Для практики радиоизмерений представляет интерес термостабильный генератор типа излучателя белого шума, т. е. генератор, сохраняющий постоянство спектральной плотности излучения в достаточно широком частотном диапазоне с независящей от температуры шумовой мощностью. Следует отметить, что источников чисто “белого шума” в природе не существует, поскольку такой сигнал имел бы бесконечно большую мощность. Примером генератора типа источники “белого шума” может служить полупроводниковый диод-стабилитрон, излучающий в режиме лавинного электрического пробоя. В работе [1] показано, что если ток диода I предполагается заданным (диод питается от источника тока), то дифференциальное сопротивление его p-n перехода может быть представлено в виде:
(1)
где первое слагаемое R0, называемое лавинным сопротивлением, определяется электрическими процессами в p-n переходе при неизменной температуре, а второе слагаемое учитывает тепловые эффекты при неизменном токе. Равенство (1) справедливо также при “комнатной” температуре, когда обратным током диода IS можно пренебречь по сравнению с лавинным током I. Температура p-n перехода, пропорциональна мощности питания диода и определяется как:
(2)
где RT — тепловое сопротивление диода с размерностью (град/ВТ), зависящее от условий теплоотвода и элементов конструкции диода. Само напряжение пробоя Uпр(T) зависит от температуры Т линейно в широком интервале температур (от -100 до +100 оС) и определяется выражением:
(3)
c температурным коэффициентом b ≈ 10–3 град-1.
С учётом (1) и (2) равенство (1) приобретает вид:
(4)
где Uпр(T0) напряжение пробоя p-n переходе, которое соответствует началу излома ВАХ.
Дифференциальное сопротивление R0 зависит от структуры и материала p-n перехода (Ge, Si, AIII, BV). Оно может быть рассчитано для случаев резкого (сплавного) и плавного (диффузионного) p-n переходов. На рис.1 показана типичная обратная ветвь ВАХ лавинного диода, снятая по точкам.
Рис. 1.
При медленном изменении напряжения обратного смещения, а, следовательно, и тока, таким образом, что его изменение за время тепловой релаксации незначительно, то температуру p-т перехода в каждый момент времени согласно (2) определяется мгновенным значением тока и значением Uпр(Т), которое при измеренном Uпр(Т0) может быть подсчитано по (3). Соотношение (2) позволяет не только контролировать температуру p-n перехода, но и даёт возможность его термостабилизации. Действительно, допустим температура окружающей среды повысилась на величину (Т — Т0). При неизменном I это приводит к увеличению Uпр(Т), а, следовательно, и температуры p-n перехода. Но если компенсировать увеличение Uпр(Т) соответствующим уменьшением тока диода I, то температура самого p-n перехода остаётся неизменной, что, во-первых, предотвращает перерастание электрического пробоя в тепловой, а во-вторых стабилизирует уровень шумовой мощности диода. Величина теплового сопротивления диода KT находится следующим образом. Вначале по данному типу диода определяется его лавинное сопротивление R0. Измеряется тангенс угла наклона ВАХ и находится дифференциальное сопротивление 
. По найденному Rпр из (4) определяется RT.
Для реализации данной идеи был спроектирован источник тока для генератора шума на основе известного источника тока, управляемого напряжением с использованием операционных усилителей. Принципиальная схема установки приведена на рис. 2.
Рис. 2.
Температурная стабилизация осуществляется следующим образом. При изменении температуры в диагонали измерительного моста, содержащего шумовой диод D1, выделяется напряжение разбалансировки.
Фильтр, собранный на дросселе L1 и конденсаторе С1, блокирует проникновение шумового напряжения на вход дифференциального усилителя DA1. С помощью подстроечного резистора R16 подбирается режим работы схемы для необходимой термостабилизации выходного напряжения. Стендовые испытания показали, что при изменении температуры шумового диода D1 от 20 до 150 оС, шумовое выходное напряжение изменялось в пределах десятых долей процента. К выходу эмиттерного повторителя T2 нагруженного образцовым резистором подключен декадный аттенюатор. Тем самым осуществляется глубокая регулировка выходного напряжения.
Выводы:
разработан прецизионный генератор шума с термостабильным выходным напряжением на согласованной нагрузке;
предложено принципиально иное решение вопроса температурной стабилизации шумового напряжения без внешних термодатчиков;
предложенная идея термостабилизации генератора шума может быть использована в СВЧ диапазоне на лавинно-пролётных диодах;
термостабильные генераторы шума в широком диапазоне частот могут быть использованы для калибровки радиометрических приёмников и антенных систем в радиоастрономических измерениях.
Литература:
- А. С. Тагер, В. М. Вальд-Перлов. Лавинно-пролётные диоды и их применение в технике СВЧ. Москва. «Радио»,2003.
- Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в 2-х томах.Москва: Издательство «Мир». Редакция литературы по информатике и электронике, 2006.
- Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник. В 3 томах. Том 4, дополнительный, Черепанов В. П. Издательство «Питер». 2014.
4 Pendergrass, N., Farnbach, J., «A High Resolution, Low Frequency Spectrum Analyzer», Hewlett-Packard Journal, September 2008.
