострикційних фільтрів - декілька мегагерц, для п'єзоелектричних 10 ... 30 МГц); конструкція і технологія цих фільтрів засновані на механічній обробці з дуже високою точністю, т. е. вони відрізняються по конструкції і технологічним процесам 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 та 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, співмірний 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), напилення на поверхню 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: еквідистантно 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 електричне напруга високої частоти, забезпечити узгодження частоти f з кроком ВШП, то під впливом поля відбудеться деформація в п'єзоелектрики, яка зі швидкістю υ пов пошириться в обидва боки 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 λ 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 яка прийшла від сусіднього проміжку, створить сумарну деформацію. Це має місце при виконанні рівності

2 b = λ пов = υ пов / f,

(2)

де λ 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 п'єзоелектрики, 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 змінне електричне 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) = λ пов / 2. деформації, що виникають під проміжками при інших частотах, не будуть ефективно сумуватися. Залежність відгуку від частоти можна використовувати для отримання ефекту фільтрації.

Очевидно, властивості таких фільтрів залежать від матеріалу звукопровода. Наприклад, для ніобіту літію (LiNbO 3) швидкість поверхневої хвилі складає 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

λ пов = υ пов / f = 4000 м/с/100 · 106 Гц = 4.10 -2 мм.

(3)

При цьому крок ВПШ

b = λ 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'єзоелектрики, викликаючи неоднорідність, у вигляді дискретних ділянок стиснення або розтягнення, 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 кількістю 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:

Δ f п = f0 / N,

(5)

де Δ f п - смуга пропускання частот фільтру; N - кількість пар штирів; f 0 - центральна частота фільтра.

Нагадаємо, що добротність LC-контура Q = f 0 / Δ f п. Отже, число пар штирів еквівалентно добротності. Звідси випливає, що звуження смуги пропускання фільтра пов'язано зі збільшенням числа штирів, тобто зі збільшенням розмірів фільтра. Однак обмеження, пов'язане зі звуженням смуги пропускання в LC-фільтрах, більш жорстке, тому що визначається природою втрат в конденсаторі і котушці індуктивності, які не можуть бути зменшені нижче певного рівня. У даному випадку смуга пропускання обмежується в основному можливостями технології, яка визначає кількість пар штирів і розміри звукопровода. Отже, в цьому сенсі фільтри на ПАХ мають ті ж властивості, що і фільтри на ПЗЗ, для яких було показано, що смуга визначається числом секцій МДП-конденсаторів (елементів пам'яті).

З викладеного принципу дії випливає, що фільтри на ПАХ 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 УПЧ; 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 еквідистантно 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 фільтрованої 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) фільтру K ф (ω) визначається добутком частотних характеристик обох перетворювачів:

K ф (ω) = K вх (ω) K вих (ω),

(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 мають далеко один від одного, тому що 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 l з <<l вх і l вих <<l вх, де l з - відстань між перетворювачами; l вх - довжина вхідного перетворювача; l вих - довжина вихідного перетворювача. Тоді мінімальну частоту настроювання 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 Δ f п = 0,05 f 0, то потрібно 20 пар штирів. Довжина вхідного перетворювача буде дорівнює l вх = 10 λ пов. При швидкості розповсюдження.

Рис.2.

поверхневої хвилі υ пов ≈ 3000 м / с, вважаючи, що звукопровод дозволяє створити перетворювач довжиною l вх ≈ 100 мм, отримаємо, що мінімальна частота сигналу складе близько 200 кГц. Реально, з урахуванням відстані між перетворювачами l з, довжини вихідного перетворювача, технологічних проміжків, частота складе приблизно 400 кГц. Отже, нижча частота фільтра визначається можливою довжиною звукопровода. На практиці фільтри на ПАХ 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 = υ пов / 2 k м = 4000 / 2 (1 +1) = 1.109 Гц.

(7)

Отже, фільтри на ПАХ 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 δ-функцій. Для отримання розрахункових співвідношень для частотної характеристики припустимо, що на штирі еквідистантно перетворювача діє сигнал у вигляді дуже короткого імпульсу напруги (δ-функція). У цьому випадку в кожному із проміжків між штирями збуджується короткочасно електричне поле. Уздовж звукопроврда буде рухатися поверхнева хвиля з λ пов = 2 (a + h). Протяжність імпульсу цієї хвилі в звукопроводу визначається не тривалістю електричного імпульсу, а шириною вхідного перетворювача l вх. Огинаюча цього імпульсу Δ l = l вх і напрям його руху в одну зі сторін показані на рис.2, б. імпульс тривалістю Δ l = l вх зі швидкістю υ 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 з затримкою Δ τ з = l з / υ пов, дає на радіочастоті f 0 = υ пов / / 2 (a + h) імпульс напруги з тривалістю Δ τ з ≈ l вх / υ пов (рис. 2, в). Так як

l вх = λ пов N,

(8)

то

Δ τ і = N / f 0

(9)

Відомо, що імпульс такої тривалості на несучій частоті має спектр частот з облямовує [sin ((f - f 0) / f 0)] / [Nπ ((f - f 0) / f 0)] (рис.2, г ). Високочастотне заповнення для спрощення малюнка не показано. Як видно, смуга пропускання між "нулями" на частотній характеристиці

2Δ f 0 = 2 (1 / Δ τ і) = 2 f 0 / N.

(10)

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

Δ f п = f0 / N.

(11)

Так як відгук лінійного ланцюга на δ-імпульс є її імпульсна функція, то імпульс тривалістю Δ τ і на виході вихідного перетворювача теж імпульсна функція фільтра. Перетворення Фур'є дає частотну характеристику, отже, на рис.2, г показана частотна характеристика фільтру. Ця характеристика має додаткові викиди і практично малопридатна, тому виникає завдання значно зменшити рівень бічних пелюсток (викидів). Для цього необхідно, щоб дискретний фільтр мав неоднорідну структуру, тобто щоб окремі ланки фільтру 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 у різних парах штирів з різною інтенсивністю. Інтенсивність парциальной 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 зв'язані перетворенням Фур'є. При проектуванні фільтра варто міняти перекриття штирів по довжині перетворювача відповідно заданої імпульсною характеристикою, яка визначається з необхідної частотної характеристики. Зміна перекриття називають аподизація. 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 еквідистантно перетворювача. При зміні перекриття штирів по довжині перетворювача форма частотної характеристики стає більш плавною, викиди зменшуються, але ширина смуги збільшується. Це й зрозуміло, тому що зменшується кількість штирів, 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 протяжність в часі імпульсної перехідної функції і відповідна їй кількість штирів, є однаковими для всіх випадків (мал.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 e при α = 8, коли в межах тривалості 1 з ордината складає 0,13 ... 1, 4 - імпульсна характеристика типу e при α = 12, коли в межах тривалості 1 з ордината становить від 0,05 ... 1.

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 e при α = 8 і 12 відповідно. З рис.4 наочно видно, що при лінійній аподизація 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 e частотна характеристика не має бічних викидів, а смуга пропускання розширюється в порівнянні з рівномірним перекриттям штирів приблизно в 1,35 рази при α = 8 і в 1,55 рази при α = 12.

Реально в фільтрі з аподізованним перетворювачем при перекритті штирів за законом e будуть невеликі викиди, так як значення перекриття починаються стрибком не з нуля, а з 5% для α = 12 та 13% для α = 8. Таким чином, змінюючи закон перекриття штирів щодо центру перетворювача, можна змінювати 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. Акімов, Є.П. Ващуком, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Мн.: Білорусь, 2005. - 591 с.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
45.7кб. | скачати


Схожі роботи:
Пасивні LC фільтри і активні RC фільтри
Пасивні LC-фільтри і активні RC-фільтри
Модулятори оптичних сигналів
Процесори
Про процесори
Табличні процесори
Процесори AMD
Процесори фірми Intel
Процесори електронних таблиць
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru