ГЕНЕРАТОР ШУМА Российский патент 1995 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника шумовых напряжений и токов.

Известны генераторы шума, в которых его создание обусловлено явлениями самопроизвольного динамического хаоса (Дмитриев А.С., Кислов В.Я. Стохастические колебания в радиофизике и электронике. - М.: Наука, 1989). Одной из разновидностей таких генераторов является выбранный в качестве прототипа транзисторный генератор хаотических колебаний, обусловленных инжекционной нелинейностью транзистора, содержащий транзистор, катушку индуктивности, которая включена между базой транзистора и общей шиной, конденсатор, первый вывод которого подключен к общей шине, источник тока, который подключен параллельно конденсатору, нелинейный элемент, первый вывод которого соединен с коллектором транзистора, а второй вывод нелинейного элемента подключен к шине питания источника питания. Недостатком такого генератора является существенная неравномерность энергетического спектра колебаний.

Целью изобретения является уменьшение неравномерности энергетического спектра генерируемого шума.

На фиг. 1-3 представлены электрические схемы предлагаемого генератора шума; на фиг.1 - генератор шума с импульсами выходного напряжения отрицательной полярности; на фиг.2 - генератор шума с биполярным выходным напряжением; на фиг.3 - генератор шума с повышенной мощностью выходного сигнала. На фиг. 4 изображен график энергетического спектра шума предлагаемого генератора.

Устройство (фиг.1) содержит транзистор 1, первую индуктивную катушку 2, конденсатор 3, источник тока 4, вторую индуктивную катушку 5, полупроводниковый нелинейный элемент 6, выполненный в виде диода с р-n-переходом, шину 7 подключения источника напряжения для коллекторного питания, общую шину 8, выходную клемму 9. Предлагаемый генератор подразделяется на две функциональные части: 1) автостохастический генератор, который включает транзистор 1, первую индуктивную катушку 2, конденсатор 3, источник тока 4, а также источник напряжения для коллекторного питания, который подключается между клеммой 7 и общей шиной 8; 2) стохастический преобразователь, который включает вторую индуктивную катушку 5 и диод 6, образующие нелинейный диссипативный колебательный контур (осциллятор).

Генератор работает следующим образом.

При включении питания в автостохастическом генераторе вследствие наличия отрицательной активной составляющей входной проводимости между базой первого транзистора 1 и общей шиной 8 возбуждаются квазигармонические стартовые колебания с частотой
ω_o= , (1) где h_21э - статический коэффициент передачи базового тока в схеме с общим эмиттером первого транзистора 1, L₁ - индуктивность первой индуктивной катушки 2, C - емкость конденсатора 3.

По мере нарастания амплитуды колебаний первый транзистор 1 начинает работать в режиме с отсечкой, и квазигармонические колебания протекающих через электроды токов сменяются колебаниями с автоограничением, в течение интервалов которого изменения токов и напряжений в индуктивной катушке 2 и на конденсаторе 3 происходят независимо. Инжекционная нелинейность коллекторного и базового токов первого транзистора 1 в течение активных этапов его работы совместно с упомянутой независимостью изменения электрических величин в течение интервалов отсечки приводят к тому, что при выборе параметров элементов 1, 2, 3, 4 в соответствии с соотношениями, приведенными в описании прототипа, колебания токов и напряжений транзистора 1 являются автостохастическими. Изменения коллекторного тока транзистора 1 представляют собой хаотическую импульсную последовательность (ХИП) со случайным изменением амплитуды, длительности и интервалов следования между импульсами; энергетический спектр колебаний коллекторного тока имеет неравномерность около 5 дБ, локализован в диапазоне частот, шириной около октавы с верхней граничной частотой, близкой к ω_o.

В стохастическом преобразователе импульсы коллекторного тока и транзистора 1, протекая в направлении, противоположном направлению прямого прохождения тока диода 6, вызывают запирание диода и заряд его барьерной емкости С_пер. Последующий разряд этой емкости через индуктивную катушку 5 завершается отпиранием диода 6 и протеканием в контуре осциллятора тока прямого смещения диода, в течение которого напряжение на индуктивной катушке равно напряжению прямого смещения диода U_пр и близко к постоянной величине. Действие этого напряжения на индуктивную катушку 5 приводит к тому, что ток в ней убывает по величине, а затем изменяет направление, вызывая совместно с коллекторным током транзистора 1 запирание диода 6. Вследствие малой величины напряжения U_пр по сравнению с пиковым значением напряжения на диоде, до которого заряжается его барьерная емкость при обратном смещении, напряжение между полюсами осциллятора имеет импульсную форму с длительностью импульсов
t_и≈ , (2) где L₂ - индуктивность второй индуктивной катушки 5, С_пер - барьерная емкость диода 6.

Накопление избыточных зарядов в базе прямосмещенного диода 6, необходимость их экстракции при запирании диода, а также нелинейность его барьерной емкости С_пер, которая проявляется при запертом состоянии, приводят к тому, что колебания осциллятора являются хаотическими с изменяющейся амплитудой, длительностью и паузой между импульсами.

Достижение цели изобретения обеспечивается благодаря тому, что равномерность энергетического спектра выходного шумового сигнала генератора определяется совместно стохастическими свойствами автоколебательной и осцилляторной частей. Хаотичность колебаний автостохастического генератора дополняется статически от них независимым хаотическим преобразованием в осцилляторной части (ХИП, создаваемая автоколебательной частью, перемешивается осцилляторной частью). По сравнению со спектром автоколебательной части ширина спектра выходных колебаний генератора возрастает не менее, чем на порядок. Расширение спектра в область низких частот обусловлено тем, что хаотически изменяемая пауза между импульсами ХИП осциллятора может превышать паузу между импульсами ХИП коллекторного тока транзистора 1 более, чем в три раза, а расширение в область высоких частот тем, что импульсы напряжения на диоде 6 имеют длительность, меньшую длительности импульсов коллекторного тока транзистора 1 в 2...3 раза. Хаотическое изменение длительности импульсов на диоде является одним из факторов, обеспечивающих достижение цели изобретения.

Для обеспечения биполярности генерируемого шумового сигнала в стохастический преобразователь генератора шума введен второй нелинейный диссипативный контур (осциллятор), содержащий третью индуктивную катушку 10 и второй полупроводниковый диод с р-n-переходом 11, причем первый и второй диоды включены встречно (фиг.2). Вследствие эквивалентности транзистора 1 по своим нагрузочным свойствам источнику тока колебания в первом и втором осцилляторах происходят независимо, и работа первого осциллятора, содержащего индуктивную катушку 5 и диод 6, не отличается от рассмотренного выше (фиг. 1). Работа введенного второго осциллятора сводится к следующему. Коллекторный ток транзистора 1, протекая в прямом направлении через диод 11, создает между его электродами напряжение U_пр, которое вызывает в индуктивной катушке 10 ток, смещающий диод 11 в обратном направлении в течение интервалов пребывания транзистора 1 в режиме отсечки. Заряд барьерной емкости диода 11 и последующей разряд ее через индуктивную катушку 10 приводят к возникновению между полюсами второго осциллятора хаотической последовательности импульсов, положительной относительно общей шины 8 полярности. Обеспечение биполярности генерируемого шумового сигнала достигается благодаря сложению напряжений, существующих между полюсами первого и второго осцилляторов; при этом статистическая независимость хаотических процессов в осцилляторах увеличивает основной эффект стохастического преобразования - уменьшает неравномерность энергетического спектра генерируемого шума.

В генераторе шума с повышенной мощностью выходного сигнала (фиг.3) в качестве полупроводникового нелинейного элемента осциллятора применен эмиттерный р-n-переход транзистора 6, эмиттер и база которого выполняют функции, эквивалентные эмиттеру и базе диода 6 на фиг.1. Вследствие комплементарности транзисторов 6 и 1 по типу проводимости, коллекторный переход транзистора 6 смещен в обратном направлении, что обеспечивает усилительный режим его работы при протекании базового тока. Хаотическое колебания базового тока транзистора 6, обусловленные взаимодействием его эмиттерного р-n-перехода и индуктивной катушки 5, приводят к хаотическим колебания коллекторного тока, которые вследствие усилительных свойств транзистора 6 превышают изменения базового тока соответственно значению коэффициента передачи базового тока в схеме с общим эмиттером h_21э. Нагрузка генератора, включаемая между клеммами 8, 9, отделена от осциллятора обратносмещенным коллекторным переходом транзистора 6 и не влияет на процессы в осцилляторе. Повышение мощности выходного шумового сигнала достигается благодаря одновременному использованию диодных и усилительных свойств транзистора 6.

Для иллюстрации ширины и равномерности энергетического спектра предлагаемого генератора на фиг.4 представлена спектрограмма выходного сигнала схемы фиг. 1, соответствующая применению в качестве ее полупроводниковых элементов транзистора КТ3102Д и варактора КТ102А (масштаб по оси ординат - линейный).

Использование: радиотехника, источники шумовых напряжений и токов. Сущность изобретения: генератор шума содержит транзистор 1, первую катушку индуктивности 5, нелинейный элемент 6, который выполнен в виде p - n-перехода полупроводникового диода или дополнительного транзистора. Для уменьшения неравномерности энергетического генерируемого шума хаотически изменяются длительность импульсов на нелинейном элементе 6, а также паузы между этими импульсами. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ГЕНЕРАТОР ШУМА, содержащий транзистор, первую катушку индуктивности, которая включена между базой транзистора и общей шиной, конденсатор, первый вывод которого подключен к общей шине, источник тока, подключенный параллельно конденсатору, нелинейный элемент, первый вывод которого соединен с коллектором транзистора, а второй вывод подключен к шине питания источника питания, отличающийся тем, что, с целью уменьшения неравномерности энергетического спектра генерируемого шума, в него введена вторая катушка индуктивности, которая подключена параллельно нелинейному элементу, второй вывод конденсатора подключен к эмиттеру транзистора, а нелинейный элемент выполнен в виде p - n-перехода. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения биполярности выходных сигналов, второй вывод нелинейного элемента подключен к шине питания источника питания через введенный дополнительный нелинейный элемент, параллельно которому подключена введенная третья катушка индуктивности, при этом нелинейный элемент и дополнительный нелинейный элемент выполнены в виде p - n-переходов полупроводниковых диодов, которые включены встречно. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности выходных сигналов, нелинейный элемент выполнен в виде p - n-перехода дополнительного транзистора, тип проводимости которого противоположен типу проводимости транзистора, при этом база дополнительного транзистора соединена с коллектором транзистора, эмиттер подключен к шине питания источника питания, а коллектор через нагрузочный резистор - к общей шине.