Акустоэлектронные устройства

В акустоэлектронных устройствах используются явления, обусловленные меха­ническими колебаниями твердого тела. В этих устройствах электрические сигна­лы преобразуются в (механические) акустические путем использования обратно­го пьезоэффекта, суть которого состоит в изменении размеров твердого тела при приложении к нему электрического поля. Если электрическое поле изменяется с частотой f, то в твердом теле возникают акустические колебания, скорость рас­пространения которых равна v_m = 10⁵см/с. Для преобразования акустических колебаний в электрические используется прямой пьезоэффект, при котором под воздействием механических колебаний на поверхности твердого тела образуют­ся электрические заряды с противоположными знаками, то есть возникают элек­трические колебания.

На этом принципе основано действие ультразвуковой линии задержки (рис. 9.2), представляющей собой стержень твердого тела 1 длиной l, на торцах которого расположены пьезоэлектрические преобразователи 2 и 3. При подаче на вход ра­диоимпульса с частотой f в стержне возникает акустическая волна, которая через время достигает выходного преобразователя, преобразующего акустичес­кий сигнал в электрический. Изменяя длину стержня, можно регулировать дли­тельность задержки радиоимпульса.

Если в стержне создать продольное электрическое поле (рис. 9.3), то, используя взаимодействие акустических волн с электронами, можно осуществить усиление электрических колебаний посредством увеличения амплитуды бегущей волны. Под действием внешнего поля в кристалле создается дрейф электронов в направ­лении распространения акустических волн. Если скорость дрейфа меньше скоро­сти волны, то энергия волны поглощается электронами и волна затухает. Если скорость дрейфа больше скорости волны, то электроны отдают ей свою энергию, амплитуда волны возрастает, вследствие чего возрастает напряжение на выходе выходного пьезоэлектрического преобразователя.

Новым этапом в развитии акустоэлектроники является использование поверхно­стных акустических волн (ПАВ), которые распространяются в поверхностном слое пьезокристалла толщиной порядка длины волны, которая равна

.

В таких устройствах (рис. 9.4) преобразование электрических сигналов в акусти­ческие и наоборот осуществляется посредством штыревых металлических элект­родов, расположенных на поверхности звукопровода 4. Преобразователь 1 воз­буждает ПАВ, направленные в противоположные стороны. Для создания бегущей волны на концы звукопровода нанесены поглощающие покрытия 3.

Преобразователь является частотно-избирательным элементом. Его амплитудно-частотная характеристика имеет максимум на частоте акустического синхронизма:

,

где h — пространственный шаг штырей.

На этой частоте шаг совпадает с длиной акустической волны, и электрический сигнал преобразуется в ПАВ наиболее эффективно. Объясняется это тем, что ПАВ усиливается по мере прохождения под преобразователем. Чем больше число шты­рей, тем больше усиление ПАВ. Если подводимый электрический сигнал имеет частоту, отличную от f₀, то амплитуда ПАВ будет меньше. Для некоторых частот воз­буждение ПАВ вообще невозможно. Например, при f= 2f₀ время движения фазо­вого фронта между соседними зазорами равно периоду электрических колебаний T, поэтому через время T после подачи входного сигнала в зазорах установятся элек­трические поля, фаза которых противоположна фазе ПАВ, что приведет к уничтоже­нию первоначально возникших упругих возмущений. Изменяя количество штырей, можно изменять полосу пропускания фильтра , определяемую соотношением

,

где N— число пар штырей.

Созданная посредством входного преобразователя 1 поверхностная акустическая волна, распространяясь вдоль кристалла, достигает выходного преобразователя 2, в котором акустические колебания преобразуются в электрические. Из изложенного принципа действия следует, что фильтры на ПАВ по природе функционирования являются полосовыми со средней частотой, зависящей от раз­мера поверхностных штырей. Такие фильтры находят применение в широкопо­лосных схемах и схемах СBЧ.

К акустоэлектронным приборам следует отнести кварцевые резонаторы, представ­ляющие собой своеобразные конденсаторы. Между обкладками такого конденса­тора расположена кварцевая пластина. При подаче на обкладки конденсатора пере­менного напряжения в кварцевой пластине возбуждаются объемные акустические волны, которые вызывают ее попеременное сжатие и расширение с некоторой частотой, определяемой размерами кварца, и возникает механический резонанс, при котором резко возрастает амплитуда механических колебаний, что ведет к умень­шению электрического сопротивления резонатора, то есть резонатор ведет себя как колебательный контур, состоящий из индуктивности и емкости, несмотря на то что в объеме кварцевой пластины невозможно выделить какие-либо локаль­ные области, соответствующие индуктивности и емкости. В отличие от обычных колебательных контуров, кварцевые резонаторы обладают высокой добротностью, которая достигает значений (30—50)*10³. Кроме того, такие резонаторы очень компактны и менее чувствительны к изменениям температурного режима.