Шумовые диоды

При исследовании помехоустойчивости электронных систем, измерении характеристик усилителей и иных приборов нередко возникает задача генерации шума с заранее известными свойствами. Теоретически, такие измерения можно проводить с любым источником сигнала - шумит в этом мире всё. Но на практике в подавляющем большинстве случаев применяются специальные генераторы шума.

Работа любого генератора шума основана на пропорциональной зависимости мощности шумов от величины постоянного тока, протекающего по какому-либо шумовому элементу (источнику шумов). В качестве такого элемента, в принципе, можно взять обычное сопротивление. Однако флуктуация тока, протекающего через сопротивление, по своей амплитуде незначительна, поэтому такой вариант для практических целей непригоден. Обычно в качестве шумовых элементов используют различные полупроводниковые диоды, газоразрядные приборы, ламповые шумовые диоды и т. д.

Именно о вакуумных шумовых диодах я и хочу здесь рассказать.

Правильно используемый шумовой диод является лучшим генератором шума на частотах, где еще не сказываются высокочастотные погрешности, вплоть до 300-400 мегагерц. НЧ граница для шумового диода определяется фликкер-эффектом в нем и находится в районе 1000 герц для диода с торированным вольфрамовым катодом и еще ниже для диода с чисто вольфрамовым катодом.

Для получения напряжения помех в шумовых диодах используется явление дробового эффекта - неравномерного во времени вылета электронов с поверхности накаленного катода. Энергия шума дробового эффекта равномерно распределена по частотному спектру, мощность шума пропорциональна полосе частот, в которой этот шум измеряется. Если диод работает в режиме насыщения, его располагаемая шумовая мощность известна и регулируема. Она ограничена допустимой мощностью рассеяния (попытки увеличить последнюю снижают верхний предел частоты).

Конструктивно шумовой диод мало отличается от обыкновенного диода. Однако получение максимального напряжения флюктуации в обыкновенном диоде затруднено наличием так называемого пространственного заряда, который образуется вблизи катода из облака электронов при избыточной эмиссии с катода. Облако электронов стабилизирует ток анода и тем самым уменьшает ток флюктуации.

Пространственный заряд уничтожается при переходе к режиму насыщения. Для этого анодное напряжение поддерживается достаточно высоким, а эмиссия с катода уменьшается путем понижения температуры катода. Все излученные электроны достигают анода, ток диода становится стабильным и между напряжением дробового эффекта и полным током диода устанавливается устойчивое соотношение.

Режим насыщения характеризуется постоянством тока анода при изменении анодного напряжения в определенных пределах. Начиная с некоего значения анодного напряжения (обычно это около 100 В) линия графика анодного тока идет почти параллельно линии координат анодного напряжения. Следовательно, при проектировании схемы шумового генератора анодное напряжение следует выбрать с запасом порядка 25 В для исключения возможности выхода диода из режима насыщения в случае понижения питающего напряжения (например, при колебаниях сетевого напряжения). На рисунке представлено семейство анодных характеристик при трех различных напряжениях накала:

Регулировка анодного тока производится изменением напряжения (либо тока) накала диода, так как с изменением тока накала изменяется температура катода, а значит, и число "выброшенных" катодом электронов. Изменение тока эмиссии с изменением напряжения накала должно происходить практически мгновенно, в противном случае возможно появление ошибок при измерении. Этим требованиям наилучшим образом соответствуют прямонакальные катоды из чистого или торированного вольфрама. У последних режим насыщения достигается уже при относительно низком анодном напряжении порядка 100-150 В.

Дробовый шум имеет равномерный спектр до чрезвычайно высоких частот. Однако из-за наличия шунтирующей емкости, составленной межэлектродной емкостью анод-катод, а также емкостью между выводами, в реальном шумовом диоде граница генерируемого спектра лежит обычно в пределах 300-400 МГц. В шумовых генераторах для компенсации влияния шунтирующих емкостей часто параллельно выходу включают индуктивность, образующую совместно с шунтирующими емкостями параллельный колебательный контур, настроенный на рабочую частоту. При конструировании самих шумовых диодов стараются уменьшить межэлектродные емкости, выводы электродов делают минимально короткими и разносят их возможно дальше друг от друга. Подобные меры позволяют снизить значение шунтирующей емкости до нескольких десятых долей пикофарады.

Единственным значимым недостатком вакуумных шумовых диодов является малый уровень спектральной плотности шумов, который заметно ниже, чем у практически всех остальных вакуумных и газоразрядных источников шума.

2Д2С
2Д7С

домой