Интегральные устройства электроники


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





Л.Г. ПЛАВСКИЙ





                ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОНИКИ




Учебно-методическое пособие









НОВОСИБИРСК
2013

УДК 621.38(075.8) П 37


Рецензенты: д-р техн. наук, проф. Н.И. Горлов канд. техн. наук, доц. Е.Г Касаткина



   Работа подготовлена на кафедре конструирования и технологии радиоэлектронных средств для магистрантов факультета РЭФ направления 210700.68 и утверждена Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия.




        Плавский Л.Г.

П 37 Интегральные устройства электроники: учебно-методическое

      пособие / Л.Г. Плавский. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. -31 с.
         ISBN 978-5-7782-2319-6

          Рассматриваются вопросы теории и практики линий задержки различного конструктивного исполнения, изучаемых в рамках лабораторных работ. Теоретические положения проверяются в лабораторном практикуме на современных измерительных приборах и производится сравнительный анализ результатов.
          Может быть использовано для подготовки студентов радиотехнического профиля и других специальностей.
          В подготовке учебно-методического пособия принял участие магистрант Д.И. Андрес.








УДК 621.38(075.8)


ISBN 978-5-7782-2319-6

                      © Плавский Л.Г.,2013
© Новосибирский государственный

технический университет, 2013

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1


            ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ РАЗЛИЧНОГО КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ


        1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

   Ознакомление с конструкцией и свойствами линий задержки различного конструктивного исполнения и назначения. Экспериментальное исследование наиболее важных характеристик и сопоставление их для различных конструкций линий задержки.

        2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ
   Устройства, применяемые для задержки сигналов на время от долей наносекунд до секунд без изменения их формы, называются линиями задержки (ЛЗ).
   Линии задержки электрических сигналов (НЧ, ВЧ, СВЧ) подразделяются следующим образом.
   ■ Аналоговые ЛЗ:
     ■ ЛЗ на линиях с распределенными параметрами (кабельные, волноводные);
     ■ искусственные ЛЗ (цепи с сосредоточенными параметрами);
     ■ ЛЗ с преобразованием электрических сигналов в сигналы другой физической природы (ультразвуковое, оптическое излучение) и обратно;
   ■ Цифровые ЛЗ:
     ■ аппаратно-реализованные цифровые ЛЗ;
     ■ программно-реализованные ЛЗ.


3

   ЛЗ подразделяются также на широкополосные (как правило, с нижней частотой 0 Гц) и узкополосные (для задержки сверхвысокочастотного сигнала). СВЧ и оптические линии бывают дисперсионными (волновая скорость зависит от частоты) и бездисперсионными.


2.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ


   Общими основными параметрами для линий задержки независимо от их исполнения являются следующие.
   1. Величина времени задержки. Под временем задержки ТЗ понимают время между одинаковыми по уровню значениями входного и выходного импульсов. Обычно время задержки определяется временным интервалом между точками, соответствующими 50 % амплитудного значения входного и выходного импульсов.
   Время задержки однозначно определяется углом наклона фазовой характеристики ЛЗ:

Т d о((О
³   d а ’


(1.1)

где ф(ю) - фазовая характеристика ЛЗ, т. е. зависимость фазы выходного сигнала от частоты.
   2.    Полоса пропускания. Одним из условий неискаженной передачи сигнала является равномерность частотной характеристики ЛЗ. Обеспечить равномерную частотную характеристику в широкой полосе частот практически трудно, поэтому добиваются необходимой равномерности частотной характеристики в основной части спектра задерживаемого импульса, ограниченной полосой пропускания П.

П = —, ^Ф


где t$ - длительность фронта импульса (определяется между уровнями импульса, соответствующими 20 и 90 % его максимального значения).
   З.    Линейность фазовой характеристики. Требования линейности фазовой характеристики - также одно из условий неискаженной передачи сигнала. Допустимая нелинейность фазовой характеристики ЛЗ составляет обычно ±5.. .10% в рабочем диапазоне частот.


(1.2)

4

   4.    Волновое сопротивление р (или характеристическое сопротивление Z для ЛЗ с сосредоточенными параметрами). Для нормальной передачи задерживаемого сигнала сопротивление нагрузки и внутреннее сопротивление источника сигнала должны быть равны р (или Z), в противном случае появляются отраженные волны, ухудшающие многие параметры ЛЗ.
   5.    Коэффициент передачи. Вследствие того что ЛЗ обладает потерями, коэффициент передачи ЛЗ меньше единицы. Затухание передаваемого сигнала определяется как отношение мощности, развиваемой источником сигнала непосредственно на нагрузке, к мощности на той же нагрузке, когда между этой нагрузкой и источником сигнала включена ЛЗ. Обычно затухание выражается в децибелах.
   6.    Добротность определяется произведением полосы пропускания на время задержки Q = ПГ. или отношением Д к длительности времени нарастания фронта задержанного импульса Ц.


        3. ОПИСАНИЕ
        И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЗ


3.1. МАГНИТОСТРИКЦИОННАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ


   Магнитострикционной ЛЗ называется устройство, в котором для временной задержки электрического сигнала используются прямой и обратный эффекты магнитострикции.
   Магнитострикционный эффект - это свойство некоторых металлов (никель, железо, кобальт) деформироваться при намагничивании и, наоборот, изменять свою магнитную индукцию при деформации.

   Магнитострикционные ЛЗ могут быть двух типов: работающие на продольных колебаниях и на колебаниях кручения.
   Магнитострикционные ЛЗ, работающие на продольных колебаниях, конструктивно наиболее просты. Устройство такой ЛЗ показано на рис. 1.1. На звукопроводе 1 расположены входная 2 и выходная 3 катушки преобра

Рис. 1.1. Устройство магнитострикционной ЛЗ

5

зователей. Сигнал, подлежащий задержке, подается в катушку входного преобразователя 2 в виде импульса тока. Протекающий по катушке 2 ток создает в ней магнитное поле. В результате прямого эффекта магнитострикции в звукопроводе под катушкой образуется продольная ультразвуковая волна, которая распространяется по звукопроводу в обе стороны. Эта акустическая волна при прохождении под катушкой выходного преобразователя 3 вследствие обратного магнитострикционного эффекта создает в ней ЭДС (задержанный сигнал), величина которой пропорциональна механической деформации. Для поглощения паразитных сигналов, отраженных от концов звукопровода, к концам ЛЗ подключаются демпфирующие устройства (звукопоглощающие нагрузки) 4. Над катушками входного и выходного преобразователей устанавливаются постоянные магниты 5, выполняющие роль постоянного магнитного смещения.
   Рассмотрим подробнее элементы, составляющие ЛЗ.
   Звукопровод выполняется из материала, который должен обладать более резко выраженной магнитострикцией, высоким удельным сопротивлением, малыми температурными изменениями линейных размеров, малым затуханием звуковых колебаний. Наиболее приемлемый материал, отвечающий этим требованиям, - никель либо железоникелевые сплавы. В последнее время разработаны магнитострикционные ферриты.
   Звукопровод выполняется в виде круглого стержня. Диаметр стержня для предотвращения искажений передаваемого сигнала выбирается меньше 1/3 длины волны в нем. На частоте 5 МГц (длина волны в никеле при этом 5 мм) диаметр стержня не может быть больше 1 мм. Фактически звукопровод делается проволочным. Диаметр выбранного звукопровода влияет на уровень выходного сигнала.
   Длина звукопровода /₃ выбирается исходя из требуемой величины задержки:
4 = vT₃,                       (1.3)
где v - скорость распространения продольных волн по звукопроводу, см/с:
v ⁼ Л,                         (1.⁴)

6

где Е - модуль упругости материала звукопровода (модуль Юнга), дин/см²; р - удельная плотность материала звукопровода, г/см³.
    Для уменьшения объема, занимаемого ЛЗ, звукопровод обычно свертывают в объемную винтовую или плоскую спираль. Устройство преобразователя показано на рис. 1.2, а. Он представляет собой узел, состоящий из катушки индуктивности 1, намотанной на каркас 2 и расположенной на отрезке звукопровода 3. Оптимальная длина катушки I должна быть меньше половины длины ультразвуковой волны в звукопроводе. При другой длине катушки эффективность преобразователя снижается. Индуктивность катушки обычно составляет десятки микрогенри.


Рис. 1.2. Конструкции преобразователей:
а - простейшего типа, б - с броневым ферритовым сердечником;
в - с ферритовыми кольцами; 1 - катушка; 2 - каркас катушки;
3 -звукопровод; 4 - постоянный магнит; 5 - ферритовые кольца

   Конструкция преобразователя влияет на полосу пропускания ЛЗ; для ее расширения желательно сосредоточить магнитное поле на весьма малом участке звукопровода, приблизив закон распределения поля в катушке возбуждения к прямоугольному. Для этого обмотку катушки возбуждения 1 располагают между ферритовыми кольцами 5, укрепленными в боковой щечке каркаса 2 (рис. 1.2, в), что увеличивает максимальную частоту линии на 2О...25%, а коэффициент передачи в 1,3...1,5 раза, но и в этом случае полоса пропускания обычно не превышает 1,5 МГц. Другим способом расширения полосы пропускания ЛЗ является использование магнитострикционных преобразователей на броневых сердечниках (рис. 1.2, б). Каркас катушки 2 выполнен из магнитодиэлектрика с малыми потерями и служит экраном для обмотки 1, которая размещена внутри каркаса. Индуктивность рассеяния

7

устройства близка к нулю. Распределение магнитного поля близко к прямоугольному и сосредоточено на малом участке, что и приводит к расширению полосы пропускания.
   Постоянные магниты, создающие начальную намагниченность преобразователей Но, введены для того, чтобы частота звуковых колебаний совпадала с частотой подводимых электромагнитных колебаний. Это иллюстрирует рис. 1.3, где представлена зависимость относительного изменения длины звукопровода А//1 от величины подмагничивающего поля Н. Из рисунка видно, что при отсутствии магнитов (Н₀ = 0) звуко-провод будет совершать колебания с удвоенной частотой относительно частоты возбуждающего колебания. Преобразованный выходной сигнал оказывается сильно искаженным. При наличии постоянного магнита 0Но у 0) рабочая точка сдвигается вправо. Преобразователь находится под воздействием двух полей - постоянного Н₀ и переменного Нп. Колебания звукопровода полностью соответствуют поданному на вход преобразователя переменному электрическому сигналу.


Р//С. 1.3 .К выбору рабочей точки от величины подмагничивающего поля


    Для неискаженной передачи необходимо, чтобы работа происходила на линейном участке характеристики. Обычно используют постоянные кольцевые магниты, имеющие компактную конструкцию. Звукопоглощающие насадки, используемые для устранения отражений от

8

концов звукопровода, представляют собой оконечные грушевидные нагрузки из эластичных материалов (битум, пористая резина, свинец, синтетические смолы и др.).
   Для крепления звукопровода служат держатели, которые не должны поглощать и отражать ультразвуковой сигнал. Обычно используются литые резиновые держатели, выполненные из фторопласта - 4.
   Звукопровод и катушка преобразователя чувствительны к электромагнитным наводкам, и поэтому магнитострикционные ЛЗ обычно помещают в экран.

3.2. КВАРЦЕВАЯ УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ

   На частотах выше 5...6 МГц применяются ультразвуковые ЛЗ, в которых для преобразования электромагнитных волн в механические (ультразвуковые) используется пьезоэлектрический эффект. Электромеханическими преобразователями служат кварцевые или пьезокерамические пластины. В звукопроводе могут быть возбуждены и распространяться как объемные, так и поверхностные волны. В соответствии с этим различают УЛЗ на объемных волнах и на поверхностных волнах. Рассмотрим УЛЗ на объемных волнах.
   На практике находят применение несколько разновидностей УЛЗ:
   •  с одним преобразователем;
   •  с двумя преобразователями;
   •  многоотводные.
   В УЛЗ с одним преобразователем преобразователь работает поочередно в качестве излучающего и приемного элемента линии (рис. 1.4, б). Ультразвуковая волна распространяется прямолинейно и отражается от ненагруженного конца звукопровода.
   В УЛЗ с двумя преобразователями один из преобразователей выполняет функции входного, второй, установленный на другом конце волновода, - выходного (рис. 1.4, а, в, г).
   Многоотводные ЛЗ имеют один входной и несколько выходных преобразователей, расположенных по звукопроводу так, что обеспечивается задержка одного и того же преобразуемого сигнала на разные временные интервалы (рис. 1.4, Д е). Материал, используемый для преобразователя, должен удовлетворять ряду требований: иметь малые потери преобразования, хорошую температурную стабильность, меха


9

ническую прочность и др. На частотах до десятков мегагерц наиболее полно этим требованиям удовлетворяет кварц.


с. 1.4. Варианты выполнения УЛЗ:

а - стержневой звукопровод с двумя преобразователями; б - с одним преобразователем; в - прямоугольный звукопровод; г - то же (непересекающиеся направления луча); д - многоугольный звукопровод; е - с дискретным изменением времени задержки; ж - с плавным изменением времени задержки; з - с многослойным звукопроводом; 1 - входной преобразователь; 2- выходной преобразователь;
    3 - звукопровод; 4 - отводы; 5 - клин; 6 - призма

   Выбор среза кварцевой пластины определяется видом волн, распространяющихся в звукопроводе. В УЛЗ могут использоваться как продольные, так и поперечные колебания. Скорость распространения поперечных волн на 1/3 меньше, чем продольных, поэтому в ЛЗ на большое время задержки используют поперечные волны, что значительно уменьшает размеры и массу звукопровода.


10