Электротехника радиотехнические схемы

Генераторы шума на полупроводниковых приборах

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.

Лавинно-пролетные диоды имеют резкую зависимость полного сопротивления /?-и-перехода в рабочем режиме от частоты и тока диода. Это затрудняет согласование диода с высокочастотным трактом в широкой полосе частот.

При создании генераторов шума на ЛПД эти особенности учитываются соответствующим выбором тока диода, коэффициента передачи, напряжения пробоя и прочее.

Генераторы шума на ЛПД перекрывают дециметровый и сантиметровый диапазоны волн. Они могут работать как в режиме непрерывных колебаний, так и в режиме импульсной модуляции при длительности импульсов от нескольких долей микросекунд и более.

Отечественные низкочастотные генераторы шумов обозначаются как Г2, работают в диапазоне от 20 Гц до 10 МГц и вырабатывают мощность до 5 Вт. СВЧ-генераторы имеют высшую частоту рабочего диапазона до 37 ГГц, и как и генераторы гармонических колебаний, выполняются однодиапазонными с малым перекрытием по частоте. Обозначаются шумовые СВЧ-генераторы так же как и низкочастотные — Г2.

В качестве преобразователей спектра в шумовых генераторах применяются усилители, фильтры, ограничители, генераторы перестраиваемой частоты — в зависимости от того, какое преобразование шума требуется. Так, применив в качестве преобразователя фильтр с определенным коэффициентом передачи, можно получить из генератора белого шума генератор стационарного случайного процесса со спектральной плотностью мощности, изменяющейся по заданному закону в определенном диапазоне частот. Основным элементом выходного устройства генератора служит калиброванный аттенюатор, обеспечивающий одинаковый коэффициент деления мощности по всей полосе частот шума. Для контроля уровня выходной мощности в схему генератора встраивается вольтметр среднего квадратического значения.

!!!МАТЕРИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ (учить наизусть, как армейский Устав)

Низкочастотный генератор шума (Г2-47) строится по схеме прямого усиления шумовых сигналов, получаемых от полупроводникового диода в диапазоне 0—20 кГц. Усиление сигнала осуществляется транзисторными усилителями, между которыми включены полосовые фильтры, формирующие поддиапазоны частот 250—3500 Гц и 40—12000 Гц. Выходной усилитель мощности с переключаемой обратной связью обеспечивает выход сигнала на нагрузки б, 60 и 600 Ом. Предусмотрен ступенчатый аттенюатор до 100 дБ и вольтметр, шкала которого проградуирована в среднеквадратических значениях напряжения. Неравномерность спектра «белого» шума не более 2 дБ.

Низкочастотный генератор шума (Г2-37), работающий в диапазоне видеочастот (15 Гц — 6,5 МГц), строится на принципе переноса спектра источника шума из области высоких частот в рабочий диапазон методом гетеродинирования. Источник шума — полупроводниковый диод 2Г401Б — вырабатывает шум в диапазоне частот до 80 МГц. Полосовой усилитель с полосой 63—77 МГц соединен со смесителем, на второй вход которого подано напряжение гетеродина, работающего на частоте 70 МГц. В результате на выходе смесителя получаются два сигнала разностных частот, лежащих выше и ниже частоты гетеродина. Частотный диапазон каждого из них 0—7 МГц. Оба сигнала суммируются и поступают на фильтры нижних частот, формирующие рабочие полосы поддиапазонов 0—20 кГц, 0—600 кГц или 0—6,5 МГц. Низкочастотные составляющие 0—1.5 Гц подавляются в последующем видеоусилителе, с выхода которого сигнал поступает на ступенчатый аттенюатор и вольтметр. Выходное сопротивление 50 и 600 Ом. Выходное напряжение регулируется в пределах 3 мкВ — 1 В плавно и ступенями через 10 дБ при внешней нагрузке не менее 10 кОм.

Высокочастотный генератор шума (Г2-32) работает на насыщенном вакуумном диоде типа 2Д2С (рис. ), заключенном в коаксиальную конструкцию, оканчивающуюся разъемом для соединения с нагрузкой. Этот генераторный блок соединен экранированными проводами с блоком питания и управления, в котором размещены стабилизированные источники питания цепи накала Uu и цепи анода диода U&, модулирующий генератор и миллиамперметр, шкала которого градуируется в единицах kT0.

Мощность шума диода , где R — сопротивление резистора нагрузки диода, тепловым шумом которого можно пренебречь. Отсюда следует, что спектральная плотность мощности прямо пропорциональна току эмиссии диода: kT0 = Рш/∆f= 2eIsR = aIs. Пределы регулирования реостатом накала диода выходной спектральной плотности мощности 1—50 kT0. При необходимости уменьшения спектральной плотности между выходом генератора и входом исследуемого устройства включают аттенюаторы коаксиальной конструкции с одним значением ослабления. Выходное сопротивление генератора определяется диаметрами коаксиального разъема и в большинстве случаев равно 75 Ом.

Сверхвысокочастотные генераторы шумовых сигналов работают на газоразрядных трубках. Для частот от 500 МГц до 4 ГГц это генераторы коаксиальной конструкции и с коаксиальными выходными разъемами, для частот выше 4 ГГц — волноводной конструкции. Генератор коаксиальной конструкции (рис., а) представляет собой цилиндрическую металлическую камеру, в центре которой помещается газоразрядная трубка. Вокруг трубки располагается металлическая спираль, охватывающая столб плазмы и являющаяся элементом связи горящей трубки с коаксиальной линией.

Рис.. Генератор шумовых сигналов на газоразрядных трубках

согласующий резистор; 2 — спираль связи; 3 — газоразрядная трубка;

4 — согласующая нагрузка; 5 — предельный волновод

Один конец спирали соединен с поглощающим (согласующим) резистором, 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.

Генератор шума волноводной конструкции представляет собой отрезок прямоугольного волновода (рис. , б) с газоразрядной трубкой, пересекающей его широкую стенку под углом ф = (8—10)°. Такое расположение обеспечивает согласование горящей трубки с волноводом. Один конец отрезка волновода оканчивается стандартным фланцем для подключения внешней согласованной нагрузки, а в другом помещена клиновидная внутренняя согласующая нагрузка. 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.

В качестве образцовых генераторов шума в диапазоне СВЧ применяют тепловые генераторы, работающие при высокой или низкой температуре. Источник шума представляет собой стержневой или клиновидный резистор, помещенный в коаксиальную или волноводную линию, нагреваемый до 460 °С (733 К). При такой температуре спектральная плотность мощности составляет 1•10-20 Вт/Гц. Для обеспечения постоянства температуры резистора применяется термостат с автоматическим управлением. В низкотемпературном генераторе резистор погружается в жидкий азот или гелий; спектральная плотность мощности азотного генератора 1•10-21 Вт/Гц, гелиевого — 1•10-22 Вт/Гц.

Электротехника ТОЭ типовые задания примеры Лабораторные