Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 139
Текст из файла (страница 139)
Рис. 2.2$. Временная диаграмма формирования грононного вхв 2. Функциональная акусгоэлекгроника Заметим, что аналогично рассмотренным механизмам нелинейного взаимодействия динамических неоднородностей электрической и акустической природы существуют и механизмы нелинейного взаимодействия динамических неоднородностей акустической и магнитной природы.
Это может происходить в континуальных средах, обладающих магнитострикционными свойствами. Особый интерес представляет сапой явление обращения волнового фронта (ОВФ), заключающееся в таком преобразовании волнового поля, при котором сохраняется первоначальное пространственное распределение амплитуды и фазы волны прн изменении вектора распространения волны на противоположное. Другими словами, явление обращения волнового фронта приводит к инверсии волны во времени.
ОВФ в нелинейных средах может происходить по двум типам четырехволнового взаимодействия: параметрическом и голографическом. В паранел~рическом типе взаимодействия а результате взаимодействия встречных волн происходит пространственная однородная модуляция среды на удвоенной частоте. В этом случае результатом параметрического взаимодействия переменного возмущения среды и сигнальной волны является обращенный волновой фронт.
В голографическом типе амплитуда и фаза сигнальной волны записывается в процессе ее взаимодействия с волной накачки. Частота волны накачки должна соответствовать частоте сигнальной волны. Обобщенная информация о распределении амплитуды и фазы записывается в виде пространственного неоднородного возмущения среды. При считывании информации волной, аналогичной волне накачки и распространяющейся навстречу записывающей волне, происходит "размораживание" — генерация обращенного волнового фронта, Нелинейные взаимодействия эффективно используются в устройствах обработки н хранения информации — высокопроизводительных процессорах и ЗУ большой емкости.
2.3.2. Конвольверы В радиоизмерительных и локационных усгройствах широко используются методы корреляционной обработки сигналов, заключающиеся в одновременной обработке входного и опорного сигналов пугем интегрирования результатов перемножения за время существования сигнала. Функция взаимной корреляции двух сигналов 5, и 5, в общем случае имеет вид (часть Ш, глава 9, формула (9.12)): Взм,(т) = ~ 5 (г)5,(г -~ т)ф =- 5, к 5, .
Интегральное преобразование можно осуществить методом аналоговой обработки сигналов, используя нелинейное взаимодействие акустических колебаний. Такой процессор сигналов называется акустическим коквальеерам (рис. 2.26, а). На левый ВШП! подается сигнал 5', (гго) = (/(г) ехр Яайг — К,г), а на правый 2 —- 5,(бы) = (/(г) ехРДызг — Кзг) . Синфазное взаимодействие происходит при выполнении условия езз =. ы, г оэ, и К, =- К, + Кз. СУммаРный сигнал может бьп.ь заРегистРиРован с помощью двУх сплош- 66(7 иых параметрических металлических электродов 3 длиной 7„ перекрываюгцих звук провод (4). Выходной сигнал, снимаемый с электродов 3, можно записать как; -егз 6 = )' (7(г- — )и(( — )72, и.
-ь~з где (', — скорость звука,з — координата. Введем новые переменные т=( —— г'и и тогда уравнение (2,6) может бьжь переписано в виде: -зм 5, = ) (/(т)Г(2( ь т)г(т, — 7гз где Т= б 7 у„— — время интегрирования. Если исходные сигналы (7(() и у(() имеют прямоугольную огибающую, то их свертка представляет треугольный импульс (рис.
2.26,6), Амплитуда треугольного импульса имеет амплитуду, пропорциональную длительности Т, при условии, что Т, < Т. Если 7: > 7; то выходной сигнал имеет форму трапеции с пиковой амплитудой, равной амплитуде треугольного импульса при Т =- Т,. В случае, когда на левый выход поступает сигнал 5; ((, ы) = (7(() ехр 7(ах ( — К, г), а на выхолной элелтрод-.- Ь; (г,га) = У(()ехр7(аз,г — Кзт), бз((,2ы) = У(г) ехР( (2га.( — К.г') . й каждой точке пространства в момент времени г амплитуда акустического сигнала на частоте 2ы будет пропорциональна (7(г - =') ~'(г) и„ а) б) Риа.
2.2в. каиаальвар на пАВ (а) и працасс абразавания свертки двух аигиалав (((() и У(й (6) 2 Функциональная акустоэлектроника Появится новая акусз.ическая волна на частоте юь которая будет распространяться в про- тивоположном направлении (рис. 2.26, а). На левом входном ВШП появится сигнал, ко- торый будет прелставлять функцию акустической корреляции: 5 = ~ ()(2т — г) У(т)»(т или 5»= (I" У; т.
е. происходит обращение си» нала во времени. Колко»»ьве)» как процессор сигналов выполняет несколько функций, например корреляционную обработку сигналов и операцию свертки. В табл. 2.1 приведены виды преобразований. Конаольвер выполняется по микроэлектронной технологии. В конструкции конвольвера можно найти все пять элементов, характерных для изделия функциональной электроники. Табл»»ца 2Л. Виды преобразований. осу»цсствляемые взаилюдействием акустических волн Выходной сип»ал Результат Входной сигнал Взаимодействие встречных воли ((ро»»зволь»»ый ) (»,(т)(тз(2» — т)с»т Сжатая цо времени свертка ) (»,(т)(l,(т — 2»)»»т (»»(») = И( — г) Сжатая по времени авзокорреляцня Генерация обратной вопны Взаимная корреляция ('з(»» 2), (Д(») Произвольн» Лвтокорреляцня (»,(»), Ь»(г ) 2) ) о',(2т)(»,(2т — »)с»т (ФУ) = И(2 (»,(- ») Обращение во времени (тз(!) = (») Информационная емкость конвольвера определяется величиной С„= о' Т„, х или при замене переменных т = г — — получаем 1 --+ Часть!К Функциональная электрона~ где  — полоса пропускания ВШП, ҄— время интегрирования !С„= 10'+ 10 ).
Динам„ ческий диапазон определяется уровнем ложных сигналов на выходе и нелинейным пасы шепнем выходного сигнала. Для снижения уровня ложных сигналов применяют параме . рнческий электрод с зубчатыми краями, глубина которых равна половине второй гарм ники поверхностной акустической волны. Конвольверы нашли применение в устройствах обработки радиосигналов для согласован. ной фильтрации, для получения корреляционных функций, для дискретного Фурь~ преобразования в реальном масштабе времени, для кодирования радиосигналов. 2.3.3.
Устройства памяти Акустическое запоминающее устройство Акустическое зопояишаюкгее усяу>ойство (АЗУ) предназначено для запоминания сигна. лов, например в процессе их корреляционной обработки. Операция записи информации осуществляется путем нелинейного взаимодействия акустической несущей волны с опорной акустическои или электрической волной. 1!Ри этом формируется пространственный рельеф из зарядов поверхностных или объемных ловушек.
Информация хранится в виде фюовых и амплитудных распределений взаимодействующих волн. Операция восстановления сигнала осуществляется электрическими или звуковыми полями и сводится к "размораживанию" заполненного пространственного рельефа. Различают импульсные и параметрические методы записи и считывания информации, а закже метол их комбинаций. Импульсный метод записи и хранения информации в АЗУ заключается в создании потенциального рельефа плотности зарядов в приповерхностном слое полупроводника с его последующей фиксацией. Возникновение потенциального рельефа обусловлено поперечным акустоэлектронным эффектом. Пол лействием ПАВ происходит перераспределение зарядов в полупроводниковой пластине, находящейся вблизи поверхности звукопровода.
В результате между верхним контактом к полупроводниковой пластине и металлическим электродом звукопровода возникает разность потенцишюв, пропорциональная интенсивности ПАВ (рис. 2.27, а). Таким образом, в полупроводниковой пластине принципиально можно записать "образ волны, проходящей по звукопроводу. Существует несколько способов записи "образа волны, все сволящиеся к созданию матрицы полупроводниковых диодов. В этом едуча~ устройство АЗу принимает вид, представленный на рис. 2.27, б.
Фрагмент матрицы с диодами Шоттки приведен на рнс, 2.27, в. диоды Шотгки имеют время восстановления прн прямом смещении 0,1 — 1,0 нс и позволяют записывать в АЗу сигналы с полосой д о нескольких сот мегагерц. Матрица р — п-диодов, формируемых на основе переходов "монокристаллический кр емний — поликрнсзаллический кремний" (МК вЂ” ПК), представлена на рис. 2.27, е При " левом и ооратном смещении диодов 1доттки время их восстановления лежит в предо елях 1Π— 10 с, и они не успевают реагировать на ВЧ-сигналы с частотой — !00 МГц. В -3 Весь модулируемый зарял находи~ся в объеме кремния в слое толщиной ! мкм. и яПри приложении импульса смещения к электроду подложки для смещения днолов в пР т нв мом направлении время восстановления становится малым, и диоды уже реагиругот ВЧ-поле. 663 2.
Функцнональнал акустоэлектроника б) а) д) г) в) Рнс. 2.27. Схема АЗУ. в — возникновение поперечного акустоэлектронного эффекта; б — устронства Азу, в — фрагмент с диодами Шотткн; г — фрагмент с диодами типа ЫК вЂ” ПК, д — фрагмент общего вида матрицы; г — полупроводниковая пластина, 2 — матрица диодов; 3 — пьезоэлектрическая пластина Диоды заряжаются пропорционально локальной напряженности поля, Полный заряд матрицы формируется ПАВ и импульсом смешения н соответствуюптим образом меняется по поверхности.
Матрица позволяет записывать и счгзтывать инфорлгацию )О раз. Итак, дит одная матрица на поверхности звукопровода "фотографирует" потенциальный рельеф в приповерхностном слое полупроводника. Зафиксировать этот рельеф в диодной матрице можно при условии полачи сразу на все диолы короткого импульса отрицательного напряжения. Диоды откроются, сместятся в обратном направлении, ток мгновенно возрастет с напряжением из-за малого значения времени переключения, а диоды зарядятся в строгом соответствии с мгновенным значением электрического поля ПАВ, зафиксировав мгновенное распределение рельефа. Если на входные ВШП подается сигнал 5(т) ехр()тот), то возбуждается поперечное поле Ег м 5(гг — "/г'„) ехр(гщ/ — )гз), которое формирует распределение зарядов памяти, пропорциональное входному сигналу Я(з) — 5( — )е' Г;, Вто выражение является функцией корреляции входного и записываемого сигначов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
