|
| |
|
Главная Журналы добна организации ЦМД-ЗУ (см. рис. 6.2.8). В качестве регистров хранения используют УЛЗ на ПАВ. При реализации УЛЗ цифровых сигналов к проблемным вопросам относится неискаженная передача цифровых сигналов. Достаточно удовлетворительную форму выходных сигналов позволяют получить широкополосные преобразователи с малым числом полос, но они, как было указано выше, характеризуются высокими потерями преобразования. При использовании многополосных преобразователей с равномерным шагом, обеспечивающих высокую эффективность преобразования, формируется выходной сигнал с большой длительностью и большим количеством пульсаций. Для устранения этого недостатка используют решетки с переменным шагом расположения полосок или более сложные решетчатые преобразователи с фазовым кодированием. При этом передача информации осуществляется по двум параллельным акустическим каналам. На выходе УЛЗ в результате сложения сигналов достигается автокомпенсация паразитных пульсаций. В РЭА используют полосовые фильтры с ПАВ. Конструкция такого фильтра подобна конструкции УЛЗ, в которой преобразователи расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Резонансная частота, полоса пропускания и форма АЧХ определяются конструкцией преобразователей. Применение преобразователей с переменной длиной взаимного перекрытия встречно направленных полосок решетки позволяет формировать необходимую форму АЧХ полосовых фильтров. Использование усиления упругих колебаний за счет энергии электронов, дрейфующих в электрическом поле, позволяет созда-вать усилители СВЧ сигналов [11], которые по своим электрическим и эксплуатационным характеристикам могут конкурировать с усилителями в виде гибридных ИС. § 6.5. Оптоэлектронные устройства Совместное использование электрических и оптических эффектов позволяет строить оптоэлектронные устройства для передачи, преобразования и хранения информации, отличающиеся высокими технико-экономическими характеристиками. В качестве носителей информации в оптоэлектронных устройствах используются электрические заряды (электроны) и электрически нейтральные фотоны. Эта особенность определяет основные преимущества оптоэлектронных устройств: - высокая информационная емкость оптических каналов связи и высокая плотность записи информации в оптических ЗУ; - высокая направленность излучения, что позволяет с высокой точностью передавать электромагнитную энергию в заданную область пространства; - возможность как временной, так и пространственной модуляции светового луча, что позволяет осуществлять параллельную обработку информации в высокопроизводительных ЭВМ; - бесконтактность и «электропассивность» фотонных связей,, что позволяет создавать устройства с практически идеальной гальванической развязкой, невосприимчивые к электрическим помехам; - возможность оперирования с цифровой информацией в форме, удобной для зрительного восприятия человеком-оператором. На рис. 6.5.1 изображена упрощенная структурная схема опто-электронного устройства, в состав которого входят источник излучения (ИИ), приемник излучения (ФП), управляемые электрические и оптические связи. В зависимости от организации опто-электронного устройства и физической природы входной и выходной информации преобразователи электрический сигнал -свет и свет - электрический сигнал могут выполнять роль как входных,, Упрадлвиие элвктричвскипа связями
Выкод ОС BbixaW ЭС Иправлвние парамвтрЯми олтичвскаВ срвЗы 1П пп I ВхпВ ОС Рис. 6.5.1. Упрощенная структура оптоэлектронного устройства: ЭС - электрический сигнал; ОС - оптический сигнал так и выходных элементов. Таким образом, в оптоэлектронном устройстве возможны самые различные сочетания входных и выходных сигналов: электрический - электрический (ЭС-ЭС); электрический - оптический (ЭС-ОС); оптический - электрический (ОС-ЭС); оптический - оптический (ОС-ОС). На рис. 6.5.2 в качестве примера приведены схемы элементарных оптронов. В состав оптрона с прямой опгической связью (рис. 6.5.2,а) входят источник излучения, фотоприемник и связывающая их оптическая среда. В качестве ИИ обычно используют арсенид-галлиевые светодиоды, а роль приемника излучения могут выполнять фоторезисторы, кремниевые фотодиоды, фототранзисторы и -о а о-ю Рис. 6.5.2. Схемы оптронов с прямой оптической (а) и электрической (б) связями фототиристоры. Арсенидгаллиевые источники излучения и кремниевые фотоприемники характеризуются хорошим согласованием спектральных характеристик. В рассматриваемом оптроне .происходит последовательное преобразование электрический сигнал - свет - электрический сигнал. Оптрон с прямой оптической связью может иметь различное функциональное назначение: элемент гальванической развязки, импульсный трансформатор, быстродействующее бесконтактное реле. Для увеличения коммутируемого тока элементарный оптрон дополняется усилителем тока. В оптроне с прямой электрической связью (рис. 6.5.2,6) входной оптический сигнал управляет током / в электрической цепи, в которую включен источник излучения. Такой оптрон используют как преобразователь спектра излучения или усилитель излучения, если в его состав ввести дополнительный электронный усилитель. Комплексное использование прямых, положительных и отрицательных обратных электрических и оптических связей позволяет реализовать микроэлектронные устройства с различным функциональным назначением: генераторы, триггеры, усилители, переключатели, элементы памяти, управляемые нелинейные элементы и т. п. Широкие функциональные возможности открываются при управлении параметрами излучения непосредственно в оптических каналах связи путем использования электрооптических, магнитооптических и акустооптических эффектов. В интегральных оито-электронных устройствах для канализации электромагнитных колебаний оптического диапазона, генерируемых источниками .коде-рентного излучения (полупроводниковые лазеры), используются прозрачные диэлектрические микроволноводы (рис. 6.5.3). Размёт ры поперечного сечения несущего слоя (ft - в плоском, а,Ь - в щя\ моугольном, Ro - в цилиндрическом микроволноводе), по «оторо-!  Рис. 6.5.3. Плоские (а, б), прямоугольные (в, г) и круглая (<Э) конструкции оптических микроволноводов: 1 - подложка; 2 - несущий слой; 3 - диэлектрическое покрытие; 4 - электроды модулятора му передаются электромагнитные колебания оптического диапазона, имеют порядок длины волны. Геометрические размеры несущего слоя, диэлектрические проницаемости (или коэффициенты преломления) материалов выбирают такими, чтобы для введенного в волновод излучения выполнялись условия полного внутреннего отражения на границах раздела несущего слоя и самосогласования для волн перпендикулярной поляризации. При выполнении этих условий устанавливаются стоячие волны в поперечном сечении и бегущая волна в продольном направлении микроволновода (перенос электромагнитной энергии осуществляется бегущими волнами). Использование электрооптического эффекта, заключающегося в зависимости диэлектрической 1проницаемости ei и соответственно показателя преломления несущегб слоя ni=(e\)° от напряженности управляющего электрического поля, позволяет реализовать планарные модуляторы света. Изменение щ переводит микроволновод из режима прозрачности в режим непрозрачности. Конструкция электрооптического модулятора очень проста. На поверхности подложки вдоль несущего слоя микроволновода (рис. 6.5.3,г) формируют металлические пленочные электроды, на которые подают управляющие напряжение. Малое расстояние между электродами модулятора позволяет использовать низкие управляющие напряжения (3 ... 5 В). Для изготовления модуляторов и дефлекторов (сканеров) широко применяют взаимодействие поверхностных акустических и оптических волн. В этом случае ис- пользуют явление фотоупругости - изменение показателя преломления вещества под действием механических напряжений. Принцип работы модуляторов и дефлекторов основан на явлениях дифракции Брэгга и Рамана-Ната оптических волн на периодических неоднородностях, обусловленных изменениями показателя преломления оптической среды под воздействием бегущих акустических волн (рис. 6.5.4). При дифракции Брэгга дифракционный спектр состоит из двух максимумов (/о,/i). -Угловое направление этих максимумов по отношению к фронту звуковой волны определяется известным соотношением Вульфа - Брэгга:  Рис. 6.5.4. Картина распределения излучения при дифракции Брэгга иа дифракционной решетке, формируемой бегущей акустической волной sin «5 = V2A = -/2 «1 где ко, Ав - длины оптической волны в воздухе и микроволноводе соответственно; л, - показатель преломления материала несущего слоя микроволновода; Л, Упов, F -длина, скорость распро- странения и частота поверхностной акустической волны. Чтобы обеспечить наибольшую интенсивность дифракционного максимума I], свет от источника излучения должен падать под углом к волновому фронту акустической волны. Интеноивность дифракционного максимума h зависит от уровня мощности акустического сигнала Рак- Если акустическое поле слабое (дифрагирует небольшая часть падающего излучения), то наблюдается линейная связь между /i и Рак- На использовании этой связи основан принцип работы модулятора. Принципиально возможна 100%-пая модуляция, т. е. 100%-ное отклонение падающего света (h~I). Из соотношения Вульфа - Брэгга видно, что, изменяя частоту F ПАВ, можно изменить угловое расположение дифракционного максимума. Это свойство используется при реализации дефлекторов (сканеров), которые применяются в голографических ЗУ и периферийных устройствах ЭВМ для записи информации на фоточувствительной бумаге. Разрешающая способность дефлектора при ширине луча лазера D определяется соотношением Aa=kJD. Для изготовления планарных модуляторов-дефлекторов используют кварц, ниобат лития, окись цинка, арсенид галлия, жидкие кристаллы. Несущий слой плоского микроволновода (рис. 6.3.3,а) изготовляют из активного материала (пьезоэлектрика), на поверхности которого формируют элементы для ввода и вывода оптического излучения (дифракционные решетки, призмы), фазовую решетку для возбуждения ПАВ (рис. 6.2.1) и поглощающую нагруз1ку. - § 6.6. Электротепловые функциональные элементы Электротепловые функциональные элементы (ЭТФЭ) используются для решения задач комплексной микроминиатюризации таких устройств низкочастотного диапазона, как фильтры, генераторы, квадраторы, интеграторы и источников вторичного электропитания. При комплексной микроминиатюризации этих устройств необходимо исключить применение трансформаторов, конденсаторов с большой емкостью и катушек с большой индуктивностью. ЭТФЭ строятся на основе эффектов прямого преобразования электрической энергии в тепловую (эффект Джоуля), тепловой энергии в электрическую (эффект Зеебека) и явлений инерционности накопления и переноса тепла в твердых средах. Преобразование электрической энергии в тепловую осуществляют обычно с помощью резисторов и транзисторов, расположенных на поверхности среды, поглощающей тепло. При гармоническом воздействии связь между мощностью источника тепла Ри и температурой перегрева его поверхности 9„ определяется соотношением где Z-p - полное тепловое сопротивление источник тепла - окружающая среда или теплоотвод. В простейшем случае полное тепловое сопротивление Zt представляют в виде параллельного соединения теплового сопротивления Рт и емкости Сх, отражающей инерционный процесс накопления тепла. Величины Р и определяются такими электрофизическими параметрами материала подложки, как коэффициент теплопроводности Я, плотность р, теплоемкость с, а также геометрическими размерами источника тепла и подложки. При выполненип условия Р=со/2я 1/2тт, где Тт=РтСт - тепловая постоянная времени, происходит усреднение температуры 6„, величина которой определяется средней мощностью источника. Цепь РтСт выполняет роль фильтра для переменной составляющей мощности источника тепла. В устройствах частотной селекции и задержки импульсных сигналов применяют теплопроводы (рис. 6.6.1). Процесс переноса тепла в теплопроводе „ сс. т имеет диффузионный характер. (Jf 1ис™кГТп.,ЛТ Эквивалентная электротепло- чиком температуры (5) вая схема теплопровода стержневого типа представляет собой однородную рС-цепь с распределенными параметрами, на вход которой подается тепловой поток мощностью Р (аналог источника тока). При гармоническом воздействии отношение температур перегрева в начале 0i и в конце 02 стержня определяется по формуле, аналогичной (1.4.23),   /Те = = (ch К/юРл 1Сгг где Рть Ст! - погонные электротепловые параметры стержня длиной ; (Рт,Ст1=рсД). Стержень в совокупности с входным электротепловым преобразователем мощность - температура (или напряжение-температура) и выходным преобразователем температура - напряжение выполняет функцию фильтра нижних частот. На определенной частоте фазовый сдвиг Кв равен -180°. Для получения генератора такой фильтр необходимо включить в цепь обратной связи усилителя с собственным фазовым сдвигом ±180°. В устройствах информационного типа для преобразования температуры в напряжение используют практически линейную зависимость напряжения р-п-перехода диода f/д или транзистора t/ga (при постоянном уровне тока смещения) от температуры. Для кремниевых транзисторов ут=й?БЭ составляет 2 ... ... 3 мВ/°С. Такой преобразователь, расположенный на конце стержня, обеспечивает выходное напряжение О =Yt02. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 [ 46 ] 47 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||