Генераторы белого шума на обратносмещённом переходе
стабилитрона или транзистора

Простые схемы аналоговых источников шума с равномерной спек- тральной плотностью в широком диапазоне частот (1 Гц...100 МГц)

Современные и "продвинутые" способы генерации белого шума по большей части основаны на применении цифровых методов формирования псевдослучайных последовательностей посредством сдвиговых регистров, охваченных обратной связью. Этот метод, с одной стороны, накладывает повышенные требования на быстродействие применяемых цифровых ИМС, а с другой, не так прост в исполнении, как хотелось бы.

В данной же статье мы опишем чисто аналоговые решения генераторов белого шума, основанные на легкодоступных и дешёвых компонентах, и которые, при желании, можно самостоятельно изготовить хоть на коленке, хоть на макетной плате, хоть навесным монтажом.

Не вдаваясь в теоретические дебри, давайте примем за истину тот факт, что в обратно смещённых полупроводниковых приборах при работе вблизи области лавинного пробоя наблюдается генерация шумов. Опять же широко известно в узких кругах, что хорошим источником широкополосного шума является стабилитрон. Распространены также и источники шума, выполненные на обратносмещенном переходе база-эмиттер транзистора.
Ещё один постулат, который придётся взять на веру, заключается в том, что стабилитроны с напряжением пробоя ниже 7 В производят в основном дробовой шум, а с напряжением выше 7 В – в основном лавинный. Как показывает практика, лавинный режим работы стабилитрона обеспечивает более мощный и равномерный спектр шума, именно поэтому в "правильных" источниках информации в основном используются 9...12-вольтовые стабилитроны, хотя при отсутствии возможности обеспечить высокое напряжение питания вполне можно использовать и приборы с напряжением пробоя 5,6...6,8 В.

Вот что пишет в своей книге один из известных специалистов в области аналоговой и радиочастотной радиотехники Ian Hickman:
«Собственные шумы стабилитрона лавинного пробоя имеют спектр, близкий к спектру белого шума. В стабилитронах на напряжение 9…12 В уровень шума достаточно высок для того, чтобы его можно было использовать для целенаправленной генерации шума. Частотный диапазон такого генератора определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. Уровень шума конкретного стабилитрона мало предсказуем и может быть определён только опытным путём. Отдельные ранние серии стабилитронов отличались особо высоким уровнем шума, но по мере совершенствования технологии их вытеснили малошумящие приборы. Поэтому в серийных изделиях более оправдано применение не стабилитронов, а высокочастотных биполярных транзисторов в обратном включении, например, разработанного ещё в 1960-е годы транзистора 2N918 — спектр его шума простирается до 1 ГГц».

Базовой основой генератора шума является схема, приведённая на Рис.1.
Переменный резистор позволяет изменять ток, протекающий через обратносмещённый стабилитрон, и за счёт этого в некоторых пределах регулировать амплитуду, а также спектральный состав шума.

Рис.1 Базовая схема генератора белого шума

Значение среднеквадратичного напряжения шумового сигнала на выходе при использовании стабилитрона на 10...12 В и высокоомной нагрузки может достигать 10...30 милливольт.

Однако пора переходить к практическим схемам.

1. Простой генератор белого шума (Журнал "Silicon Chip", January, 2005)



Рис.2 Схема простого генератора белого шума

«У этого двухтранзисторного генератора белого шума есть особенность – шум примерно на 30 дБ больше, чем у более традиционных моделей.

Транзисторы Q1 и Q2 могут быть любыми малосигнальными транзисторами с коэффициентом усиления до 400. Обратносмещенный переход эмиттер-база Q1 представляет собой источник шумового сигнала, который подается на базу Q2. Увеличенный выходной уровень шумового сигнала связан с включением конденсатора C1, который обладает очень низким импедансом для переменного сигнала, не воздействуя на смещение транзистора Q1 по постоянному току.

Q2 – это простой усилитель с коэффициентом усиления 45 дБ. Введение обратной связи по постоянному току делает этот каскад устойчивым к колебаниям напряжения источника питания.

К сожалению, схема (из-за C1) обладает очень высокой чувствительностью к пульсациям питания».

Комментарий Vpayaem.ru:
1. Чувствительность к пульсациям источника питания можно значительно сократить, перекинув верхний вывод С1 с питания на землю.
2. Номинал резистора 4.7 кОм, скорее всего, придётся подобрать, с целью получения напряжения на коллекторе Q2, близкого к половине напряжения источника питания.

Приведённая выше схема не совсем удачна, так как ток через обратносмещённый переход Q1 равен току базы транзистора Q2 и может оказаться слишком низким и, как следствие, не вполне оптимальным с точки зрения амплитуды и спектрального состава шумового сигнала.
Указанного недостатка лишена следующая конструкция генератора белого шума, приведённая в одной из своих книг Ньютоном С. Брага.

2. Генератор белого шума (ART078) (Ньютон С. Брага http://incbtech.com)



Рис.3 Принципиальная схема генератора белого шума

«Тепловой шум в полупроводниковом переходе (Q1) усиливается схемой и может использоваться в экспериментах как источник несущего или фонового шума.
В качестве источника белого шума можно использовать любой кремниевый диод, например 1N4148 или 1N914, или переход любого кремниевого NPN-транзистора общего назначения, например 2N2222, BC547, BC548, 2N3904 и т. д.

Замыканием переключателя (S1) можно изменять спектральный состав шума, превращая схему в генератор «розового шума». Как упоминалось ранее, разница между этими двумя видами шума заключается в том, что белый шум имеет постоянную амплитуду вдоль всего частотного спектра, тогда как розовый шум имеет амплитуду, уменьшающуюся с частотой.

Транзистор Q2 используется для увеличения амплитуды шума, действуя как усилитель. Коэффициент усиления определяется резисторами R3 и R4.

Схема не критична к монтажу. Вы можете установить её на печатную плату, клеммную колодку или даже на плату без фольги. На Рис.4 показан макет печатной платы, которую можно использовать для монтажа этой схемы.



Рис.4 Печатная плата схемы генератора белого шума

Источником питания может служить элемент 9 В или восемь элементов АА (12 В). Наилучшие результаты обычно получаются при напряжении питания 12 В, в зависимости от транзистора, используемого в качестве источника шума».

На самом деле, все эти транзисторные усилительные каскады с общим эмиттером имеют довольно низкое входное сопротивление, которое шунтирует сигнал, поступающий с обратносмещённого полупроводника, находящегося в допробойном режиме и, соответственно, имеющего высокий импеданс. Бережно сохранить генерируемый шумовой сигнал поможет либо полевой транзистор, либо ОУ с высоким входным сопротивлением. Причём подавать сигнал со стабилитрона надо не на инвертирующий вход, как это происходит в большинстве гуляющих по сети конструкций, а на неинвертирующий, т. к. именно он имеет высокое и не зависящее от усиления входное сопротивление.
Именно такое построение генератора белого шума предложил американский инженер компании "AnalogHome" Steve Hageman.

3. Источник белого шума с равномерным спектром (1Гц...100кГц)
(Steve Hageman, https://www.edn.com)


Рис.5 Генератор белого шума с равномерным спектром (1Гц...100кГц)

«В своей конструкции в качестве источника шума я использовал проверенный временем 12-вольтовый стабилитрон. Мои исследования показали, что эти диоды имеют мощный и равномерный спектр шума и хорошо работают при сильно разряженных батареях 9 В, которые были использованы в схеме.
Собственный шум выбранного стабилитрона при питании его напряжением 18 В через резистор 1 МОм составляет примерно 20 мВ с.к.з. Пиковое значение примерно в пять раз больше и находится в пределах 100 мВ.

На стабилитрон через резистор 1 МОм подано обратное напряжение 18 В от двух последовательно включённых 9-вольтовых батарей. Микросхема LF412 питается напряжением ±9 В, средняя точка которого взята от точки соединения батарей. Небольшой входной ток и малое напряжение смещения позволяют обойтись без разделительных конденсаторов, т. к. постоянная составляющая напряжения на выходах отличается от уровня «земли» на единицы милливольт.

Шум стабилитрона последовательно усиливается с помощью ОУ U1A и U1B до пиковых уровней примерно 1 В и 10 В. Если этих величин окажется слишком много, то резисторы R8 и R9 можно использовать для создания делителя напряжения, чтобы снизить уровень шума до любого желаемого значения.



Рис.6 Спектральная диаграмма шума в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц

На Рис.6 показана результирующая шумовая характеристика схемы, как можно увидеть, практически равномерная в полосе частот от 1 Гц до 100 кГц. Небольшой спад АЧХ на выходе х100 в районе 100 кГц составляет менее 0.5 дБ и, при необходимости, может быть скомпенсирован соответствующей частотно-зависимой коррекцией усиления U1B.
Схема потребляет всего 4 мА и надежно работает даже с разряженными до 7 В батареями».

Как уже было написано, частотный диапазон генератора шума определяется полосой пропускания усилителя напряжения и может простираться до сотен МГц. Однако не всё так просто! Высокое дифференциальное сопротивление "непробитого" стабилитрона в совокупности со входной ёмкостью усилителя создаёт ФНЧ, ослабляющий высокие частоты. Поэтому, если нам требуется получить равномерный спектр шумового сигнала, простирающийся до десятков-сотен мегагерц, то, хочешь не хочешь, но приходится переходить в режим пробоя. В данном режиме дифференциальное сопротивление стабилитрона (обратносмещённого перехода транзистора) падает до величины, составляющей для различных приборов от единиц до сотни oм.

А теперь давайте посмотрим, как видит возможность создания широкополосного генератора белого шума производитель микросхем MAXIM. Приведённая ниже схема засветилась в одном из "App Notes" на микросхему MAX2650, а также в выпуске журнала Electronica за сентябрь-октябрь 2004.

4. Создание недорогого генератора белого шума (1 Гц до 100 МГц)


Рис.7 Схема широкополосного генератора белого шума от 1 Гц до 100 МГц

«Аннотация: Реализована конструктивная идея генератора белого шума. Два малошумящих усилителя (МШУ) в каскаде усиливают шум, создаваемый стабилитроном с обратным смещением, работающим в режиме пробоя перехода, создавая белый шум с полосой пропускания в несколько сотен мегагерц.

Схема генератора белого шума реализована на 2-х платах, одна для стабилитрона, другая для ИМС MAX2650. MAX2650 — это широкополосный малошумящий усилитель с коэффициентом усиления 19 дБ, работающий от постоянного тока до 1 ГГц.

Сводка результатов испытаний:
1. Выходная мощность шума в основном определяется напряжением пробоя диода. Я использовал стабилитроны с напряжением пробоя 4 В (1N749), 5,1 В (1N751), 5,6 В (1N752), 7,5 В (1N755) и до 12 В (1N759). Мощность шума, создаваемого стабилитроном 12 В, по крайней мере на 15–20 дБ выше, чем мощность шума, создаваемого стабилитроном 5 В.
2. Даже со стабилитроном на 12 В коэффициент усиления MAX2650 в 20 дБ недостаточен для получения мощности шума выше -60 дБм. Нам нужно как минимум два усилителя для усиления 38...40 дБ.
3. Амплитуда шума практически не зависит от тока стабилитрона. С помощью потенциометра ток диода может варьироваться от 5 мА до 100 мА. В этом диапазоне тока мощность шума изменяется довольно случайным образом в пределах ±1 дБ. Похоже, что в явлениях пробоя стабилитрона лавинный шум преобладает над другими источниками шума, такими как дробовой шум (который пропорционален току), мерцающий шум и тепловой шум.
4. Спектр частоты/мощности выходного шума не является идеально ровным в широком диапазоне частот. Как видно из результатов испытаний на Рис.8, в диапазоне от 1 МГц до 100 МГц мощность шума падает почти на 10 дБ. Это может быть связано с более высоким внутренним затуханием высокочастотных компонентов усилителей.



Рис.8 Выходной спектр широкополосного генератора белого шума

На Рис.8 нижняя кривая представляет собой минимальный уровень шума прибора (измеренный, когда все выключено). Вторая кривая снизу — выходной шум MAX2650 при выключенном диоде. Две верхние кривые представляют собой спектр выходного шума при токе стабилитрона 10 мА и 60 мА соответственно».

На самом деле, использование дефицитных MAX2650 в данной схеме не является таким уж необходимым, усилитель вполне можно выполнить на любых СВЧ компонентах. А для того чтобы иметь возможность снизить его чрезмерное усиление, воспользоваться параллельным соединением стабилитронов (транзисторов), что будет способствовать увеличению мощности их совокупного шумового сигнала (Рис.9).


Рис.9 Параллельное соединение транзист. для повышения мощности шума