Что такое акустоэлектронные усилители?

Акустоэлектронные называют такие усилители, в которых усиления электрического сигнала достигают усилением полученной из него акустической волны. Акустоэлектронные усилители предназначены для усиления электрических сигналов.

Классификация. Акустоэлектронные усилители классифицируют по виду акустических волн, которые в них используют. Различают акустоэлектронные усилители на объемных и поверхностных акустических волнах. Последние, в свою очередь, делятся на два подвида: пленочные и с воздушным зазором. В пленочных дрейфовая часть, которой является монокристаллическая полупроводниковая пленка,
отделена от звукопровода, которым является пьезоэлектрическая подложка, диэлектрической пленкой. В усилителях с воздушным промежутком дрейфовая часть, которой является монокристаллическая полупроводниковая пленка, выращенная на сапфировой подложке, отделена от пьезоэлектрической подложки воздушным зазором.

Условные изображения и обозначения. На схемах акустоэлектронные усилители изображают так, как показано на рис. 1.Условное пропускания изображение акустоэлектронного усилителя

Рис. 1. Условное пропускания изображение акустоэлектронного усилителя

Условное обозначение акустоэлектронного усилителя содержит название устройства, его коэффициент усиления по напряжению и полосу пропускания. Например, обозначение ПА-50-300 значит: усилитель акустоэлектронный, коэффициент усиления по напряжению 50 дБ, полоса 300 МГц.

Строение. Конструкция акустоэлектронного усилителя на объемных продольных акустических волнах приведена на рис. 2.Акустоэлектронный усилитель на объемных продольных акустических волнах: 1 - полупроводниковый стержень; 2 - внутренние электроды электромеханических преобразователей; 3 - внешние электроды электромеханических преобразователей

Рис. 2. Акустоэлектронный усилитель на объемных продольных акустических волнах: 1 — полупроводниковый стержень; 2 — внутренние электроды электромеханических преобразователей; 3 — внешние электроды электромеханических преобразователей

Видно, что его основными конструктивными элементами являются пьезоэлектрический монокристаллический полупроводниковый звукопровод, изготовлен в форме стержня (1) и входной и выходной электромеханические преобразователи. Внутренние электроды (2) изготовлены диффузией индия непосредственно в торце полупроводникового стержня. Они одновременно служат и электродами, к которым подводится постоянное электрическое напряжение для создания в стержне постоянного электрического поля, которое вызывает дрейф носителей заряда в направлении распространения продольной акустической волны. Внешние электроды (3) электромеханических преобразователей изготавливают методом диффузии примесей с противоположным по индия типом проводимости. В этой конструкции используют явление взаимодействия акустической волны звукопровода с электронами проводимости этого самого звукопровода. Это неудобно, ибо в таком случае один и тот же материал, чтобы удовлетворить требования к его электрическим и акустическим свойствам, должен подвергаться различным (часто несовместимо) видам обработки. Поэтому более распространены акустоэлектронные усилители на ПАВ, в которых полупроводниковая дрейфовая часть отделена от звукопровода, которым является пьезоэлектрическая подложка, воздушным промежутком, размеры которого должны быть гораздо меньше от длины акустической волны (рис. 3).Акустоэлектронные усилитель на ПАВ с воздушным промежутком: 1 - воздушный промежуток; 2 - монокристаллическая кремниевая пленка; 3 - сапфировая подложка; 4 - пьезоэлектрическая подложка; 5 - преобразователи

Рис. 3. Акустоэлектронные усилитель на ПАВ с воздушным промежутком: 1 — воздушный промежуток; 2 — монокристаллическая кремниевая пленка; 3 — сапфировая подложка; 4 — пьезоэлектрическая подложка; 5 — преобразователи

Основными конструктивными элементами этих усилителей является монокристаллическая кремниевая пленка 2 n-типа проводимости толщиной 1 мкм, выращенная эпитаксиальных способом
на сапфировой подложке 3; пьезоэлектрическая подложка 4, входной и выходной преобразователи 5. Удельное сопротивление монокристаллической кремниевой пленки равна 10 Ом-см, а подвижность
электронов — 500 см2/В-с. Типичная конструкция пленочного акустоэлектронного усилителя, у которого дрейфовая часть отделена от звукопровода диэлектрической пленкой, приведена на рис. 4.Пленочный акустоэлектронный усилитель: 1,2 - преобразователи; 3 - подложка; 4 - диэлектрическая пленка

Рис. 4. Пленочный акустоэлектронный усилитель: 1,2 — преобразователи; 3 — подложка; 4 — диэлектрическая пленка

Основными конструктивными элементами этих усилителей является пьезоэлектрическая подложка (звукопровод 3); входной 1 и выходной 2 преобразователи; диэлектрическая пленка 4, которая заменяет воздушный промежуток; монокристаллическая полупроводниковая пленка, которая играет роль дрейфовой части прибора; контакты, которые предназначены для подвода напряжения; защитный слой.
Материалы этих конструктивных элементов приведены на рис. 4.

Работа. Из определения следует, что для того, чтобы осуществить усиление, необходимо сначала электрический сигнал превратить в акустическую волну, усилить ее и после этого осуществить обратное преобразование усиленной акустической волны в электрический сигнал. Блок-схему акустоэлектронного усилителя можно представить в виде, изображенном на рис. 5. Блок-схема акустоэлектронного усилителя

Рис.5. Блок-схема акустоэлектронного усилителя

Работа акустоэлектронных усилителей основывается на явлении взаимодействия акустической волны с электронами проводимости металлов и полупроводников. Результатом такого взаимодействия является появление акустоэлектронного эффекта, который заключается в возникновении постоянного тока или ЭДС в проводящей среде под действием бегущей волны. Появление тока связана с передачей импульса (и соответственно энергии) от акустической волны электроном проводимости. Это приводит к направленному движению носителей электрического тока в направлении распространения звука, то есть к появлению акустоэлектронного тока, плотность которого Безымянный определяется с выражения:Безымянный

где е — заряд электрона; n — количество электронов в единице объема; Безымянный — изменение скорости, определяется по выражению:Безымянный

где Безымянный— постоянная Планка; Безымянный — частота звука; Безымянный — скорость звука; Безымянный — масса электрона.
Рассмотренная выше акустоэлектронные взаимодействие обычно сопровождается потерями энергии. Но если на проводник или полупроводник наложить постоянное электрическое поле, которое вызывает дрейф носителей заряда в направлении распространения акустической волны, то когда скорость дрейфа носителей превышает скорость акустической волны, то носители передают энергию акустической волны, то есть усиливают акустические колебания. Выходной электромеханический преобразователь преобразует усиленную акустическую волну в усиленный электрический сигнал.

Свойства. Сначала остановимся на некоторых общих свойствах. Акустоэлектронные усилители имеют характеристики, близкие к идеальным. Они, во-первых, отмечаются малыми потерями энергии, обусловленными природой, спецификой преобразования и распространения акустических волн, их взаимодействием с электронами металлов и полупроводников, обеспечивает высокую эффективность их работы. Во-вторых, в акустоэлектронных усилителях отмечается слабая зависимость потерь энергии от частоты. В основном потери не превышают 20 дБ на частотах до единиц ГГц. Это делает их перспективными для применения в устройствах СВЧ. В-третьих, слабая частотная зависимость потерь и других параметров обеспечивает акустоэлектронные усилителям широкую полосу пропускания. В-четвертых, акустоэлектронные усилители имеют довольно большой коэффициент усиления по напряжению (20 … 60 дБ на частотах в сотни МГц) и широкий динамический диапазон его изменения. Его нижняя граница ограничивается собственными шумами (0,1..1,0 мВт), а верхняя — группировкой всех свободных электронов в сгустки, которое наступает при плотности акустической энергии, близкой к единицам Вт/см2. В-пятых, акустоэлектронные усилители имеют малые весогабаритные показатели, соизмеримы с размерами ИМС, а их технология совместима с микроэлектронными технологиями.
Анализируя свойства отдельных видов акустоэлектронных усилителей, необходимо отметить, что изображен на рис. 2 акустоэлектронный усилитель объемных акустических волн имеет геометрические размеры 1,28×0,6×0,6 мм. Он питается напряжением 227 Б, рассеиваемая мощность 3,78 Вт, имеет полосу пропускания 300 МГц. На частоте 1 ГГц он обеспечивает коэффициент усиления 40 дБ. Использованные в нем преобразователи, построенные на обратносмещенных p-n-переходах, обеспечивают работу усилителя на частотах до 10 ГГц. Приведена на рис. 3 конструкция акустоэлектронного усилителя на ПАВ имеет дрейфовую часть, отделенную от пьезоэлектронной подкладки воздушным промежутком, размер которого зависит от рабочей частоты. На частоте 100 МГц он составляет 100 нм, а на частоте 1 ГГц — 20 нм. Такие усилители на частоте 100 МГц при потреблении мощности 0,7 Вт имеют усиления 60 дБ на длине 10 мм и ширине 1,25 мм. В изображенном на рис. 4 пленочном варианте конструкции акустоэлектронные усилителя дрейфовая часть отделена от пьезоэлектрической подложки диэлектрической пленкой, толщина которой зависит от рабочей частоты. С повышением частоты толщина уменьшается. Замена воздушного промежутка диэлектрической пленкой позволяет приблизить дрейфовую часть к пьезоэлектрической подложки и за счет этого увеличить коэффициент усиления,
доведя его на частоте 1 ГГц до 100 дБ на длине 10 мм.

Применение. Большой коэффициент усиления, широкий динамический диапазон его изменения делает целесообразным применение акустоэлектронных усилителей для компенсации потерь энергии в акустоэлектронных устройствах. К примеру, в циклических ЛС, в которых акустическая волна многократно проходит замкнутый путь по периметру подложки со скругленными краями, акустоэлектронные
усилитель позволяет полностью компенсировать потери энергии, обеспечить к 150 циркуляций и реализовать время задержки 3,75 мс.

Комментарии 1

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

CAPTCHA image
*