Широкополосный источник белого шума может быть полезен для измерения и тестирования коммуникационного оборудования. Источник на Рисунке 1 прост и обеспечивает большой размах шумового сигнала на своих выходных клеммах. Схема состоит из стабилитрона и нескольких усилительных каскадов. Источником истинно широкополосного шума служит пробой стабилитрона. Истинно широкополосным этот процесс является потому, что значительный уровень шума можно измерить даже на частотах выше 2 ГГц.
 |
||
| Рисунок 1. | 24-вольтовый стабилитрон и цепочка СВЧ усилителей образуют широкополосный источник шума. |
|
Разделительный конденсатор связывает стабилитрон по переменному току с первым каскадом усилителя, а последующие каскады усиливают очень слабое шумовое напряжение стабилитрона. MAR-6, MAR-3 и ERA-5 – это монолитные СВЧ усилители, выпускаемые компанией Mini-Circuits. Общий коэффициент усиления по напряжению, составляющий порядка 58 дБ, достаточен для получения выходного сигнала примерно 224 мВ с.к.з. на согласованной нагрузке 50 Ом, что эквивалентно примерно 0 дБм. Точка компрессии каждого последующего каскада в цепочке на 1 дБ выше, чем у предыдущего усилителя. Хорошая линейность усилителя важна для того, чтобы выходной сигнал имел гауссову функцию плотности распределения вероятностей. Точка компрессии 1 дБ для последнего усилителя цепочки составляет более 18 дБм, чтобы гарантировать работу усилителя в линейном режиме.
Наблюдения и измерения показывают, что уровень шума лавинного пробоя диодов преобладает над шумом, обусловленным туннельным эффектом, и уровень этого шума увеличивается с увеличением напряжения стабилизации диода. Частотный спектр шумового сигнала не зависит от рабочего напряжения стабилитрона, хотя с ростом пробивного напряжения полоса спектра шумов обычно сужается. Использование в схеме на Рисунке 1 стабилитрона с напряжением пробоя 24 В позволяет увеличить уровень выходного сигнала на 10 дБ по сравнению с конструкцией, использующей стабилитрон на 9.1 В.
 |
||
| Рисунок 2. | Характеристика спектральной плотности мощности источника шума остается плоской с точностью ±1 дБ в полосе частот от 20 МГц до 1 ГГц. |
|
Импульсный регулятор TL497 и связанные с ним компоненты обеспечивают напряжение питания стабилитрона; остальная часть схемы питается от источника 12 В. Дополнительный линейный регулятор 78L05 стабилизирует питание стабилитрона. Изменяя значения тока стабилитрона путем подстройки потенциометра R1, можно получить плоский частотный спектр источника. Увеличивая ток до некоторого значения, можно найти оптимальную точку, в которой спектр шума будет плоским, а уровень шума максимальным. Для данной конструкции оптимальный ток составляет примерно 21 мА. Увеличение тока сверх этой оптимальной точки не рекомендуется, поскольку дальнейшее увеличение приводит к уменьшению размаха выходного сигнала. На Рисунке 2 представлено спектральное распределение плотности мощности шума, полученное с помощью анализатора спектра. В диапазоне частот от 20 МГц приблизительно до 1 ГГц спектр остается плоским с точностью ±1 дБ, а ширина полосы по уровню 3 дБ составляет примерно от 10 МГц до 1.35 ГГц. Функция плотности вероятности, измеренная для 107 выборок, имеет хорошо известную гауссову форму (Рисунок 3). Среднеквадратичное значение, рассчитанное по гистограмме, немного отличается от измеренного значения мощности; это различие связано с ограниченной полосой пропускания схемы, используемой для получения выборок отсчетов.
 |
||
| Рисунок 3. | Функция распределения вероятности имеет гауссову форму, а рассчитанное среднеквадратичное значение составляет 192.1 мВ. |
|
Для достижения плоского спектрального распределения плотности мощности шума в низкочастотной области требуется некоторое спектральное отбеливание из-за наличия шума типа 1/f. Эта схема обеспечивает необходимую форму частотной характеристики усилителя при правильном выборе емкостей межкаскадных разделительных конденсаторов C1, C2 и C6 и использовании корректирующей цепи перед последним каскадом – C3, C4, C5 и R2. Значения номиналов всех компонентов, определяющих частотную характеристику, подбирались экспериментально при наблюдении спектра плотности мощности на экране анализатора.
Чтобы получить хорошие характеристики схемы, необходимо строго соблюдать все правила проектирования радиочастотных устройств. В частности, нужно стараться, чтобы контакты стабилитрона были как можно короче, а все развязывающие конденсаторы располагались рядом с СВЧ усилителями. Рекомендуется также экранировать всю схему.
