CC BY
31
Розроблена та реалiзована авто-матизована експериментальна установка для вимiрювання швидкостей поширення та згасання пружних хвиль в монокристалах. Прецизшш вимiрювання змти швидкостей поширення ультразвукових хвиль в кри-сталах реалiзуються зсувом фази заповнюючих високочастотних коли-вань мiж зондувальним та видбттим iмпульсами.
Наведенi приклади реалiзацii поширення пружних хвиль в моно-кристалах GdSb, Ы2Те%, GaSe
Ключовi слова: ехо-iмпуль-сний метод, автоматизоваш вимi-ри, пружтсть, монокристали, зсув фази
□-□
Разработана и реализована автоматизированная экспериментальная установка для измерения скоростей распространения и затухания упругих волн в монокристаллах. Прецизионные измерения изменения скоростей распространения ультразвуковых волн в кристаллах реализуются сдвигом фазы заполняющих высокочастотных колебаний между зондирующим и отраженным импульсами
Приведенны примеры реализации распространения упругих волн в монокристаллах GdSb, Ы2Те%, GaSe
Ключевые слова: эхо-импульсный метод, автоматизированные измерения, упругость, монокристаллы, сдвиг фазы
УДК 681.88
ДЕТЕКТУВАННЯ УЛЬТРАЗВУКОВИХ ЕХО-1МПУЛЬС1В У КРИСТАЛАХ ПРИ НИЗЬКИХ Р1ВНЯХ ЗБУДЖЕННЯ
В.О. Хан дожко
Астрант*
Контактний тел.: (03722) 4-24-36 E-mail: khand@chv.ukrpack.net М.Д. Раранськи й Доктор фiзико-математичних наук, профессор, завщувач
кафедри** Контактний тел.: (0372) 54-44-00 E-mail: ftt2010@bigmir.net Л.Ф. Пол^танський Доктор техычних наук, професор, завщувач кафедри* Контактний тел.: (03722) 4-24-36 E-mail: rt-dpt@chnu.cv.ua В.Н. Б ал аз ю к Кандидат фiзико-математичних наук, доцент** **Кафедра фiзики твердого тта*** Контактний тел.: (03722) 4-48-34 E-mail: EM.MEL@bigmir.net А. П . С а м i л а Кандидат техшчних наук, асистент* Контактний тел.: (03722) 4-24-36 E-mail: asound@ukr.net *Кафедра радютехшки та шформацшноТ безпеки*** ***Чершвецький нацюнальний уыверситет iм. Юрiя Федьковича вул. Коцюбинського, 2, м. Черывф, УкраТна, 58012
1. Вступ
Генеращя пружних хвиль в шаруватих кристалах iмпульсним ультразвуковим (УЗ) методом потребуе вщносно високих рiвнiв робочих напруг випромшю-вача (порядку 150-300 В) [1].
Одшею iз проблем ультразвукового збудження ме-хашчних коливань в зразках е необхщшсть забезпечен-ня високо'! крутизни фронпв зондувального iмпульсу та зменшення залишкового «дзвону» перетворювача. Використання iмпульсiв збудження високо! потуж-ностi вимагае застосування складних схемотехшчних рiшень. У випадку проведення ультразвукових вимь рювань при низьких температурах, юльюсть тепла, що вид^яеться на зразку в процесi вимiрювань повинна бути мiнiмальною. В ехо^мпульсному методi середня теплова потужнiсть визначаеться виразом [2],
де - кiлькiсть тепла, що вид^яеться за один iмпульс збудження, а F - частота повторення iмпульсiв. При цифровому накопиченнi сигналу зменшення серед-
ньо'! теплово'! потужностi Р, шляхом зниження ^ е не-доцiльним, оскiльки покращення вiдношення сигнал/ шум досягаеться зб^ьшенням числа вимiрiв за один i той же промiжок часу. У даному випадку найбшьш до-цiльним шляхом зниження розиювально'! потужностi е забезпечення зменшення потужносп iмпульсу.
Зменшення рiвня шумiв на входi пiдсилювача дае можливкть бiльше нiж на порядок понизити рiвень збудження ультразвуку. Тобто, послаблення потуж-ностi ультразвукових iмпульсiв зондування значно компенсуеться зменшенням рiвня шумiв на входi пiд-силювача, що досягаеться застосуванням сучасно! електронно'! бази та техшки цифрового оброблення сигналiв.
2. Функцiональна схема
Функцiональна схема розроблено! нами установки, що приведена на рис. 1, базуеться на застосуванш
©
класичного методу поширення УЗ хвиль в твердому тШ - генеращя ультразвукових iмпульсiв та 1х реестращя пiсля проходження при багатократному вщбиванш у дослiджуваному кристалi [3]. При цьо-му використовуеться однокристальна схема, в якш перетворювач ультразвуку в рад^мпульси - (п'езо-кристал) одночасно використовуеться як для випро-мшювання збуджуючих iмпульсiв, так i для прийман-ня ехо-сигналiв у кристаль Максимальна ефективна напруга збудження на перетворювачi становить не бiльше 1 В.
Рис. 1. Структурна схема установки для дослщження ультразвукових iмпульсiв у кристалах
Запропонована схема складаеться з трьох функщ-ональних вузлiв, а саме: передавача високочастотних iмпульсiв (блоки 2-6) та двох каналiв приймання вщбитих сигналiв (блоки 7-11 i 12-16); периферiйного пристрою (синтезатор частоти G (17), пристрiй рее-страцii - цифровий осцилограф (18)); персонального комп'ютера (19).
радючастотних 1мпульс1в зондування зд1иснюеться за допомогою швидкодтчих електронних ключ1в (2) i (3). Для керування ключами застосовуються iмпульси стробування, що надходять 3Í схеми (4). Частота по-вторення iмпульсiв зондування залежить вiд трива-лост циклу загасання вiдбитих iмпульсiв, що може задаватися дов^ьно. У даному випадку, встановлення частоти вихщних iмпульсiв здiИснюeться через ш-терфеИс цифрового осцилографа BORDO 421 (18). Роль електронних ключiв (2), (3) полягае не пльки у формуваннi пакепв високочастотних коливань ультразвукового iмпульсу збудження, але i в послабленш перехiдного процесу пiсля вiдключення iмпульсу, т.з. залишкового «дзвону» (рис. 2). Для швидкодтчих ключiв використовували мжросхеми 74LVC1G66, що мають час перемикання 1,9 нс. Шсля завершення iм-пульсу зондування схема (3) шунтуючи п'езовипромь нювач на короткиИ час, пригшчуе залишковиИ «дзвш». Час пригшчення перехiдного процесу задаеться фор-мувачем iмпульсу стробування (4).
3. Передавач УЗ iмпульсiв
Передавач УЗ iмпульсiв включае в себе: вихiдний шдсилювач (6); електроннi ключi (2) i (3); формувач iмпульсiв стробування (4), компаратор високочастот-ноi напруги (5).
Вихщний пiдсилювач (6) виконаний на мiкросхемi AD8056, що е здвоеним операцшним пiдсилювачем з пiдвищеною навантажувальною здатнiстю i макси-мальним шдсиленням за напругою Ки = 10 дБ. Шдсилювач навантажений на п'езоелектричний випромь нювач-давач кристалу нюбату лiтiю (1), виконаного iз стандартною орiентацiею зрiзу «х +36о», що вщповщае поздовжнiй звуковоi хвилi. Вихщна напруга високоi частоти на п'езовипромiнювачевi в iмпульсi становить +10 дБВ.
Частота основного резонансу для застосованого давача-перетворювача становить 9,75 МГц. Давач при-клеюеться до площини дослвджуваного кристала. За-землення кристалiчного зразка забезпечуе ослаблення наведень та полшшуе сшввщношення сигнал/шум, що суттево для зразюв електропровiдних матерiалiв.
Випромiнювач-давач з'еднаний з приймальною схемою коротким (<10 см) коаксiальним кабелем. Ви-сокочастотне заповнення iмпульсiв забезпечуеться синтезатором частоти (17), що генеруе частоти в дiапа-зош 4,5 80 МГц. Встановлення частоти синтезатора з кроком ±1 Гц здшснюеться за допомогою спеща-лiзованого програмного забезпечення. Формування
Рис. 2. Пригшчення «дзвону» радючастотного iмпульсу: а - пригжчений перехiдний процес; б - залишковий «дзвiн» пiсля ультразвукового iмпульсу збудження; в - стробуючий iмпульс керування
Компаратор (5), що функщонально входить до схеми передавача, призначений для формування опорноi напруги з несучоi частоти ^н), на яку налаштований випромiнювач (1). Опорна напруга прямокутноi форми використовуеться для роботи синхронного детектора, що функцiонально належить до блоку приймача (13).
4. Приймач УЗ iмпульсiв
У приймальну частину вимiрювального комплексу входять два канали оброблення сигналу - блоки 7-11 i 12-16. Виходи пiдсилювачiв (11) i (16) шд'еднаш до рееструючого осцилографу Bordo 421 (Вхщ 1, Вхщ 2). Приймальний канал (блоки 7-11) зорiентований на вимiрювання загасання звуку в кристалл При вимiрю-ваннi загасання важливо знати вщносний рiвень напруги вщбитих iмпульсiв у максимально можливому дiапазонi пiдсилення, оскiльки це суттево впливае на точшсть отриманого результату. Тому з метою розши-рення динамiчного дiапазону пiдсилення i лiнеаризацii вiзуальноi графiчноi iнформацii на дисплеi моштора в каналi застосований логарифмiчниИ шдсилювач-де-тектор (9). ЛогарифмiчниИ детектор виконаний на спецiалiзованiИ мiкросхемi AD8310 [4] з дiапазоном
робочих частот 0 - 440 МГц. 1нтервал вхщних напруг високо! частоти складае вiд -91дБВ до +4 дБВ (95дБ). На рис. 3 приведена серiя ультразвукових iмпульсiв в металевш мiдi (2) у порiвняннi з недемодульованими ехо-iмпульсами (1).
Для узгодження вхщного i вихiдного опорiв каналу застосованi узгоджувальний (7) i масштабний (11) шд-силювачi. Встановлення рiвня «0» i корекцiя вiзуаль-ного вiдображення дiапазону (Db / V) здшснюеться вiдповiдно регулюванням «Уст.0» i «Шдстр. Db/V». З метою послаблення наведень i шумiв застосовано смуговий (5-50 МГц) (8) та низькочастотний (5 МГц) (10) фыьтри.
осцилографа Bordo 421 [8], що забезпечуе збереження та подальше оброблення отриманих результа^в.
Рис. 3. Серiя вщбитих (1) та приведених в логариф|^чному масштабi (2) iмпульсiв ультразвуку в зразку металевоТ мiдi
Другий канал оброблення вщбитих сигналiв (1216) розрахований на вимiрювання швидкоси поши-рення звуку в дослщжуваному зразку. Наявнiсть синхронного детектора (13) в каналi дозволяе шдвищити точнiсть визначення вiдстанi, пройдено! ультразву-ковим iмпульсом. Це реалiзуеться за рахунок зсуву фази високочастотних коливань заповнення мiж зон-дувальним та вщбитим iмпульсами. При цьому фаза п - го вiдбитого iмпульсу запiзнюеться щодо фази опорного сигналу на величину фп = 2лЛп [5]. Тут tn - час проходження ультразвуку через кристал, врахо-вуючи склейку кристалiчного зразка з випромшюва-чем, { - частота заповнення iмпульсу високочастотним сигналом. Якщо знехтувати втратами на акустичну розв'язку та зсувом фаз, що обумовлеш склеюванням та проходженням сигналу в електронних схемах, то достатньо знайти фп або безпосередньо визначити ^ при вiдомому номерi вщбитого сигналу п [6]. Вiдлiк названих параметрiв коливань { здiйснюеться вiзуаль-но за допомогою цифрового осцилографа з попередньо вiдкалiброваною часовою шкалою. Синхронний детектор зiбраний за симетричною схемою на подвшному балансному змiшувачi SA612 [7].
Забезпечення роботи синхронного детектора в ль нiйнiй областi шдсилення здiйснюють за допомогою регульованого шдсилювача з дiапазоном регулюван-ня -10 дБ ^ +50 дБ (12). Для придушення складових детектованого сигналу частотою вище 5 МГц викори-стовуеться фшьтр (15), що е аналогiчним фшьтру (10). Узгодження вхiдних опорiв мiж схемами здшсню-еться за допомогою узгоджувального (14) i вихiдного (16) пiдсилювачiв. Iндикацiя даних вимiрювань для двох роздшьних приймальних каналiв виконуеться на диспле! персонального комп'ютера (рис. 4) з ви-користанням програмного забезпечення цифрового
Рис. 4. Зютавлення двох сигналiв, продетектованих одночасно логариф|^чним (а) i синхронним детекторами (б) в металевш м^ з частотою заповнення збуджуваного iмпульсу 9,75 МГц
5. Результати спостереження УЗ iмпульсiв у CdSb, _Bi2Te3, GaSe_
Для зручностi керування процесом експеримен-тального дослiдження параметрiв ультразвукових сиг-налiв необхiдна шформащя виводиться на дисплей персонального комп'ютера. На рис. 5 зображено ш-терфейс програм цифрового осцилографа Bordo 421 та синтезатора частот, що забезпечуе фжсацш рiвнiв сигна.тв та !х часових масттттабтв.
Рис. 5. Вигляд робочоТ панелi ультразвукового вимiрювального комплексу з штерфейсами програм цифрового осцилографа Bordo 421 i синтезатора частот
На екраш ^ím зображення вщбитих ультразвукових iмпульсiв вiдображаеться значення встановлено! частоти синтезатора. Iндикацiя шкали синтезатора вмикаеться в моменти встановлення резонансно'! ча-стоти п'езоперетворювача або налаштування переда-вача на одну з його гармошк.
На рис. 6-9 приведет експериментальш результати дослщження проходження ультразвуку у деяких на-швпровщникових матерiалах.
1 n ft
I I (If \ А л Л л
и J tl и и lili Wl MA; \дд ДА/ Л ,
Y * V V V
О 20 40 60 80 100
t, мкс
Рис. 6. Серт вщбитих ультразвукових ¡мпульав в монокристал! CdSb. Результат представлений в логарифмнному масштаб!. Максимальна ампл^уда високочастотноТ напруги ¡мпульав на випромшювач! 1В, частота заповнення 29,6 МГц, що вщповщае 3-Т гармошщ п'езовипромшювача
\
I
л
\J \
0 2 4 6 3 ts мкс
Рис. 9. Серт вщбитих сигналю в шаруватш сполуц GaSe. УЗ хвиля розповсюджувалась в напрямку [001]
О 20 40 60 80 90 100 120 140 160
t, мкс
Рис. 7. Серт вщбитих ¡мпульав в В^Тез на частот! випромшювача — 8,192 МГц. Спрямованють випромшювання вздовж атомних шарю
л
líl 0
J, . ... ' 1
О 20 40 60 80 100
I, мкс
Рис. 8. Серт вщбитих ¡мпульав в В^Тез на частот! випромшювача 8,192 МГц. Спрямованють випромшювання нормально до атомних шарю
6. Висновки
Результати експериментального досл^ження нашвпровщникових кристалiв актуального засто-сування показали добре узгодження з вщомими в науковiй лiтературi. Використання цифрового осцилографа «ВоЫо-421» та його програмного за-безпечення дало значш переваги експерименту за рахунок частково'' автоматизацii вимiрювань. Мож-ливiсть усереднення широкосмугових сигналiв -серii вщбитих iмпульсiв забезпечила збiльшення чутливостi установки боьш нiж на порядок. При несприятливих умовах прийому ультразвукових iмпульсiв, наприклад, в Bi2Teз (рис. 8), де спостерЬ гаеться сильне загасання, е можлив^ть збiльшити рiвень вихiдноi напруги на перетворювачi до 50 В. Сильне затухання спостер^аеться i в GaSe (рис. 9), де випромшювання направлено вздовж оптично'' вга С, тобто перпендикулярно до атомно'' поверхнi шарувато'' структури []. Тут для шдвищення штен-сивнос^ ехо-сигналу вихiдну напругу передавача було збоьшено до 10 В.
Лжратура
1. Криштал, М. А. Электронная аппаратура ультразвуковых установок для исследования свойств твердого тела [Текст] / М. А. Криштал, Б. Е. Пестов, В. В. Давыдов, И. В. Троицкий - М.: Энергия, 1974. - 224 с.
2. Iwasa I., Koizumi H., Suzuki T. Automatic ultrasonic measuring system using phase-sensitive detection. Rev. Sci. Instrum., 1988, V.59, №2, pp. 356-361.
3. Труэлл, Р. Ультразвуковые методы в физике твердого тела [Текст] / Р. Труэлл, Ч. Эльбаум, В. Чик - М.: Мир, 1972. - 307 с.
4. Балазюк, В.Н. Застосування логарифмiчного тдсилювача в експериментах з акустичного загасання [Текст] / В.Н. Балазюк, М.Д. Раранський, А.П. Самша, В.О. Хандожко // Матерiали 1-о! Всеукрашсько!' науково-практично! конференцп «Фiзiко-технолопчш проблеми радютехшчних пристро!в, засобiв телекомушкацш, нано- та мшроелектрошки», 13-15 жовтня 2011р. - Чершвщ, - С. 59-61.
5. Toulouse J., Launay C. Automated system for relative sound velocity and ultrasonic attenuation measurements. Rev. Sci. Instrum., 1988, V.59, №3, pp. 492-495.
6. Турчин, П.П. Импульсные автоматизированные измерения скоростей упругих волн в кристаллах [Текст] / П.П.Турчинов, А.А. Парфенов, Н.А. Токарев, А.Е. Нестеров, А.Ю. Тарасова, К.С. Александров. Ползуновский вестник, Барнаул, № 3/1, 2011, С.143-147.
7. www.stanford.edu/class/ee133/datasheets/SA612A.pdf.
8. www.cims.bsu.by/files/B-421.pdf.
Abstract
On the basis of the echo-pulse method an automated experimental device was designed for measuring the velocity of the propagation and attenuation of the elastic waves of small amplitude in single crystals in wide temperature ranges. The method of reducing the level of excitation of ultrasonic vibrations of voltage up to 1V with simultaneous increase of sensitivity of the receiving channel by reducing the residual circuit vibration was designed. The high-frequency filling of the pulses is provided by a frequency synthesizer, which generates the electric oscillations in the range 4,5-80 MHz. The main resonance frequency for a given transducer constitutes 9.75 MHz. The measurement of the attenuation of ultrasound in crystals is carried out by the logarithmic intensifier-detector, assembled on the microcircuit AD 8310, which retains the necessary characteristics in the range of operating frequencies 0-440 MHz. The precision measurement of the change of the propagation velocities of ultrasonic waves in crystals is realized by a phase shift of the filling high-frequency oscillations between the probe and reflected pulses.
The examples of the ultrasound propagation experiment of such semiconductor materials as CdSb, Bi2Te3, GaSe are given
Keywords: echo-pulse method, automated measurements, elasticity, single crystals, phase shift
□
В данш роботi запропоновано спо-Ыб, який дозволяв на етат ехидного та вихидного контролю за рiвнем низько-частотного шуму, додатково прово-дити оцтку шумових характеристик бтолярних транзисторiв в областi середтх частот
Ключовi слова: бтолярний транзистор, контроль, власш шуми □-□
В данной работе предложен способ, позволяющий на этапе входного и выходного контроля по уровню низкочастотного шума, дополнительно проводить оценку шумовых характеристик биполярных транзисторов в области средних частот
Ключевые слова: биполярный транзистор, контроль, собственные шумы -□ □-
УДК 621.315.592
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ШУМОВИХ ХАРАКТЕРИСТИК Б1ПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В ОБЛАСТ1 СЕРЕДН1Х ЧАСТОТ
Д.В. Михалевський
Старший викладач, кандидат техшчних наук Кафедра телекомункацтних систем i телебачення Вшницький нацюнальний техшчний уыверситет Хмельницьке шосе, 95, м. Вшниця, УкраТна, 21021 Контактний тел.: 096-303-06-02 E-mail: adotq@ukr.net
1. Вступ
При проектуванш та виготовленш нових вироб1в електронно'! техшки (ВЕТ), а також пристро'!в на 1х баз1 потр1бно враховувати р1зш фактори: шумов1 параметры, електричш характеристики, вплив паразитних зв'язюв, температурш характеристики 1 т. ш. Визна-чення шумових характеристик може надати певну шформащю про стан того чи шшого електронного ви-робу. Наприклад, ВЕТ, що використовуються у високо-
яюснш приймально-передавальнш апаратурi повинш мати якомога нижчий коефвдент власних шумiв.
2. Аналiз останшх дослщжень
В роботах [1,2] проводились дослвдження шформа-тивного параметра вироб1в електронно'! техшки (ВЕТ) для операцш вхщного та вихщного контролю за р1в-нем низькочастотного шуму, для бшолярних структур.
уз
©
