Генератор шума — это схема, которая производит электрический шум (т. е. случайный сигнал). Генераторы шума используются для проверки сигналов с целью измерения коэффициента шума , частотной характеристики и других параметров. Генераторы шума также используются для генерации случайных чисел . [1]
Существует несколько схем, используемых для генерации шума. Например, терморегулируемые резисторы, вакуумные диоды с ограничением температуры, стабилитроны и газоразрядные трубки. [2] Источник, который можно включать и выключать («стробируемый»), полезен для некоторых методов испытаний.
Генераторы шума обычно используют фундаментальный шумовой процесс, такой как тепловой шум или дробовой шум .
Тепловой шум может быть фундаментальным стандартом. Резистор при определенной температуре имеет тепловой шум, связанный с ним. Генератор шума может иметь два резистора при разных температурах и переключаться между двумя резисторами. Результирующая выходная мощность низкая. (Для резистора 1 кОм при комнатной температуре и полосе пропускания 10 кГц среднеквадратичное значение напряжения шума составляет 400 нВ. [3] )
Если электроны текут через барьер, то они имеют дискретное время прибытия. Эти дискретные прибытия демонстрируют дробовой шум . Уровень выходного шума генератора дробового шума легко устанавливается постоянным током смещения. Обычно используется барьер в диоде. [4]
Различные схемы генераторов шума используют разные методы установки постоянного тока смещения.
Одним из распространенных источников шума был термически ограниченный ( насыщенный ) вакуумный диод с горячим катодом . Эти источники могли служить генераторами белого шума от нескольких килогерц до УВЧ и были доступны в обычных стеклянных колбах радиоламп . Применение с ограниченным мерцанием ( шумом) на более низких частотах; применение с ограниченным временем пролета электронов на более высоких частотах. Базовая конструкция представляла собой вакуумный диод с нагретой нитью накала. Температура катода (нити накала) устанавливает анодный (пластинчатый) ток, который определяет дробовой шум; см. уравнение Ричардсона . Анодное напряжение устанавливается достаточно большим, чтобы собрать все электроны, испускаемые нитью накала . [5] [6] Если бы напряжение пластины было слишком низким, то вблизи нити накала возник бы пространственный заряд, который повлиял бы на выходной шум. Для калиброванного генератора необходимо позаботиться о том, чтобы дробовой шум доминировал над тепловым шумом сопротивления пластины трубки и других элементов схемы.
Длинные, тонкие, газоразрядные стеклянные трубки с горячим катодом, оснащенные обычным байонетным креплением лампочки для нити накала и верхним колпачком анода , использовались для СВЧ -частот и диагональной вставки в волновод . [7] Они были заполнены чистым инертным газом, таким как неон , поскольку смеси делали выход зависимым от температуры. Их напряжение горения было ниже 200 В, но они нуждались в оптической подпитке (предварительной ионизации) 2-ваттной лампой накаливания перед зажиганием скачком анодного напряжения в диапазоне 5 кВ.
Для более низких частотных шумовых полос использовались лампы накаливания, заполненные неоном. Схема была похожа на схему для импульсов типа «спайк/игольчатый» .
Один миниатюрный тиратрон нашел дополнительное применение в качестве источника шума, когда работал как диод (сетка, связанная с катодом) в поперечном магнитном поле. [8]
Другая возможность — использование тока коллектора в транзисторе. [ необходимо разъяснение ]
Обратно-смещенные диоды при пробое также могут использоваться в качестве источников дробового шума. Диоды регулятора напряжения распространены, но существуют два различных механизма пробоя, и они имеют различные шумовые характеристики. Механизмы — эффект Зенера и лавинный пробой . [9]
Эффект Зенера в первую очередь проявляется в диодах с обратным смещением и переходах база-эмиттер биполярных транзисторов , которые пробиваются ниже примерно 7 вольт. Пробой происходит из-за внутренней полевой эмиссии, поскольку переходы тонкие, а электрическое поле высокое. Пробой типа Зенера — это дробовой шум . Угол мерцающего шума ( ) может быть ниже 10 Гц. [10]
Шум, создаваемый стабилитронами, представляет собой простой дробовой шум.
При пробивных напряжениях более 7 вольт ширина полупроводникового перехода больше, а первичный механизм пробоя — лавина. Выходной шум более сложен. [10] Избыточный шум (т. е. шум сверх простого дробового шума) возникает из-за лавинного умножения.
Для генераторов шума с более высокой выходной мощностью необходимо усиление. Для генераторов широкополосного шума такое усиление может быть труднодостижимым. Один из методов использует лавинное умножение в пределах того же барьера, который генерирует шум. В лавине один носитель сталкивается с другими атомами и выбивает новых носителей. Результатом является то, что для каждого носителя, который начинает преодолевать барьер, синхронно прибывает несколько носителей. Результатом является широкополосный источник высокой мощности. Обычные диоды могут использоваться при пробое.
Лавинный пробой также имеет многоуровневый шум. Выходная мощность шума случайно переключается между несколькими выходными уровнями. Многоуровневый шум выглядит как мерцающий ( ) шум. Эффект зависит от процесса, но его можно минимизировать. Диоды также могут быть выбраны для низкого многоуровневого шума. [10]
Коммерческим примером генератора шума на основе лавинного диода является Agilent 346C, охватывающий диапазон от 10 МГц до 26,5 ГГц. [11]
Источники волновода 347A представляют собой аргоновые газоразрядные трубки, тщательно смонтированные в волноводных секциях для частот от 3,95 до 18 ГГц. Модель 349A также использует аргоновую трубку в коаксиальной конфигурации для частот от 400 до 4000 МГц.
