Un generador de ruido es un circuito que produce ruido eléctrico (es decir, una señal aleatoria). Los generadores de ruido se utilizan para probar señales para medir la figura de ruido , la respuesta de frecuencia y otros parámetros. Los generadores de ruido también se utilizan para generar números aleatorios . [1]
Existen varios circuitos que se utilizan para generar ruido. Por ejemplo, resistencias controladas por temperatura, diodos de vacío con límite de temperatura, diodos Zener y tubos de descarga de gas. [2] Una fuente que se pueda encender y apagar ("activar") es beneficiosa para algunos métodos de prueba.
Los generadores de ruido generalmente se basan en un proceso de ruido fundamental, como el ruido térmico o el ruido de disparo .
El ruido térmico puede ser un estándar fundamental. Una resistencia a una determinada temperatura tiene un ruido térmico asociado. Un generador de ruido puede tener dos resistencias a diferentes temperaturas y alternar entre ellas. La potencia de salida resultante es baja. (Para una resistencia de 1 kΩ a temperatura ambiente y un ancho de banda de 10 kHz, el voltaje de ruido RMS es de 400 nV. [3] )
Si los electrones fluyen a través de una barrera, entonces tienen tiempos de llegada discretos. Esas llegadas discretas exhiben ruido de disparo . El nivel de ruido de salida de un generador de ruido de disparo se establece fácilmente mediante la corriente de polarización de CC. Por lo general, se utiliza la barrera en un diodo. [4]
Los diferentes circuitos generadores de ruido utilizan diferentes métodos para configurar la corriente de polarización de CC.
Una fuente de ruido común era un diodo de tubo de vacío de cátodo caliente limitado térmicamente ( emisión saturada ) . Estas fuentes podían servir como generadores de ruido blanco desde unos pocos kilohercios hasta UHF y estaban disponibles en sobres de vidrio de tubo de radio normales. El ruido de parpadeo ( ) limitaba la aplicación a frecuencias más bajas; el tiempo de tránsito del electrón limitaba la aplicación a frecuencias más altas. El diseño básico era un tubo de vacío de diodo con un filamento calentado. La temperatura del cátodo (filamento) establece la corriente del ánodo (placa) que determina el ruido de disparo; consulte la ecuación de Richardson . El voltaje del ánodo se establece lo suficientemente grande como para recolectar todos los electrones emitidos por el filamento . [5] [6] Si el voltaje de la placa fuera demasiado bajo, entonces habría una carga espacial cerca del filamento que afectaría la salida de ruido. Para un generador calibrado, se debe tener cuidado para que el ruido de disparo domine el ruido térmico de la resistencia de la placa del tubo y otros elementos del circuito.
Se utilizaron tubos de vidrio de descarga de gas de cátodo caliente, largos y delgados, equipados con una montura de bayoneta normal para el filamento y una tapa superior de ánodo, para frecuencias SHF e inserción diagonal en una guía de ondas . [7] Se llenaron con un gas inerte puro como el neón porque las mezclas hacían que la salida dependiera de la temperatura. Su voltaje de combustión era inferior a 200 V, pero necesitaban cebado óptico (preionización) mediante una lámpara incandescente de 2 vatios antes de la ignición mediante un pico de voltaje del ánodo en el rango de 5 kV.
Para las bandas de ruido de frecuencia más baja se han utilizado lámparas incandescentes rellenas de neón. El circuito era similar al utilizado para los pulsos de pico/aguja .
Un tiratrón en miniatura encontró un uso adicional como fuente de ruido, cuando funcionaba como un diodo (rejilla conectada al cátodo) en un campo magnético transversal. [8]
Otra posibilidad es utilizar la corriente del colector en un transistor. [ aclaración necesaria ]
Los diodos con polarización inversa en caso de ruptura también se pueden utilizar como fuentes de ruido de disparo. Los diodos reguladores de voltaje son comunes, pero existen dos mecanismos de ruptura diferentes y tienen diferentes características de ruido. Los mecanismos son el efecto Zener y la ruptura por avalancha . [9]
El efecto Zener se manifiesta principalmente en diodos con polarización inversa y uniones base-emisor de transistores bipolares que se rompen por debajo de unos 7 voltios. La ruptura se debe a la emisión de campo interno, ya que las uniones son delgadas y el campo eléctrico es alto. La ruptura de tipo Zener es ruido de disparo . El límite de ruido de parpadeo ( ) puede estar por debajo de los 10 Hz. [10]
El ruido generado por los diodos Zener es un simple ruido de disparo.
Para voltajes de ruptura mayores a 7 voltios, el ancho de la unión de semiconductores es más grueso y el mecanismo de ruptura primario es una avalancha. La salida de ruido es más complicada. [10] Hay un exceso de ruido (es decir, ruido por encima del simple ruido de disparo) porque hay una multiplicación de avalancha.
Para los generadores de ruido con mayor potencia de salida, se necesita amplificación. Para los generadores de ruido de banda ancha, esa amplificación puede ser difícil de lograr. Un método utiliza la multiplicación por avalancha dentro de la misma barrera que genera el ruido. En una avalancha, un portador choca con otros átomos y libera nuevos portadores. El resultado es que por cada portador que comienza a cruzar una barrera, varios portadores llegan sincrónicamente. El resultado es una fuente de alta potencia de ancho de banda amplio. Se pueden utilizar diodos convencionales en la descomposición.
La ruptura por avalancha también tiene ruido multiestado. La potencia de salida del ruido cambia aleatoriamente entre varios niveles de salida. El ruido multiestado se parece un poco al ruido de parpadeo ( ). El efecto depende del proceso, pero se puede minimizar. También se pueden seleccionar diodos para un ruido multiestado bajo. [10]
Un ejemplo comercial de un generador de ruido de diodo de avalancha es el Agilent 346C que cubre de 10 MHz a 26,5 GHz. [11]
Las fuentes de guía de ondas 347A son tubos de descarga de gas argón cuidadosamente montados en secciones de guía de ondas para frecuencias de 3,95 a 18 GHz. El modelo 349A también utiliza un tubo de argón en una configuración coaxial para frecuencias de 400 a 4000 MHz.
