声波CCD

声波CCD，又称为声波-电荷转移（ACT）器件。这是一种利用声波来转移电荷、以传输信号的特种半导体器件。其结构见图示。它是把电荷耦合器件（CCD）与声表面波器件（SAW）结合起来的一种新型半导体器件。

（1）电荷耦合器件（CCD）与声表面波器件（SAW）的比较：

CCD和SAW是模拟信号处理的两大主要技术，但各有优缺点。①CCD~ 容易单片集成，可程控；但工作频率一般最高为10MHz（否则将要付出过大的代价），则随着A/D、D/A速度的提高，使得CCD逐渐从信号处理领域退缩到图象的光电转换领域。②SAW~ 频率比CCD高2~3个数量级（可达到GHz）；但程控性、单片集成和功能方面不如CCD。

（2）声波CCD（ACT）的特点：

ACT融合了SAW和CCD的优点，即具有SAW的高频率和CCD的强功能、可编程、可单片集成。ACT的特点是：①极高的信号处理速度（例如，对具有360MHz的SAW时钟频率、126位可编程抽头的ACT横向滤波器[PTF]，每秒可完成45亿次以上的相乘和相加运算）。②体积小、重量轻、可靠性高（因为采用半导体技术把各种功能集中在一块芯片上了）。③ACT是有源器件，但功耗低（目前为3W左右，预计可降低到约300mW）。因此，ACT在通信、雷达和电子战等系统中得到了广泛应用。

（3）ACT的基本工作原理：

用SAW代替CCD中的时钟信号，起着推动电荷转移的作用。由于SAW的频率可达到GHz，从而提高了工作频率。例如ACT延迟线：在S.I.GaAs上生长一层n-型GaAs（厚度约为半个SAW波长）；输入和输出欧姆接触用来注入和抽出电荷；SAW叉指式换能器和反射阵一起构成单向换能器，以在沟道中激发SAW；转移电荷的 n-型埋沟通过在Schottky板和S.I.GaAs上加偏压来限制，使得在沟道中形成抛物线形电势分布，而SAW电势因Schottky板的屏蔽，也形成类似的分布，两者将注入电荷限制在n-型GaAs中间。SAW电势和耗尽电势将形成一列2维势阱以声速在沟道中传播（如图示）。当输入端加一负脉冲而注入信号电荷时，则SAW伴随的电场即捕获进电荷包里由SAW携带以声速前进，最后到达输出端、并由偏压把电荷拉出而在输出回路中形成电流。这就实现了信号的延迟。

（4）ACT的性能：

在ACT的工作中，SAW的作用实际上是用来推动电荷。连续的信号将被SAW的电势谷点分割成一份一份的电荷，即以SAW的频率取样，因此ACT是宽带器件，信号处理的频率范围一般应是0~f/2（f是SAW的频率），与SAW的带宽无关（这不同于SAW器件），故对于激发SAW的换能器要求不高，只需要损耗很小（以在尽量小的功率下获得足够大的SAW电场，而对带宽和带内波动等并不在乎），所以一般采用很多对指、 等间隔的叉指式电极，并在背后设置反射栅阵来降低双向损耗（总损耗可降低到1dB左右）。

（5）ACT的材料：

要求半导体的压电性强（以获得大的SAW电场）和电子迁移率高（以得到较高的转移效率）。GaAs的电子迁移率高，可适应利用声波转移电荷的要求，是目前制备ACT的理想材料；但是其压电性较弱，需要较大的功率才能产生足够大的SAW电场，这也就在一定程度上限制了这种ACT的应用范围。

（6）ACT的主要功能：

这些功能使得ACT可用作为信号处理，并且对其应用领域的扩展起着决定性的作用。①自动连续高速输入信号取样~ 自动高速取样器，取样速率等于SAW的频率。②横向电荷注入~ 可使沟道的侧面横向静电“开通”，让电荷从位于沟道边缘的欧姆接触注入。这种输入结构在采用电荷存储单元的情况下对于要求电荷全部从横向输入源积累到多个位置上的应用来说极为有用。③电荷的存储~ 电荷存储单元由存储电极和两个Schottky外围势垒电极构成。若沿沟道长度设置多个存储单元构成阵列，由此阵列构成的ACT模拟存储器即可完成模拟存储功能（可将输入的电荷信号注入沟道，在有限的时间内将信号电荷存储起来，然后再读出）。④无损电荷输出~ 借助于电荷包对读出电极的电容性耦合，并对读出电极上感生的电压进行检测，即能实现无损读出（有电压读出和电流读出两种方式）。

（7）ACT的应用：

* 可编程横向滤波器（PTF）是ACT器件的固有延迟功能和无损读出功能的综合应用。其结构和工作：在基片的表面上安装一系列无损读出电极，当转移电荷在每个电极下面通过时都将感应出一个与输入信号成正比的信号；不同位置的无损读出电极有不同的延迟，再经过加权，联在一起，即构成了横向滤波的作用。

*ACT都能构成如SAW相应的各种器件（延迟线、滤波器、色散线、编码线等），但是ACT的这些器件性能优于SAW的相应器件（因为ACT器件的二阶效应小得多）。

*数字控制的可编程横向滤波器能构成模拟信号微处理器工作站：有128个无损读出电极，每个电极上接有可程控的双极性衰减器，共有5位衰减器，也就是横向滤波器每个抽头的极性和加权系数都可由计算机控制。加权系数的可程控的变化分辨率达5位，但由于模拟信号没有量化误差，实际的加权精度可达到8~9位；而且所有衰减器和ACT器件都做在一块芯片上。

*ACT器件应用的主要方面：

①雷达目标仿真器~ 数字存储器无法完成一个宽带波形与一幅目标雷达截面分布的卷积（因需要每秒完成几亿次的相乘和相加运算），而ACT仿真器却很容易实现：只需要编程的抽头幅度作为被模拟目标的脉冲响应，输入的雷达波形在通过ACT延迟线时，就自动完成了雷达信号与抽头系数的实时卷积；ACT器件的输出被发射到雷达接收机，用来模拟目标和杂波。对于数十~数百MHz带宽的雷达系统，ACT仿真器可仿真几百英尺范围内具有几百个散射中心的目标。使用ACT可提高雷达的抗干扰能力，并能快速发现从不同方向来的有效目标。

②高速图形识别~ 在雷达目标识别、内容识别、高速仪表的快速触发应用中，一直无法解决输入信号与存储在库中的参考函数的实时相关（因为存储库中有几百万个参考函数，每次相关即需要几百个相乘和相加运算；对于能在几分之一秒内识别匹配信号的处理器，其运算速度必须超过一亿次相乘和相加运算，典型的运算时间为25ns）。而采用ACT可编程横向滤波器，可进行45亿次相乘和相加运算，单个相乘和相加的时间小于30ps；从而可实现实时搜索参考函数库。ACT处理器的输出可以用来确定参考信号与输入信号最佳匹配的位置。

③自适应接收机处理~ 自适应滤波器应用于系统识别、判断和干涉相消等时，有2个基本运算（计算自适应滤波器输出与滤波器系数的卷积），以便修正所需要的滤波器参数；而当自适应滤波器应用于宽带时，该卷积需要几十亿次的相乘和相加运算，这目前的数字处理器做不到。但是ACT器件能克服这种困难： ACT器件的工作频率可使其非常适应于RF频带，对于大多数通信应用，自适应滤波器可方便地直接工作在中频频段，这是ACT器件最适合的范围。

④可编程中频滤波器和信道化~ 现在随着发射器密度的增加和波形的复杂化，迫切需要可编程中频滤波器和频率信道化，以便区分开需要和不需要的信号。接收机在完成通信侦察和发射机识别的功能时，也增大了信号处理的负担，要求信号处理速度很快；而目前最快的数字处理器也达不到这个要求。但如果采用ACT技术，在一块芯片上制作一组平行的滤波器，即可同时实现多个滤波器响应，任何一个滤波器的响应与其他所有滤波器无关（设各滤波器带宽相同）。这种ACT滤波器组有2种应用：一种滤波器组由中心频率相同、带宽不同的多个带通滤波器组成，可用作为中频滤波器使其带宽可选择地与所需要的信号带宽匹配；另一种滤波器组由带宽相同的彼此相交的带通滤波器组成，而其中心频率却覆盖了单个滤波器带宽的N倍频率范围（N是信道数），可用作为频率信道化。

⑤室内多径仿真~ 现在对于宽带室内多径通信的信道模拟尚缺少实现的工具，但利用ACT技术却能很容易实现，并能在几十MHz带宽的信道范围进行多径仿真。

⑥实时图象处理~ 目前实时图象处理受到数字计算速度的限制，但若采用ACT技术即可得到高速低功耗实时图象处理器，并能以每秒3000万幅图象的处理速度运行（功耗小于3W）。

⑦频率灵活的串行调制~ 一般，由BPSK转换为MSK的串行转换调制器，是由BPSK调制器后接一个固定频率的有限长响应（FIR）转换滤波器组成；但频率调制极不灵活。然而，采用ACT-PTF，即可在中频可选调制频率下进行任意串行调制。