Генератор шума

       Задающие  генераторы шума

       Задающие  генераторы шума можно условно разделить  на четыре типа: резистивные, газоразрядные, искровые и полупроводниковые

       Источники теплового шума

       Вследствие  теплового движения электронов в  любом резисторе выделяется мощность шума, спектральная плотность которого в первом приближении не зависит  от частоты и определяется формулой Найквиста, следовательно, увеличивая температуру до технологически достижимых значений, можно получить достаточно высокие уровни спектральной плотности  мощности шума (СПМШ) со спектром, наиболее близким к спектру белого шума.

       В качестве образцового источника шума может служить нагретый проволочный резистор, среднее квадратическое значение напряжения на котором рассчитывается по формуле:

       ;

                 где к =1,38^.10^-23 Дж/град — постоянная Больцмана;

       Т— абсолютная температура резистора в градусах Кельвина;

         R — сопротивление резистора;

         ∆f— полоса пропускания.

       Если  нагрузить шумящий резистор другим, равным ему по сопротивлению, то на втором резисторе выделится мощность: 

       Отсюда  можно определить спектральную плотность  мощности шума: 

       Спектральная  плотность мощности шума резистора  при нормальной температуре равна S(f) = kT₀ = 4^.10^-21 Вт/Гц. Произведение kT₀ удобно использовать в качестве единицы спектральной плотности мощности. Например, 5 kT₀ означает, что температура шумящего резистора в пять раз выше нормальной и спектральная плотность равна 2^.10^-20 Вт/Гц.

         Можно найти сопротивление резистора:

       ;

       отсюда  следует, что активные элементы, в  которых возникают шумы, можно  замещать эквивалентным шумящим  резистором, шумовое сопротивление R_ш которого при нормальной температуре Т₀ равно:

       ;

       Конструктивно резистор выполняется в виде вольфрамовой спирали, намотанной на керамический каркас, температура которой поддерживается постоянной.

       Основной  недостаток резистивного генератора шума состоит в том, что для получения  высокого уровня СПМШ требуются высокие  рабочие температуры резистора. Например, СПМШ равный 30 дБ, достигается при температуре резистора 1000^О К.

       1.1.2 Газоразрядные  генераторы шума

 

       Широкое применение в качестве первичного источника шума в сантиметровом диапазоне волн нашли газоразрядные шумовые трубки (ГШТ) с положительным столбом. В газоразрядных приборах  газ при прохождении тока через приборы находится в состоянии ионизированной плазмы. Электронный газ в плазме обладает активной проводимостью, и вследствие случайного движения в нем электронов он генерирует шум. Газоразрядные шумовые трубки имеют высокую равномерность спектральной плотности мощности шума в широкой полосе частот, стабильный и относительно высокий уровень мощности, просты в эксплуатации, устойчивы к жестким воздействиям внешней среды и обладают достаточно высокой эксплуатационной надежностью.

       Газоразрядный шумовой генератор выполнен в виде стеклянной трубки, наполненной инертным газом (аргоном или неоном) до давления от сотен до тысяч паскалей. На одном конце трубки расположен прямонакальный, или подогреваемый катод, на противоположном — анод.

       Для практического использования шумового излучения положительного столба ГШТ  помещают в специальные генераторные секции. В зависимости от диапазона  частот и типа трубки могут быть использованы генераторные секции, выполненные  на волноводе, коаксиальной или полосковой линии.

       

       Рис.1

       Волноводные шумовые генераторы. Генератор шума волноводной конструкции представляет собой отрезок прямоугольного волновода 2 (рис.1) с газоразрядной трубкой, пересекающей его широкую стенку под углом Наклонное положение трубки в волноводе обеспечивает при разряде равномерное внесение потерь на достаточной длине линии, благодаря чему достигается удовлетворительное согласование ГШТ с линией передачи в широком диапазоне частот. Один конец отрезка волновода оканчивается стандартным фланцем для подключения внешней согласованной нагрузки, а в другом помещена клиновидная внутренняя согласующая нагрузка 1. Спектральная плотность мощности шума составляет 60 kT₀. Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; в этом случае спектральная плотность мощности равна 5 kT₀. Перекрытие по частоте не более 1,5. Анодный и катодный концы трубки выступают за пределы волновода и могут излучать шумовую мощность и создавать помехи. Для уменьшения этих помех концы трубки экранируются предельными волноводами.

       Разработка  генераторов шума в коротковолновой  части миллиметровых волн сопряжена  с большими трудностями из-за малого диаметра и толщины стенок ГШТ. В  связи с этим шумовые генераторы миллиметрового диапазона изготовляют  пакетированными без возможности в процессе эксплуатации производить смену ГШТ.

       В длинноволновой части сантиметровых  волн из-за сложности согласования трубки с линией передачи обычно применяют коаксиальные или полосковые генераторы шума.

       

       Рис.2

       Генератор коаксиальной конструкции (рис.2) представляет собой цилиндрическую металлическую камеру, в центре которой помещается газоразрядная трубка  3. Вокруг трубки располагается металлическая спираль 2, охватывающая столб плазмы и являющаяся элементом связи горящей трубки с коаксиальной линией. Один конец спирали соединен с поглощающим (согласующим) резистором 1, второй — с выходным разъемом. Выходное сопротивление генератора определяется волновым сопротивлением коаксиальной линии, т. е. диаметром и шагом спирали, и составляет 50 или 75 Ом. Перекрытие по частоте не превышает 4; спектральная плотность мощности шума не регулируется и указывается в паспорте генератора в пределах от 20 до 80 kT₀. Имеются генераторы со вторым выходом через направленный ответвитель; здесь спектральная плотность составляет 1—6 kT₀.

       Полосковые  генераторы шума представляют собой симметричную полосковую линию, вдоль оси которой помещается газоразрядная шумовая трубка.

       Интенсивность излучения ГШТ определяется главным  образом электронной температурой плазмы. Потери, вносимые генератором шума в тракт, в выключенном состоянии в основном определяются потерями в стенке трубки, линии передачи и в присоединительных элементах.

       На  практике часто требуется использовать генераторы шума в импульсном режиме. Длительность импульса горения ГШТ ограничена снизу длительностью переходного процесса в газовом разряде. В зависимости от допустимых искажений минимальная длительность модулирующего импульса может составлять 0,2... 1 мс.

       К достоинствам газоразрядного генератора шума можно отнести такие важные характеристики, как спектр генерируемого  сигнала и большое время наработки  на отказ (не менее 15000 ч.).

       1.1.3 Искровые генераторы  шума

 

       Принцип работы искрового генератора шума основан  на генерации электромагнитного  излучения, возникающего при пробое многослойной диэлектрической структуры. Многоэлементный искровой разрядник выполнен в виде тороидальной камеры, внутри которой под воздействием магнитного поля, создаваемого соленоидом, вращаются шарообразные электроды, покрытые специальной оксидной пленкой. Искровой разряд, генерирующий широкополосное излучение, возникает при прохождении импульсов тока через многослойную диэлектрическую структуру, образованную конструкцией излучателя. При подаче высоковольтного высокочастотного напряжения на шарообразные электроды разрядника на соседних электродах возникает пикосекундный импульс тока и соответствующее электромагнитное излучение в широком диапазоне частот. Преимущество искровых генераторов шума состоит в том, что они могут работать непосредственно на волновое пространство и обеспечивать достаточно высокие уровни спектральной плотности потока мощности (СППМШ) без промежуточных усилителей мощности и антенн.

       1.1.4 Полупроводниковые  генераторы шума

 

       Среди полупроводниковых генераторов  шума на основе шумовых диодов следует выделить три основных типа: дробовой шумовой диод, диод с переходом Зенера и лавинно-пролётный диод.

       1.1.4.1 Дробовой шумовой диод

 

       В качестве источника белого шума используется шумовой диод, в котором при  пропускании тока через переход  генерируется дробовой шум. Дробовой шум  связан с прохождением тока через  потенциальный барьер. Он возникает  из-за флуктуаций тока, вызываемых случайным  характером эмиссии электронов (или  дырок). Теоретический анализ дробовых шумов был проведен У. Шотки. Он показал, что эффективное значение тока шумов определяется формулой :  
 

где q – заряд электрона (1,6*10^-19 Кл);

     I – среднее значение постоянного тока (А);

       – полоса пропускания (Гц).  

       Следовательно, если преобладающим источником шумов  в диоде будет дробовой шум, то СПМШ определяется постоянным током, проходящим через диод. СПМШ, выделяющаяся на нагрузке, определяется как: 

       где q – заряд электрона (1,6*10^-19 Кл);

           I – среднее значение постоянного тока (А);

           R_г – сопротивление источника.

       Основной  недостаток диодов, генерирующих дробовой шум, состоит в том, что шумовой  спектр отличается от спектра белого шума и находится в низкочастотной области электромагнитного спектра.

       1.1.4.2 Шумовой диод с туннельным  переходом Зенера

 

       Известным примером диода с переходом Зенера является обычный стабилитрон, работа которого основана на туннельном пробое обратносмещенного p-n перехода полупроводникового диода. В основе этого вида пробоя лежит туннельный эффект, т. е. диффузия электронов сквозь потенциальный барьер, если толщина последнего достаточно мала. Вероятность туннельного эффекта определяется экспонентой : 

       

       где  δ – ширина p-n перехода;

       ℏ –редуцированная постоянная Планка;

       m_n – эффективная масса электрона;

       E_g – ширина запрещенной зоны. 

       Поскольку пробойный режим не связан с инжекцией  неосновных носителей заряда, в полупроводниковом  диоде отсутствуют инерционные  явления при переходе из области  туннельного пробоя в область  запирания и обратно, и носит  случайный характер. СПМШ такого диода  может достигать больших уровней (более 35 дБ) относительно кТ₀. Высокий уровень СПМШ, небольшой рабочий ток (15 – 20 мА), низкое напряжение (до 25 В) и малые габариты – основные преимущества генераторов шума на диодах с переходом Зенера.  

       Генераторы  на лавинно-пролетных диодах.

       Из  генераторов шума на полупроводниковых приборах наибольшее применение в практике измерений находят генераторы на лавинно-пролетном диоде (ЛПД). Конструктивно они состоят из ЛПД и генераторной секции, служащей для согласования входного сопротивления p-n-перехода с сопротивлением нагрузки. Основным источником шумового излучения в ЛПД являются дробовые флуктуации тока насыщения диода.

       Ионизирующее  соударение высвобождает дырку и  электрон, которые начинают перемещаться по полупроводнику в противоположных направлениях под влиянием электрического поля, высвобождая во время дрейфа следующие пары дырка — электрон.