Упрощенная модель тонкопленочного резонатора для применения в фильтрах высокого порядка

У роботі представлена розроблена авторами модель тонкоплівкового п'єзоелектричного резонатора з двома електродами, заснована на застосуванні багатоконтурних схем заміщення. Завдяки спрощеності структури, дана модель може бути легко інтегрована в більшість сучасних САПР і дозволить з високою точністю визначати вихідні характеристики резонатора у відносно широкому частотному діапазоні, що особливо важливо при моделюванні фільтрів високого порядку на базі резонаторів. Проведена верифікація моделі, що включає аналіз частотної залежності вхідного імпедансу у вузькому і широкому частотних діапазонах, а також дослідження узгодженості моделі при використанні різних матеріалів активного шару і електродів. Важливою перевагою запропонованої моделі є збільшення ефективності розрахунку та оптимізації складних схем із застосуванням великої кількості резонаторів за рахунок скорочення часу розрахунку.The simplified model of thin film piezoelectric resonator based on multiloop equivalent circuits was developed and presented in this work. The model allows the straightforward integration of the resonator’s electrical behavior into the most of modern CAD systems as a part of complex devices and enables the precise evaluation of the output characteristics in a relatively wide frequency range that is especially significant for the modelling of high-order filters composed of thin film bulk acoustic resonators. The model verification was given including: 1) the analysis of the absolute input impedance frequency dependence in wide and narrow frequency ranges; 2) the model agreement examination using different active layer and electrodes materials. An important advantage of proposed solution is the decreasing of calculation time and improving of optimization efficiency of complex RF circuits with a large number of resonators.В работе представлена разработанная авторами модель тонкопленочного пьезоэлектрического резонатора с двумя электродами, основанная на применении многоконтурных схем замещения. Благодаря упрощенности структуры, данная модель может быть легко интегрирована в большинство современных САПР и позволит с высокой точностью определять выходные характеристики резонатора в относительно широком частотном диапазоне, что особенно важно при моделировании фильтров высокого порядка на базе резонаторов. Проведена верификация модели, включающая анализ частотной зависимости входного импеданса в узком и широком частотных диапазонах, а также исследование согласованности модели при использовании различных материалов активного слоя и электродов. Важным преимуществом предложенной модели является увеличение эффективности расчета и оптимизации сложных схем с применением большого количества резонаторов за счет сокращения времени расчета

RLC – модель акустического импеданса брэгговского отражателя

В роботі представлена розроблена авторами RLC модель бреггівського відбивача. Завдяки спрощеності структури дана модель може бути легко інтегрована в більшість сучасних САПР і дозволить з високою точністю визначати вихідні характеристики відбивача у відносно широкому близькорезонансному частотному діапазоні, що особливо важливо при моделюванні тонкоплівкових п'єзоелектричних резонаторів. Проведена верифікація моделі, що включила аналіз частотної залежності повного акустичного імпедансу у вузькому і широкому частотних діапазонах, дослідження узгодженості моделі при варіації кількості шарів бреггівського відбивача і при використанні різних матеріалів. Наведено розрахунок помилки узгодженості для різних частотних діапазонів, що дозволило визначити межі застосування моделі. Важливою перевагою запропонованої RLC моделі є збільшення ефективності розрахунку та оптимізації складних схем із застосуванням великої кількості резонаторів за рахунок скорочення часу розрахунку відбивача.The simplified RLC model of Bragg reflector impedance was developed and presented in this work. The model allows the straightforward integration of the reflector’s electrical behavior into the most of modern CAD systems as a part of complex devices and enables the precise evaluation of the output characteristics in a relatively wide near-resonant frequency range. This is especially important in the modelling of RF systems composed of thin film bulk acoustic resonators. The model verification was given including the analysis of the total impedance frequency dependence in wide and narrow frequency ranges, the model agreement examination for different number of layers and using various materials. The evaluation of agreement error for different frequency bands presented which allowed one to determine the limits of applicability of RLC model. An important advantage of proposed solution is the decreasing of calculation time and improving of optimization efficiency of complex RF circuits with a large number of resonators.работе представлена разработанная авторами RLC модель брэгговского отражателя. Благодаря упрощенности структуры данная модель может быть легко интегрирована в большинство современных САПР и позволит с высокой точностью определять выходные характеристики отражателя в относительно широком околорезонансном частотном диапазоне, что особенно важно при моделировании тонкопленочных пьезоэлектрических резонаторов. Проведена верификация модели, включающая анализ частотной зависимости полного акустического импеданса в узком и широком частотных диапазонах, исследование согласованности модели при вариации количества слоев брэгговского зеркала и при использовании различных материалов. Приведен расчет ошибки согласованности для различных частотных диапазонов, позволяющий определить границы применимости модели. Важным преимуществом предложенной RLC модели является увеличение эффективности расчета и оптимизации сложных схем с применением большого количества резонаторов за счет сокращения времени расчета отражателя

СЕНСОРЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР ОКСИДА ЦИНКА НА ПОДЛОЖКАХ НИОБАТА ЛИТИЯ

The original construction is developed of a sensor for ultraviolet (UV) radiation on the basis of mono-crystalline nanostructures of zinc oxide on lithium niobate substrates using a SAW resonator with an apodized pin transformer and a reverse multistrip coupler. As a layer sensitive to UV radiation the hydrothermally grown structures based on ZnO and ZnO: Al nanorods have been proposed. It is established that the both types possess high selectivity in the UV spectral region. It is shown that the frequency shift for a sensor modified with ZNO nanorods amounts to approximately 140 kHz, and for a sensor modified with ZNO nanorods with alloyed aluminum – approximately 110 kHz at an intensity of UV radiation of 46 mkW/ cm2. The manufactured UV radiation sensors based on SAW have demonstrated good technological reproducibility, high mechanical stability, and full recovery of frequency parameters of the resonator. The value is calculated, which characterizes the square of the coefficient of electromechanical connection of lithium niobate 128 of YX-cut modified by the structure of ZnO nanorods in the process of ultraviolet radiation treatment.Разработана оригинальная конструкция сенсора для ультрафиолетового (УФ) излучения на основе монокристаллических наноструктур оксида цинка на подложках ниобата лития с использованием ПАВ резонатора с аподизованным штыревым преобразователем и реверсивным многополосковым ответвителем. В качестве чувствительного к УФ излучению слоя были предложены выращенные гидротермальным методом структуры на основе наностержней ZnO и ZnO:Al. Установлено, что структуры обоих типов обладают высокой селективностью в УФ области спектра. Показано, что сдвиг частоты для сенсора, модифицированного наностержнями ZnO, составляет около 140 кГц, а для сенсора, модифицированного наностержнями ZnO с легированием алюминием, – около 110 кГц при интенсивности УФ излучения 46 мкВт/см2. Изготовленные сенсоры УФ излучения на ПАВ продемонстрировали хорошую технологическую воспроизводимость, высокую механическую стойкость и полное восстановление частотных параметров резонатора. Рассчитана величина, характеризующая квадрат коэффициента электромеханической связи ниобата лития 128°YX-среза, модифицированного структурой наностержней ZnO, в процессе облучения ультрафиолетовым излучением

Современный комплекс безопасности и мониторинга для автоматизированной системы управления домом

Розроблено гнучку та економічну платформу для реалізації комплексу безпеки та моніторингу, що включає набір інтелектуальних енергоефективних датчиків та програмне забезпечення для управління комплексом. Завдяки відкритості програмного забезпечення, прозорості структури і модульному дизайну, комплекс може бути в короткий інтервал часу налаштований під умови конкретної автоматизованої системи управління будинком.A flexible and cost-effective platform for implementing the security and monitoring complex was developed including a set of intelligent energy-efficient sensors and complex management software. Due to open source software, transparency and modular design, the complex can be adapted for a specific requirements of the automated building management system in a short terms.Разработана гибкая и экономичная платформа для реализации комплекса безопасности и мониторинга, включающая набор интеллектуальных энергоэффективных датчиков и программное обеспечение для управления комплексом. Благодаря открытости программного обеспечения, прозрачности структуры и модульному дизайну, комплекс может быть в короткий интервал времени настроен под условия конкретной автоматизированной системы управления домом

Комбинированная система преобразования энергии на основе наноструктурированных материалов

Розроблено конструкцію комбінованої системи перетворення енергії сонячного випромінювання та енергії механічних коливань на основі наноструктурованого оксиду цинку. Представлено експериментальні результати створення комірки перетворення енергії механічних коливань та тестування. Показано, що розроблена комірка на основі наноструктурованого оксиду цинку може бути успішно використана для створення системи перетворення енергії з широкими потенційними можливостями застосування у системах енергоживлення та управління.The combined system of solar radiation and mechanical vibrations energy conversion based on nanostructured zinc oxide was developed. Experimental results of mechanical vibrations energy conversion cell design and testing were performed. It was shown that the developed cell based on nanostructured zinc oxide can be successfully applied for energy conversion system development with a wide range of applications in the power systems and management.Разработана конструкция комбинированной системы преобразования энергии солнечного излучения и энергии механических колебаний на основе наноструктурированного оксида цинка. Представлены экспериментальные результаты создания ячейки преобразования энергии механических колебаний и тестирования. Показано, что разработанная ячейка на основе наноструктурированного оксида цинка может быть успешно использована для создания системы преобразования энергии с широкими возможностями применения в системах энергопитания и управления

Operational Transconductance Amplifier Macromodel Optimization For Active Piezoelectric Filter Design

This work addresses the problem of optimal operational transconductance amplifier (OTA) macromodel creation in terms of its application in active FBAR filters. Existing macromodels of active elements are reviewed from their structure and application point of view. A nonlinear macromodel of OTA was developed on the basis of single-pole three-stage macromodel, which takes into account the necessary effects of real devices: the finite input and output impedances, the frequency dependence of transconductance coefficient and its nonlinearity behavior, noise characteristics. The features of presented solution include versatility of application in most of nowadays CAD systems, the ability to estimate with sufficient accuracy the frequency response of the filter and its performance, dynamic range, harmonic and noise analysis. Simple structure allows the speed-up of calculation and direct digital optimization techniques can be adopted to optimize the characteristics of the filter. The verification of macromodel was demonstrated on the example of FBAR connected to gyrator circuit, which showed high precision imitation of transistor-level circuit. The analysis of transient response and harmonic balance proved the acceptance of power series approximation of operation range. The use of two diodes outside this range allowed for modeling in wide input voltages range. The developed macromodel can be successfully used for the synthesis of active FBAR filters

Accounting of nonlinearity in OTA macromodel, applicable for synthesis of high-order active filters

У статті розглядається питання розробки моделі нелінійності коефіцієнта транспровідності операційного підсилювача струму. Дається аналіз існуючих підходів апроксимації з застосуванням ступеневих рядів Тейлора, описуються недоліки методу. В основній частині викладається метод апроксимації із застосуванням ортогональних поліномів Чебишева. Автор наводить результати розрахунку характеристик балансного ОТА, акцентуючи увагу на зменшення максимальної помилки апроксимації, зниження чутливості до помилок округлення при розрахунку, а також на можливість застосування поліномів високого ступеня при використанні запропонованого підходу. У роботі також порушено питання інтеграції моделі в системи автоматизованого проектування фільтрів. На закінчення наводяться результати верифікації нелінійних характеристик макромоделі ОТА, що показують високу точність імітації характеристик низькорівневої транзисторної моделі. Підкреслюється можливість застосування макромоделі для синтезу активних фільтрів високого порядку, а також оцінки з високою точністю їх частотного відгуку і гармонійних спотворень.The article discusses the development of the nonlinearity model of operational transconductance amplifier. The analysis of existing approaches using Taylor polynomial is described accounting the method’s shortcomings. The main part presents the orthogonal Chebyshev approximation method. The author gives the balanced OTA calculation results, focusing on the reduction of the maximum approximation error, reduced sensitivity to calculation rounding errors, as well as the possibility of application of high-degree polynomials using the proposed approach. The paper also raised the model’s integration into CAD systems issue. In conclusion, the results of nonlinear macromodel verification are given, showing the high accuracy of imitating the characteristics of a low-level transistor model. The possibility of application of macromodel for the synthesis of high-order active filters was highlighted, as well as high precision evaluation of filter performance and harmonic distortion.Предложена модифицированная макромодель операционного усилителя тока, являющаяся компромиссным решением по критериям простоты расчета, полноты и точности отражения характеристик. Применение полиномов Чебышева для аппроксимации нелинейности усиления ОТА позволило оптимизировать точность макромодели по минимакс-критерию без усложнения ее структуры. Проведено сравнение нелинейных характеристик макромодели с низкоуровневой транзисторной архитектурой усилителя, показавшее допустимость применения макромодели при проектировании сложных активных фильтров

Active elements on a basis of ZnO nanorods for energy harvesting devices

Полный текст доступен на сайте издания по подписке: http://radio.kpi.ua/article/view/S0021347016020023It is represented the research of piezoelectric properties of nanorods and their application in energy harvesting devices. According to the simulation results with method of finite elements the value of electromechanic coupling coefficient of monolayer from ZnO nanorods is greater than one in compare to uniform film application. The sample manufacturing method consists of application of traditional microelectronic technique for shaping of top and bottom electrodes and also application of two-steps low-temperature chemical synthesis for ZnO nanorods. To provide acoustic perturbation of the sample the piezoceramic element is used in multilayer structure fixed on the glassceramic substrate. The results are obtained for two measurement modes, providing oscillations perturbation by rectangular pulses source and by harmonic generator. Obtained results demonstrate high efficiency of piezoelectric transformation for monolayer, which consists of ZnO nanorods that is possible to be used in different self-powered devices.Представлено исследование пьезоэлектрических свойств наностержней ZnO и их применение в устройствах сбора энергии. Согласно результатам моделирования методом конечных элементов, значение коэффициента электромеханической связи монослоя, состоящего из наностержней ZnO, возрастает по сравнению с однородной пленкой. Изготовление образца предполагает применение традиционной микроэлектронной технологии для получения верхнего и нижнего электродов, а также двухстадийного низкотемпературного химического синтеза наностержней ZnO. Для возбуждения акустических колебаний в образце применена пьезокерамическая пластина в составе многослойной структуры, закрепленная на подложке ситалла. Результаты получены в двух режимах измерения, предполагающих возбуждение колебаний от источника прямоугольных импульсов и от генератора гармонических колебаний звуковой частоты. Полученные результаты демонстрируют высокую эффективность пьезоэлектрического преобразования для монослоя, состоящего из наностержней ZnO, что возможно использовать для создания различных устройств с автономным питанием