В качестве первичных источников шумов в радиоэлектронной аппаратуре наиболее широко применяются газоразрядные шумовые приборы, которые по сравнению с другими источниками обладают высоким уровнем шумов, большой равномерностью спектральной характеристики, широким диапазоном частот, удобством в эксплуатации и достаточной надежностью. Эти приборы способны перекрыть диапазон частот от 10 Гц до 3х105 МГц.
Среди газоразрядных приборов для диапазона видеочастот наиболее применимы газоразрядные шумовые диоды, помещаемые в поле постоянного магнита. Такие источники шумов применяются в измерительных устройствах в качестве калиброванных генераторов шумовых сигналов; в аппаратуре физических исследований в качестве источника "белого" шума и т. д.
История разработки
Конструкция и принцип работы
Основные параметры
Схема включения
Образцы диодов
Свойство газоразрядных приборов генерировать шумы известно давно. Лангмюр и Танке еще в 1928 г. исследовали колебания в плазме. Они обнаружили колебания в ионизованных газах в диапазоне от 0,5 до 1000 МГц. Высокочастотные колебания были объяснены ими как колебания электронов в плазме, низкочастотные как колебания положительных ионов.
Начиная с 30-х годов для генерации шума в низкочастотном диапазоне начали применять различные серийные ионные приборы - индикаторы тлеющего разряда, стабилитроны, тиратроны и газотроны - помещаемые в поле постоянного магнита. Однако общим принципиальным недостатком таких решений были: склонность к самовозбуждению, резкая зависимость параметров от положения магнита, большой разброс параметров от лампы к лампе. Всё это значительно сужало область применения серийных газоразрядных приборов в качестве источника шума.
В 1949 г. в СССР были исследованы шумовые свойства тиратронов типов ТГ1-0,1/0,3 и ТГ1-0,1/1,3. Было установлено, что в отсутствие магнитного поля спектр шумов тиратронов ТГ1-0,1/0,3 лежит в пределах от низких звуковых частот до частот порядка 1 МГц. На фоне шумов обнаруживались периодические колебания, частота которых меняется от лампы к лампе в пределах от 0,5 до 1,5 МГц. Тиратрон ТГ1-0,1/1,3 позволял получить равномерный спектр шумов в пределах 1—2 МГц. Основными недостатками релейных тиратронов типов ТГ1-0,1/0,3 и ТГ1-0,1/1,3 как источников шумов является большой разброс спектральных характеристик для различных экземпляров.
В 1952 г. был разработан специализированный газоразрядный источник шумов типа ТГ1П, работающий в поле постоянного магнита и представляющий собой лампу в пальчиковом оформлении с накаленным оксидным катодом, наполненную гелием при давлении 2 мм рт. ст. Лампа имела триодную конструкцию: сетка с поперечной щелью имела потенциал катода. Лампа предназначалась для работы в диапазоне 0,16—3 МГц. Газоразрядный источник шумов типа ТГ1П триодной конструкции имел, однако, ряд недостатков, а именно: значение спектральной плотности шумов в диапазоне 0,16—3 МГц резко зависело от режима работы лампы, в особенности при изменении напряжения накала, во многих образцах генераторов шумов в области ниже 160 кГц наблюдались регулярные колебания. Эти колебания, накладываясь на шумы, изменяли структуру шума. В связи с этим в 1956 г. изменили конструкцию и технологию изготовления прибора. Из лампы была изъята сетка и в ней осталось только два электрода: подогревный катод и анод. Давление гелия в лампе было снижено до 1 мм рт. ст. При этом регулярные колебания перестали наблюдаться, а спектральные характеристики стали стабильными при колебаниях напряжения накала. Интегральное эффективное напряжение шумов и минимум спектральной плотности шумов возросли в несколько раз. Эта лампа стала первым отечественным серийным прибором такого типа.
Дальнейшие разработки шумовых диодов были выделены в обособленную группу и получили наименование ГШ-1хх (аналогично шумовым трубкам, но с трехзначными номерами).
1 — анод (цилиндрический); 2 — катод (цилиндрический) косвенного
накала; 3 — керамические изоляторы; 4 — колба; 5 — цилиндрический магнит
Газоразрядные шумовые диоды представляют собой пальчиковую лампу, которой придан постоянный магнит. Катод лампы оксидный, подогревный. Конструкция электродов лампы аксиальная — цилиндрический анод и катод. Аксиальная конструкция обеспечивает независимость параметров прибора от положения магнита при его повороте вокруг лампы. Лампа наполняется гелием до давления 1 мм рт, ст. или водородом до 0,2—0,4 мм рт. ст.
Механизм возникновения шумов в газоразрядных шумовых диодах, помещенных в поперечное магнитное поле, очень сложен и изучен далеко не достаточно. Наиболее распространена следующая гипотеза.
Если из-за случайных причин (например, из-за уменьшения концентрации положительных ионов) увеличивается падение напряжения на приборе, то начинает возрастать скорость электронов и увеличивается вероятность ионизации при их соударениях с нейтральными атомами. В результате нарастает концентрация положительных ионов в разрядном промежутке. Ионы, приходя к катоду, частично компенсируют отрицательный пространственный заряд у катода, облегчая тем самым дальнейший выход электронов и увеличивая анодный ток. Возрастание анодного тока и связанное с ним уменьшение падения напряжения на приборе вызывает уменьшение вероятности ионизации и стабилизирует концентрацию ионов. Так как движение ионов и процесс их образования являются процессами инерционными, то при некоторых условиях возможно возникновение колебаний падения напряжения на приборе. Такой механизм колебаний напоминает колебательные процессы в системе автоматического регулирования с жесткой обратной связью.
При случайных возмущениях интенсивность шума будет невелика. Обычно колебания (или шумы) плазмы имеют сравнительно большие интенсивности в переходных режимах (при зажигании или при погасании разряда) или при наличии постоянных возмущений. Источником таких возмущений может служить поперечное магнитное поле, вызывающее циклотронные колебания заряженных частиц.
К основным параметрам
газоразрядных шумовых диодов, помещенных в магнитное поле, относятся следующие:
— спектральная характеристика шумов;
— спектральная плотность шумов (СПШ);
— неравномерность спектральной характеристики шумов;
— ширина спектра;
— вероятностная характеристика шумов;
— эффективное интегральное напряжение шумов;
— пиковое напряжение шумов;
— мощность шумов;
— коэффициент асимметрии.
Зависимость СПШ от нагрузки у газоразрядных шумовых
диодов совершенно отличается от той зависимости, которую имеют
вакуумные шумовые диоды
и фотоумножители. Если для всех генераторов шумов СПШ по всему диапазону связана
линейной зависимостью с нагрузкой, то для газоразрядных шумовых диодов зависимость
СПШ от нагрузки на разных частотах имеет различный характер. В области низких частот
до 1,0—1,5 МГц при изменении нагрузки от 100 до 2000 Ом СПШ достигает определенной
величины, которая при дальнейшем изменении нагрузки почти не меняется. При меньших
нагрузках, чем 100 Ом, лампа генерирует релаксационные колебания в диапазоне низких
частот, которые с ростом нагрузки уменьшаются. При нагрузке 300—400 Ом они исчезают
совсем, подъем СПШ на частотах 0,02—0,05 МГц при малых нагрузках вызывается
указанными релаксационными колебаниями. Что касается частот от 1,5 до 4—5 МГц,
то для них подобное насыщение СПШ наступает при нагрузках 2—3 кОм, для частот выше
5 МГц — при нагрузках более 3 кОм.
Следует отметить также, что нагрузочное сопротивление генератора шумов
необходимо брать безындукционным (типа МЛТ,
ВС и др.). Сравнение спектральных
характеристик, снятых на резисторе типа ВС и на проволочном резисторе типа
ПЭ
(одинаковых по величине), показало, что характеристики имеют различный вид вследствие
возникающих при использовании резисторов типа
ПЭ резонансных явлений. Неравномерность
спектра с безындукционным резистором меньше, чем с тем, который обладает собственной
индуктивностью.
Зависимость СПШ от величины емкости, шунтирующей нагрузку, также нелинейна. С увеличением шунтирующей емкости с 10 до 60 пф неравномерность спектральной характеристики увеличивается, пиковое напряжение шумов при этом падает на 10—20%. Объясняется это тем, что при увеличении шунтирующей емкости снижается величина комплексного нагрузочного сопротивления, причем тем сильнее, чем выше частота. Уровень шумов на высоких частотах при этом понижается, и неравномерность увеличивается. За счет снижения шумов на высоких частотах пиковое напряжение шумов падает. Исходя из этой зависимости, необходимо, чтобы генератор шума работал на лампу, у которой входная емкость не превышает 10—15 пФ.
Зависимость СПШ от величины тока анода характеризуется следующим образом: значение СПШ в основной части рабочего диапазона частот с увеличением тока (типовые величины от 10 до 35 мА) первоначально увеличивается приблизительно в два раза. При дальнейшем росте тока вплоть до 100 мА СПШ в этой части характеристики меняется незначительно. Кроме того, при увеличении тока анода возрастает скорость распыления катода и резко снижается надежность и долговечность приборов. Учитывая эту зависимость, а также необходимость получения наибольшей долговечности, рекомендуется использовать шумовые диоды в своем рабочем диапазоне при токе не более 35 мА.
Зависимость СПШ от частот при различной величине напряжения накала выглядит следующим образом - значение СПШ в рабочем диапазоне с увеличением напряжения накала от номинального значения незначительно уменьшается, а при уменьшении напряжения накала увеличивается. Опыт эксплуатации и испытаний ламп на долговечность показывает, что длительная работа при предельных значениях напряжения накала приводит к сокращению долговечности и надежности приборов.
Газоразрядные шумовые диоды в аппаратуре используются обычно с активной нагрузкой в цепи анода. Включение в анодную цепь диода комплексной нагрузки позволяет снизить неравномерность спектральной характеристики генератора шумов по сравнению с неравномерностью спектральной характеристики, полученной у генератора с активной нагрузкой.
Комплексная нагрузка состоит из резистора, зашунтированного цепочкой, соединенных последовательно резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Величина L катушки выбирается такой, чтобы совместно с паразитной емкостью Сп (выходная емкость генератора шумов, паразитная емкость катушки и емкость последующего каскада) образовывала контур с резонансной частотой, равной приблизительно предельной частоте диапазона. Величина емкости С выбирается такой, чтобы совместно с индуктивностью она составила контур с резонансной частотой, разной частоте максимума на спектральной характеристике шумов. При этом всегда С>>Сп. Значение сопротивления R подбирается экспериментально при настройке таким образом, чтобы получить необходимое срезание горба спектральной характеристики шумов.
Действие такого комплексного сопротивления сводится к следующему. Поскольку С>>Сп, то емкость С на верхних частотах верхнего диапазона может быть исключена. Тогда Сп и L образуют параллельный колебательный контур, включенный параллельно резистору Rа (он служит для пропускания постоянной составляющей тока лампы). Значение СПШ зависит от величины нагрузки в цепи анода и растет при ее увеличении.
В связи с использованием комплексной нагрузки сопротивление в цепи анода становится больше, чем оно было при отсутствии контура, поскольку эквивалентное сопротивление контура в Q раз (Q — добротность контура из RLCn) больше сопротивления емкости Сп на этой частоте. На частоте ниже резонансной сопротивление контура имеет также достаточную величину, так как сопротивление Rа загрубляет резонансные свойства контура, увеличивая его сопротивление на частотах, расположенных по обе стороны от резонансной частоты. Это дает возможность иметь спектральную характеристику на верхних частотах с достаточным уровнем СПШ.
ТГ1П
ГШ-101
ГШ-102
ГШ-103
ГШ-104
Источники:
1. Черепанов В.П., Коневских В.М., Львов В.Н. Газоразрядные источники шумов. М., Изд-во "Советское радио", 1968.
