Введение. 3 страница. Канал вывода информации имеет в своем составе систему репликаторов (по числу страйпов), осуществляющих преобразование типа ВБЛ —> ЦМД

Канал вывода информации имеет в своем составе систему репликаторов (по числу страйпов), осуществляющих преобразование типа ВБЛ —> ЦМД. Сформированная кодовая последовательность ЦМД направляется в детектор, где происходит считывание информации. Информационная емкость ЗУ на ВВЛ достигает 1,5x10 бит.

Ведутся исследования по созданию "интеллектуальных" ЦМД-ВБЛ систем, в которых на одном кристалле размещены логический процессор и информационный массив. В такой системе можно совместить на одной плате процессы хранения и обработки информационных массивов в реальном масштабе времени со скоростью выше 10ш байт/с.

4.2.4. Запоминающие устройства на магнитных вихрях

Принципы организации ЗУ на магнитных вихрях аналогичны ЗУ на ЦМД. Генератор магнитных вихрей (флуксонов) формирует вихри, находящиеся в состоянии безразличного равновесия. Устройство управления представляет собой схему продвижения вихрей по каналу, осуществляемой силой Лоренца, создаваемую транспортным током (рис. 4.14, а)- Однонаправленность движения вихрей обеспечивается асимметрией канала продвижения. Считывание магнитных вихрей может осуществляться с использованием квантовых интерферометров, а также одиночных джозефеоновских контактов.

Возможен вариант формирования сдвигового регистра на магнитных вихрях, либо вари ант мажор-минорной организации. В этом случае реализуется накопитель на магнитны вихрях с параллельно-последовательной организацией записи и считывания информации (рис. 4.14, б). Плотность записи информации в этом случае ожидается ~ 2x10⁸ бит/см².

Анализ показывает, что скорость обработки информации в этом случае достигает величин ~ 10 бит/с. Буферная или внешняя память на флуксонных запоминающих устройствах технологически и оперативно совместима с микроэлектронными системами и криогенными процессорами.

Рисунок 4.14. Магнитный вихрь и его канал продвижения (а),мажор-минорная организация ЗУ на флуксонах (б)

5. Функциональная акустоэлектроника и приборы функциональной акустоэлектроники

5.1. Физические основы

Функциональная акустоэлектроника является направлением функциональной электроники, в котором исследуются акустоэлектронные эффекты и явления в различных континуальных средах, а также возможность создания приборов и устройств электронной техники для обработки, передачи и хранения информации с использованием динамических неоднородностей акустической и (или) акустоэлектронной, акустооптической природы.

К акустоэлектронным явлениям и эффектам относятся:

§ генерация, распространение, преобразование и детектирование объемных (ОАВ) и поверхностных акустических волн (ПАВ);

§ преобразование электрического сигнала в акустический и обратно;

§ электронное поглощение и усиление акустических волн;

§ акустоэлектронные и акустомагнитные эффекты;

§ нелинейные акустоэлектронные явления: генерация гармоник, акустоэлектронные домены, параметрическое и супергетеродинное усиление звука;

§ взаимодействие света и звука в твердых телах, дифракция, модуляция и сканирование света звуком.

Исследования этих явлений и эффектов показывают, что с их помощью возможна генерация динамических неоднородностей волновой и доменной природы, которые широко используются в процессорах сигналов и устройствах памяти для обработки и хранения информации.

5.1.1. Динамические неоднородности

В функциональной электронике используются динамические неоднородности акустиче­ской, акустоэлектронной или акустооптической природы. В твердом теле могут возбуж­даться акустические волны, представляющие собой упругое возмущение вследствие де­формации материала. Такие деформации имеют место при движении отдельных атомов и сопряжены с изменением расстояний между ними. При этом возникают внутренние упру­гие силы, стремящиеся вернуть материал в исходное состояние. Колебания атомов проис­ходят вблизи положения равновесия, и при этом генерируется волна механического на­пряжения и растяжения. Скорость распространения акустической волны лежит в пределах (1,5—4,0)х10³ м/с. Диапазон частот акустических волн находится в интервале от несколь­ких герц до 10¹³ Гц, а их распространение сопровождается переносом энергии. Различают продольные и сдвиговые волны в зависимости от характера движения частиц (рис. 2.1).

Если размеры звукопровода намного больше длины акустической волны, то в нем могут распространяться объемные акустические волны.

Рисунок 5.1. – Акустические волны продольного (а) и сдвигового (б) типов

Если же среда, в которой распространяются волны, является ограниченной, то на распространение волн существенное влияние оказывают граничные условия. В однородной среде со свободной плоской поверхностью существуют поверхностные акустические волны (ПАВ). По вектору поляризации волн ПАВ бывают двух типов: для вертикальной поляризации характерно расположение вектора колебательного смещения частицы среды в перпендикулярной границе плоскости; для горизонтальной поляризации вектор смещения частицы среды параллелен границе и перпендикулярен направлению распространения волны.

ПАВ являются направленными волнами, другими словами, их амплитуда экспоненциально убывает с глубиной. Поэтому ~90% переносимой энергии сосредоточено в слое глубиной не более одной длины волны. Доступность волнового фронта позволяет эффективно управлять распространением ПАВ на всем протяжении звукопровода. В устройствах на ПАВ используются УЗ-волны в диапазоне от 19 МГц до 10 ГГц.

Простейшим типом ПАВ являются волны с вертикальной поляризацией, распространяющиеся вдоль границы твердого тела с вакуумом. Это так называемые волны Рэлея (рис. 5.2, а). Энергия рэлеевских волн локализована в приповерхностном слое звукопровода

где , — длина акустической волны. Волны Рэлея не обладают дисперсией, т. е. скорость их распространения не зависит от частоты.

Вдоль границы двух твердых тел могут распространяться волны Стоунли, состоящие как бы из двух рэлеекских волн.

К волнам с горизонтальной поляризацией относятся волны Лява (рис. 5.2, б). Это сдвиговые волны, существующие в тонком слое на поверхности твердого тела. Волны Лява обладают дисперсией и локализуются в слое, толщина которого .

Исследованы чисто сдвиговые волны, не обладающие дисперсией (рис. 5.2, в). Эти волны получили название волн Гуляева – Блюштейна. Они могут существовать на свободной поверхности пьезоэлектрических кристаллов. Глубина их проникновения в десятки раз превышает длину акустической волны (). Применение таких волн позволяет избежать тщательной обработки поверхности материала. Важной особенностью распространения динамических неоднородностей акустической природы (ПАВ) в континуальных средах с различными физическими свойствами является существующий эффект генерации динамических неоднородностей другой природы. Вследствие явления акустоэлектронного взаимодействия происходит воздействие акустической волны на электроны проводимости в твердых телах. Результатом такого воздействия является обмен энергией.и импульсом между акустической волной и электронами проводимости. Например, передача энергии акустической волны электронам приводит к электронному поглощению звука, а передача импульса акустической волны стимулирует возникновение электрического тока. Возможно явление усиления звука за счет стимулированного дрейфа электронов в твердом теле и частичной передачи энергии акустической волне.

Рисунок 5.2 –Поверхностные акустические волны различных типов: а – волны Релея; б – волны Лява;

в – волны Гуляева – Блюкштейна

Возникающая при распространении акустической волны деформация вызывает в пьезоматериалах переменное электрическое поле, амплитуда и фаза которого находятся в прямой зависимости от объемного заряда электронов проводимости (прямой пьезоэффект). В свою очередь это поле вызывает деформацию кристалла и соответственно изменение характера распространения волны (обратный пьезоэффект). Акустическая волна генерирует волны электрических полей. В местах, где кристалл сжимается волной, наведенное электрическое поле замедляет движение электронов, а в местах растягивания кристалла волной наблюдается ускорение электронов за счет внутреннего электрического поля. Под действием этих полей носители стремятся сгруппироваться в областях с минимумом потенциальной энергии. Возникают затухающие волны объемного заряда, несколько запаз­дывающие по отношению к акустической волне (рис. 2.3, а). Волны объемного заряда Если звукопровод поместить в постоянное электрическое поле Е₀, то возникает дрейфа электронов со скоростью

где µ — подвижность электронов. В случае, когда V_др > V_пав (V_пав — фазовая скорость распространения акустической волны), электроны отдают свою энергию ПАВ и амплитуда ПАВ возрастает (рис. 2.3, б). В случае затухания волны график функции достаточно точно, описывается функцией типа

,

в случае ее усиления

где а и b — константы. Обмен энергией между динамическими неоднородностями акустической и электронной природы в пределах одной континуальной среды является фундаментальным эффектом, лежащим в основе приборов акустоэлектроники.

В акустооптических средах акустические и электромагнитные волны параметрически связаны упругооптическим эффектом. Упругая акустическая волна индуцирует изменение показателя преломления. Это позволяет сформировать динамические неоднородности в виде оптических неоднородностей по показателю преломления (фазовые решетки), рас­пространяющихся вслед за акустической волной. Свет дифрагирует на таких регулярных динамических неоднородностях оптической природы.

Рис. 2.3. Схема взаимодействия динамических неоднородностей

акустической и электрической природы: а – при отсутствии потенциала;

б – при наличии потенциала на звукопроводе

Акустическая волна в пьезомагнитной среде (антиферромагнетиках) порождает магнитоупругие волны, которые являются еще одним типом динамических неоднородностей в акустоэлектронике.

5.1.2. Континуальные среды

Континуальными средами функциональной акустоэлектроники являются твердотельные
материалы: пьезоэлектрики, пьезополупроводники, сложные слоистые среды. Выбор континуальных сред определяется природой используемых динамических неоднородностей.
Основные требования к этим материалам сводятся к минимизации уровня потерь для распространения динамических неоднородностей акустической или иной природы, а также к максимальной температурной стабильности. Другие требования к среде диктуются функциональным назначением прибора, технологией его производства.

Распространение волны в твердом теле сопряжено с локальной деформацией среды. Для небольших деформаций справедлив закон, связывающий смещение частиц у, и упругие напряжения:

, (5.1)

где Т_ij — симметричный тензор механических напряжений второго ранга Т_ij = Т_ij.

В пьезоэлектрических кристаллах тензор механических напряжений и вектор индукций можно описать уравнениями состояния

(5.2)

, (5.3)

де — тензор деформаций, в котором учтен нелинейный характер связи компонент тензора механических деформаций с производны­ми от смещения; , — компоненты тензоров линейного и нелинейного пьезоэффектов; и — компоненты тензоров линейной и нелинейной диэлектрической проницаемостей; — компонента тензора электрострикции.

Тензор Т_ij имеет четвертый ранг и содержит З⁴ = 81 элемент. Симметрия тензоров требует, чтобы компоненты были инвариантными относительно индексов i и j или k и l.

Все эти сложные математические соотношения призваны пояснить простую идею: динамические неоднородности акустической природы определенными соотношениями связа­ны с динамическими неоднородностями электрической природы, и наоборот.

В уравнениях (5.2) и (5.3) первые слагаемые соответствуют линейным составляющим, а остальные члены соответствуют нелинейным составляющим механического напряжения к индукции.

Пьезоэлектрические материалы характеризуются рядом и других коэффициентов и параметров, без учета которых невозможно выбрать континуальную среду для приборов и устройств функциональной акустоэлектроники.

Коэффициент электромеханической связи определяется величиной

,

где — генерируемая пьезоэлектриком электрическая энергия, — полная энергия, равная сумме механической энергии деформации и электрической .

Существует точка Кюри Т_к, в которой отсутствует спонтанная поляризованность Р_х пьезоэлектрика, а величина пьезомодуля определяется соотношением

Добротность среды Q обеспечивает частотную избирательность изделий.

В настоящее время известно более 1500 веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Охарактеризуем только некоторые из них.

Классическими материалами являются пьезоэлектрические монокристаллы. Наиболее широко известный кристалл — кварц, представляющий собой кристаллическую модификацию безводной двуокиси кремния SiO₂. Наряду с природными кристаллами используются и синтетические, превосходящие природные по однородности, размерам, а также по стоимости изготовленных из них изделий. Определенные срезы кварца характеризуются своими параметрами и используются в различных устройствах. Кристаллы ниобата лития (LiNbОз) и танталата лития (LiTaО₃) обладают более высоким, чем кварц пьезомодулями и коэффициентами электромеханической связи. Во многих областях приборостроения эти кристаллы вытеснили кварц, особенно в СВЧ-технике.

Пьезополупроводники (CdS, ZnS, ZnO) используются для пленочных преобразователей электромагнитных колебаний вплоть до СВЧ-диапазона. Технология их получения довольно хорошо отработана, и можно изготовить пленки с заданной симметрией.

Определенный интерес представляют такие пьезополупроводники, как селениды металлов (CdSe), арсенид галлия (GaAs), антимонид индия (InSb), а также кристаллы иодата лития (LiJO₃) и калия (KJO₃), германата висмута (Вi_|2GеО₂₀).

Широкое распространение получили промышленные пьезокерамические материалы, как правило, представляющие собой твердые растворы. Свойства таких материалов задаются путем подбора соотношений компонентов, введением модифицированных добавок, а также технологией их изготовления.

К пьезокерамическим материалам относятся титанат бария (ВаТiO₃), титанат свинца (PbTiO₃), ЦТС [РЬ(Zr_0,53Тi_0,47)О₃] и др. Добавки, вводимые, например, в ЦТС, расширяют двухфазную область составов и усиливают нужные свойства пьезокерамики. Модификацию пьезокерамики можно осуществить в широком диапазоне свойств за счет введения добавок со скомпенсированной валентностью, другими словами, набора оксидов соответствующего перовскитному соединению.

Следует особо подчеркнуть, что поверхность используемых в акустоэлектронике континуальных сред должна быть тщательно обработана. Это диктуется тем, что звукопровод расположен в приповерхностном слое и тщательная полировка поверхности дозволит снизить рассеяние звука и избежать помех.

Анизотропность кристаллов приводит к резкой зависимости скорости распространения ПАВ от направления среза. Поэтому срезы необходимо выбирать так, чтобы добиться выполнения условия коллинеарности векторов фазовой и групповой скоростей. Континуальные среды могут проявлять нелинейные свойства. Такая ситуация реализуется при достаточно больших смещениях частиц в акустических волнах. В этом случае закон Гука имеет дополнительные компоненты тензора нелинейной упругости. Главным прояв­лением нелинейности среды является нарушение принципа суперпозиции' волн и, как следствие, появление комбинационных частот колебаний, например (ω₁ ± ω₂).

Нелинейность пьезоэлектрических сред порождает еще один эффект. Он связан с тем, что акустическая волна сопровождается волнами зарядовой плотности (электрического поля)

и при достаточно больших амплитудах электрических полей тоже возникают нелинейные явления. Этот эффект получил название нелинейный пьезоэффект. В этом случае в уравнении для Т_ij компонент электрического поля не линеен. Этот эффект сопровождается диэлектрической нелинейностью, связанной с нелинейностью электрической индукцией D_i относительно компонентов электрического поля Е_i.

Для получения континуальных сред с заметной нелинейностью подбирают соответствующие параметры, определяемые тензорами высших порядков.

5.1.3. Генераторы динамических неоднородностей

Возбуждение динамических неоднородностей в виде акустической волны в пьезоэлектрике осуществляется с помощью вложенных друг в друга групп электродов, которые получили название встречно-штыревых преобразователей (ВШП).

Другое название такой системы электродов — двухфазный преобразователь ПАВ. Две группы чередующихся электродов соединены шинами, которые в свою очередь подключены к источнику напряжения (рис. 2.4). При подаче на ВШП напряжения каждая пара электродов возбуждает ПАВ. Если период преобразователя (а + b) равен длине ПАВ, возникает явление акустического синхронизма. В этом случае волны, возбуждаемые каждой парой электродов, имеют одинаковую фазу, и происходит когерентное сложение волн.

Суммирование происходит за счет локальных деформаций, образующихся под промежутками между электродами. Образовавшаяся деформация начинает перемещаться в оба направления и достигает следующих промежутков как раз в тот момент, когда полуволна внешнего напряжения достигнет максимума и вызовет деформацию под своими электродами.

Сложение деформаций происходит при выполнении условия

,

где λ, V_a, f - соответственно длина, скорость и частота звуковой волны. Такая картина происходит под каждой парой ВШП. Чем больше штырей содержит преобразователь, тем эффективней происходит преобразование электрической энергии в механическую, и наоборот.

Целесообразно ввести топологические и технологические параметры структуры. Коэффициент металлизации определим как

При a=b H=0,5.

Рисунок 5.4 –Возбуждение ПАВ с помощью ВШП: а – топология ВШП;

б – схема возникновения акустических волн (сечение АА)

Частота синхронизации или центральная (рабочая) частота, определяемая выражением

(5.4)

Где d=2(a+b)— период структуры электродов.

Большое значение имеет топологический параметр W или апертура, определяющая степень перекрытия ВШП. Обычно выбирают значение апертуры W ~ 100λ. Апертура определяет форму импульсного отклика ВШП. Конструктивно ВШП выполняются в виде тонкопленочных металлических электродов (Аu, Аl). Толщина электродов h определяется технологией и обычно h≤a.

Коэффициент электромеханической связи является технологическим параметром.

где — генерируемая пьезоэлектриком электрическая энергия, — полная энергия, равная сумме механической энергии деформации и электрической .

Генерацией динамических неоднородностей можно эффективно управлять путем изменения характеристик преобразователей ПАВ. Исследовано несколько способов управления генерацией ПАВ.

Первый способ предусматривает управление генерацией ПАВ путем изменения топологии ВШП, включая изменение числа штырей, их расстановку, варьирование функции аподизации или изменения длины отдельных электродов (штырей) или их групп, изменение полярности отдельных штырей или их групп. Устройство с управляемой топологией электродов ВШП предусматривает изменение топологии путем перекоммутации отдельных электродов или их групп относительно общих шин преобразователя. Устройства та­кого типа обладают достаточно широким диапазоном перестройки характеристик в частотной и временной областях, их параметры приближаются к предельно достижимым. Технологические приемы изменения топологии сводятся к проекционным методам, либо навешиванию дискретных элементов и проволочных межсоединений.

Другой способ управления генерацией ПАВ связан с операцией "взвешивания" электродов преобразователей, которая реализуется за счет изменения количества активных пар ВШП. Это позволяет менять ширину полосы генерации ПАВ и, следовательно, изменять характеристики динамических неоднородностей. На рис. 5.5, а представлена конструкция дискретно-управляемой ВШП, позволяющая получить набор амплитудно-частотных характеристик генерируемых ПАВ с различной шириной пропускания, но одинаковой для всех центральной частотой (рис. 5.5, б).Преобразователь разбит на секции а, b, с с числом штырей 1, 2 и 4, соответственно. Количество каналов К определяется числом секций n и равно

K=2ⁿ-1.

Рис. 5.5 –Генерация с различными АЧХ (а) и схема коммутации пар ВШП (б)

В схеме коммутации предусмотрены усилители, и обеспечивается контроль выходных параметров за счет применения электронных переключающих схем.

Устройство с управляемым "взвешиванием" электродов представляет собой целенаправленное изменение эффективности преобразования энергии, осуществляемого каждой парой электродов или их группой путем подключения к электродам управляемых импедансных элементов. Это могут быть резистивные, емкостные или индуктивные элементы, а также их комбинации.

Третий способ опирается на управление электрофизическими свойствами подложки под электродами. Мгновенная фаза ПАВ, генерируемая каждой парой ВШП, зависит от знака пьезоэлектрического коэффициента. В свою очередь знак пьезоэлектрического коэффициента может быть изменен переполяризацией в полном соответствии с гистерезисными свойствами материала. Такой прием позволяет управлять процессами генерации ПАВ, создать адаптивные устройства с "памятью". На рис. 2.6, а приведена одна из таких конструкций. Рядом с электродами ВШП 1 размещены электроды переключения поляризации 2, подключенные к источнику поляризующего напряжения < U_n < Е⁺. Это позволяет менять знак поляризации материала звукопровода между металлическим электродом 3 и электродами 2 одновременно или путем перекоммутации локально под каждой парой ВШП. Варьируя значениями U_n и U_bx можно эффективно управлять генерацией ПАВ.

Рисунок 5.6 – Конструкция адаптивного генератора ПАВ (а)

и гистерезис пьезоэлектрического звукопровода (б)

Двухфазные преобразователи позволяют генерировать колебания в обе стороны звукопровода "симметрично", другими словами, 50% энергии направо и 50% энергии налево. Однако можно управлять и направлением генерации ПАВ. С этой целью целесообразно использовать многофазные преобразователи, позволяющие синфазно подпитывать волну в заданном направлении (рис. 5.7, а). Фазовое распределение подбирается так, чтобы в обратном направлении условие синфазности не выполнялось. Однако полоса пропускания трехфазного преобразователя определяется протяженностью ВШП и ограничена. Для расширения полосы пропускания и достижения однонаправленности генерации предложен преобразователь бегущей волны (рис. 5.7, б). Каждый из электродов ВШП запитывается от одного из отводов электрической линии задержки. Линия задержки рассчитывается так, что время задержки между соседними отводами равно времени распространения ПАВ между соседними электродами. Это резко несимметричный генератор ПАВ, обеспечивающий строго однонаправленную генерацию.

Рисунок 5.7 –Трехфазный (а) и многофазный (б) генераторы ПАВ

Эффективное управление генерацией осуществляется путем подбора необходимых топологических и технологических параметров.

2.1.4. Устройство управления динамическими неоднородностями

Исследовано насколько способов управления прохождением динамических неоднородностей по тракту передачи информации. Эти процессы определяются типом динамических неоднородностей, функциональным назначением прибора или устройства, Так, если используется только ПАВ, распространение которой происходит в тонком приповерхностном слое, то для эффективного управления можно использовать интерференцию, дифракцию, отражение, преломление, переизлучение, фокусирование волн. Можно варьировать также параметры звукопровода, изменяя такие характеристики процесса распределения, как скорость ПАВ, дисперсию, удельное затухание и т. п.

Наиболее распространенным методом является управление акустическим трактом путем изменения топологии его элементов. Эти элементы позволяют сформировать каналы распространения ПАВ. К таким элементам относится многополосковьй ответвитель (МПО), который конструктивно выполняется в виде системы пленочных металлических электродов, нанесенных на подложку. В зависимости от назначения устройства управления топология МПО имеет различную форму и способна переизлучать энергию в любой из кана­лов, формировать эти каналы.

При выполнении условия синхронизма λ=d МПО ведет себя как отражательная структура, и рабочий диапазон выбирается в пределах 0,4 ÷ 0,9 центральной частоты электродов, необходимых для эффективной перекачки энергии из канала, определяется соотношением: