Генератор шума является схемой , которая производит электрический шум (т.е. случайного сигнала). Генераторы шума используются для тестирования сигналов для измерения коэффициента шума , частотной характеристики и других параметров. Генераторы шума также используются для генерации случайных чисел . [1]
Теория [ править ]
Для генерации шума используется несколько схем. Например, резисторы с регулируемой температурой, вакуумные диоды с ограничением температуры, стабилитроны и газоразрядные трубки. [2] Источник, который можно включать и выключать («закрытый»), полезен для некоторых методов испытаний.
Генераторы шума обычно полагаются на основной шумовой процесс, такой как тепловой шум или дробовой шум .
Генератор теплового шума [ править ]
Тепловой шум может быть фундаментальным стандартом. Резистор при определенной температуре имеет связанный с ним тепловой шум. Генератор шума может иметь два резистора с разными температурами и переключаться между двумя резисторами. В результате выходная мощность мала. (Для резистора 1 кОм при комнатной температуре и полосе пропускания 10 кГц среднеквадратичное значение напряжения шума составляет 400 нВ. [3] )
Генератор дробового шума [ править ]
Если электроны перетекают через барьер, они имеют дискретное время прибытия. Эти дискретные прибытия демонстрируют дробовой шум . Уровень выходного шума генератора дробового шума легко устанавливается с помощью постоянного тока смещения. Обычно используется барьер в диоде. [4]
В разных схемах генератора шума используются разные методы установки постоянного тока смещения.
Вакуумный диод [ править ]
Одним из распространенных источников шума был термоограниченный ( насыщенное излучение ) ламповый диод с горячим катодом . Эти источники могли служить генераторами белого шума от нескольких килогерц до УВЧ и были доступны в обычных стеклянных оболочках для радиоламп . Применение с ограничением шума мерцания (1 / f ) на низких частотах; приложение с ограниченным временем прохождения электронов на более высоких частотах. Базовая конструкция представляла собой диодную вакуумную лампу с нагреваемой нитью накала. Температура катода (нити) задает ток анода (пластины), который определяет дробовой шум; см. уравнение Ричардсона . Напряжение анода установлено достаточно большим, чтобы собрать всеэлектроны, испускаемые нитью . [5] [6] Если бы напряжение на пластине было слишком низким, то вокруг нити накала бы возник пространственный заряд, который повлиял бы на выходной шум. Для откалиброванного генератора необходимо следить за тем, чтобы дробовой шум преобладал над тепловым шумом сопротивления пластины лампы и других элементов схемы.
Газоразрядные трубки [ править ]
Длинные, тонкие газоразрядные стеклянные трубки с горячим катодом, снабженные обычным байонетным креплением для лампы накаливания и верхней крышкой анода , использовались для частот СВЧ и диагонального ввода в волновод . [7] Они были заполнены чистым инертным газом, таким как неон, потому что смеси зависели от температуры на выходе. Их напряжение горения было ниже 200 В, но они нуждались в оптической затравке (предварительной ионизации) 2-ваттной лампой накаливания перед зажиганием от скачка анодного напряжения в диапазоне 5 кВ.
Для низкочастотных шумовых полос использовались лампы накаливания, заполненные неоном. Схема была аналогична схеме для импульсов пик / игла .
Один миниатюрный тиратрон нашел дополнительное применение в качестве источника шума при работе в качестве диода (сетка, привязанная к катоду) в поперечном магнитном поле. [8]
Полупроводниковый диод с прямым смещением [ править ]
Другая возможность - использовать ток коллектора в транзисторе. [ требуется разъяснение ]
Обратно-смещенный полупроводниковый диод [ править ]
Обратно-смещенные диоды при пробое также могут использоваться в качестве источников дробового шума. Диоды регулятора напряжения распространены, но есть два разных механизма пробоя, и они имеют разные шумовые характеристики. Механизмы - эффект Зинера и лавинный пробой . [9]
Стабилитрон [ править ]
Обратно-смещенные диоды и переходы база-эмиттер биполярных транзисторов, которые пробиваются ниже 7 вольт, в первую очередь проявляют эффект Зенера; пробой происходит из-за внутренней автоэлектронной эмиссии. Переходы тонкие, а электрическое поле велико. Пробой стабилитрона - это дробовой шум. Угол шума мерцания (1 / f ) может быть ниже 10 Гц. [10]
Шум, создаваемый стабилитронами, представляет собой простой дробовой шум.
Лавинный диод [ править ]
Для пробивных напряжений более 7 вольт ширина полупроводникового перехода больше, и механизм первичного пробоя является лавинообразным. Вывод шума более сложный. [10] Из-за лавинного умножения возникает избыточный шум (то есть шум сверх простого дробового шума).
Для генераторов шума более высокой мощности необходимо усиление. Для генераторов широкополосного шума такое усиление может оказаться трудным. Один метод использует лавинное умножение в пределах того же барьера, который генерирует шум. В лавине один носитель сталкивается с другими атомами и выбивает новые носители. В результате для каждого носителя, который стартует через барьер, синхронно прибывают несколько носителей. В результате получается широкополосный источник высокой мощности. Обычные диоды можно использовать при пробое.
Лавинный пробой также имеет многоступенчатый шум. Выходная мощность шума случайным образом переключается между несколькими выходными уровнями. Многоступенчатый шум выглядит как мерцающий (1 / f ) шум. Эффект зависит от процесса, но его можно минимизировать. Диоды также могут быть выбраны из-за низкого многоуровневого шума. [10]
Коммерческим примером генератора шума с лавинными диодами является Agilent 346C, который охватывает диапазон от 10 МГц до 26,5 ГГц. [11]
См. Также [ править ]
- Коэффициент избыточного шума
- Измеритель коэффициента шума
- Источник радиошума
Ссылки [ править ]
- ^ "Мировые энергетические системы, PDF, Sylvania Type 6D4" (PDF) . Проверено 6 ноября 2010 года .
- ^ Motchenbacher & Fitchen 1973 , стр. 289
- ^ Результат Google Calculator для 1 кОм при комнатной температуре, ширина полосы 10 кГц
- ^ Ott 1976 , стр. 208218
- ^ Motchenbacher & Fitchen 1973 , стр. 289-291
- ^ «Philips: стандартные источники шума K81A, K50A, K51A » (PDF) . Проверено 14 июня 2013 года .
- ^ Hewlett-Packard1981 Каталога, стр 437, «Источники 347A волновода аргон газоразрядные трубки тщательно смонтированы в волноводных секциях для частот от 3,95 до 18 ГГц. Модель 349 a также использует аргон трубку в коаксиальной конфигурации для частот от 400 до 4000 МГц. "
- ^ "Sylvania: 6D4 Миниатюрный триодный тиратрон, таблица данных" (PDF) . Проверено 25 мая 2013 года .
- ^ Motchenbacher & Fitchen 1973 , стр. 180
- ^ a b c Motchenbacher & Fitchen 1973 , стр. 181
- ^ http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-536902744.536880071.00&lc=eng&cc=US , 346C Источник шума, от 10 МГц до 26,5 ГГц, номинальное значение ENR 15 дБ
- Motchenbacher, CD; Фитчен, ФК (1973), малошумный электронный дизайн , John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-61950-5
- Отт, Генри В. (1976), Методы шумоподавления в электронных системах , Джон Вили, ISBN 0-471-65726-3
