Генератор шума - Noise generator

Стабилитрон базовый источник шума

А генератор шума это схема, которая производит электрический шум (т.е. случайный сигнал). Генераторы шума используются для тестирования сигналов для измерения коэффициент шума, частотная характеристика и другие параметры. Генераторы шума также используются для генерация случайных чисел.^[1]

Теория

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 тестирования.

Генераторы шума обычно полагаются на основной шумовой процесс, такой как тепловой шум или же дробовой шум.

Генератор теплового шума

Тепловой шум может быть фундаментальным стандартом. Резистор при определенной температуре имеет связанный с ним тепловой шум. Генератор шума может иметь два резистора с разной температурой и переключаться между ними. 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

Если электроны перетекают через барьер, они имеют дискретное время прибытия. Эти дискретные прибытия показывают дробовой шум. Уровень выходного шума генератора дробового шума легко устанавливается постоянным током смещения. Обычно используется перегородка в диоде.^[4]

В разных схемах генератора шума используются разные методы установки постоянного тока смещения.

Вакуумный диод

Одним из распространенных источников шума был термоограниченный (насыщенная эмиссия) горячий катод ламповый диод. Эти источники могут служить генераторами белого шума от нескольких килогерц до УВЧ и были доступны в обычном радиолампа стеклянные конверты. Мерцание (1 /ж) шум ограниченное применение на более 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; видеть Уравнение Ричардсона. Напряжение анода установлено достаточно большим, чтобы собрать все электроны, испускаемые нитью.^[5]^[6] Если напряжение на пластине было слишком низким, то вокруг нити накала возник бы объемный заряд, который повлиял бы на выходной шум. Для откалиброванного генератора необходимо следить за тем, чтобы дробовой шум преобладал над тепловым шумом сопротивления пластины трубки и других элементов схемы.

Газоразрядные трубки

Длинный, тонкий, с горячим катодом газоразрядный стеклянные пробирки с нормальным байонетное крепление лампы для нити и анода верхняя крышка, использовались для СВЧ частоты и диагональная вставка в волновод.^[7] Они были заполнены чистым инертным газом, например неон потому что смеси сделал выходную температуру зависимой. Их напряжение горения было ниже 200 В, но они нуждались в оптической затравке (предварительной ионизации) лампой накаливания мощностью 2 Вт перед зажиганием от скачка анодного напряжения в диапазоне 5 кВ.

Одна миниатюра тиратрон нашли дополнительное применение в качестве источника шума при работе в качестве диода (сетки, привязанной к катоду) в поперечном магнитном поле.^[8]

Полупроводниковый диод с прямым смещением

Другая возможность - использовать ток коллектора в транзисторе.^{[требуется разъяснение ]}

Обратно-смещенный полупроводниковый диод

Обратно-смещенные диоды при пробое могут также использоваться в качестве источников дробового шума. Диоды регулятора напряжения распространены, но есть два разных механизма пробоя, и они имеют разные шумовые характеристики. Механизмы Эффект Зенера и сход лавины.^[9]

Стабилитрон

Обратносмещенные диоды и биполярный транзистор переходы база-эмиттер, которые пробиваются ниже примерно 7 вольт, в основном проявляют эффект Зенера; пробой происходит из-за внутренней автоэлектронной эмиссии. Переходы тонкие, а электрическое поле велико. Пробой стабилитрона - это дробовой шум. Мерцание (1 /ж) шумовой угол может быть ниже 10 Гц.^[10]

Шум, создаваемый стабилитронами, представляет собой простой дробовой шум.

Лавинный диод

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 быть труднодостижимым. Один метод использует лавинное умножение внутри 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, прибывают несколько носителей синхронно. 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 уровнями выхода. Многоступенчатый шум выглядит как мерцание (1 /ж) 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]