ФОРМИРОВАТЕЛЬ ШУМОВОГО СИГНАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к технике формирования радиосигналов и может быть использована при разработке и модернизации генераторов шума для маскирования побочных электромагнитных излучений и наводок (ПЭМИН), излучаемых техническими средствами обработки информации; станций помех линиям радиосвязи.
Известен генератор шума (Авторское свидетельство SU1123088 SU, МПК H03B 29/00, Гиннятуллин Ф.А., Марченко Ю.Ф., опубл. 07 ноября 1984 г, Бюл. № 41), в котором имеется транзисторный усилитель, шумовой диод, резистор, источник питания и два конденсатора. Анод шумового диода соединен с первыми выводами первого и второго конденсаторов и вторым выводом резистора. Первый вывод резистора подключен к выходу источника отрицательного напряжения питания, а катод шумового диода и второй вывод второго конденсатора соединены с общей шиной. Шумовой диод имеет обратное смещение. При подобном включении он формирует шумовое напряжение, которое через первый конденсатор подается на вход усилителя. На выходе усилителя появляется усиленный шумовой сигнал.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие шумового диода (стабилитрона), первого резистора и конденсатора.
К недостаткам аналога можно отнести следующее. Шумовой сигнал это – радиотехнический сигнал, имеющий большое число спектральных составляющих, расположенных в широком диапазоне частот. При анализе электронных устройств на переменном токе узлы (компоненты) цепи, через которые не проходит сигнальная составляющая, необходимо подключить к общей шине. К подобным элементам относится резистор, первый вывод которого при анализе на переменном токе необходимо подключить к общей шине. В этом случае можно видеть, что резистор и второй конденсатор включены параллельно, образуя фильтр нижних частот относительно шумового напряжения, формируемого шумовым диодом (стабилитроном). Это говорит о том, что данный фильтр нижних частот будет ограничивать верхнюю частоту работы генератора шума. Таким образом, это устройство не позволяет получить на выходе равномерную спектральную плотность мощности в широком диапазоне частот.
Известно устройство генератора шума (Широкополосный генератор шума. - URL:http://radio-uchebnik.ru/shem/18-pribory-i-izmereniya/987-shirokopolosnyj-generator-shuma. Дата обращения 05.05.2020). Широкополосный генератор шума включает биполярный транзистор n-p-n-типа, стабилитрон, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, катушку индуктивности. База транзистора соединена с общей шиной. Первый вывод катушки индуктивности соединен с шиной источника положительного напряжения питания. Второй вывод катушки индуктивности соединен с первым выводом первого резистора. Второй вывод первого резистора соединен с коллектором транзистора. Этот узел соединения является выходом устройства. Эмиттер транзистора соединен с катодом стабилитрона. Анод стабилитрона соединен с первыми выводами второго резистора, первого и второго конденсаторов. Вторые выводы второго резистора, первого и второго конденсаторов соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания. Стабилитрон является источником шумового напряжения.
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора, стабилитрона, катушки индуктивности, первого и второго резисторов, конденсатора, где первый вывод катушки индуктивности соединен с шиной источника положительного напряжения питания, второй вывод катушки индуктивности соединен с первым выводом первого резистора, второй вывод первого резистора соединен с коллектором транзистора. Этот узел соединения является выходом устройства. Первые выводы второго резистора и конденсатора соединены между собой. Вторые выводы второго резистора и конденсатора соединены между собой.
К недостаткам аналога следует отнести следующее.
Усилительный каскад, построенный с использованием биполярного транзистора, где транзистор включен по схеме с общей базой, обеспечивает усиление шумового напряжения, формируемого стабилитроном, имеющем обратное включение. Для нормальной работы усилительного каскада в широком частотном диапазоне необходимо, чтобы постоянный ток, протекающий между коллектором и эмиттером транзистора, имел бы достаточно большое значение (типовое значение для маломощных транзисторов 5 … 10 мА). Стабилитрон же формирует качественное шумовое напряжение, когда ток, протекающий через него, по величине несколько меньше минимального тока стабилизации  (для маломощных стабилитроной ). В аналоге ток, протекающий через стабилитрон, будет равен току, протекающему через транзистор. Это приведет к снижению уровня шумового напряжения, формируемого стабилитроном, и соответственно к снижению уровня шумового напряжения на выходе широкополосного генератора шума, что приводит к снижению спектральной плотности шума на выходе генератора шума..
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство радиомаскировки (Патент 2360365 RU, МПК H04K3/00, Иванов В.П. (РФ), Лебедев М.Н. (РФ), опубл. 27 июня 2009 г), в котором используется источник низкочастотного шума, построенный с использованием стабилитрона в качестве источника шумового напряжения. Здесь стабилитрон включен в обратном направлении, где анод соединен с шиной отрицательного напряжения питания, а катод соединен с базой первого биполярного транзистора n-p-n-типа. Первый транзистор использован для построения эмиттерного повторителя (транзистор включен по схеме с общим коллектором), где в эмиттерную цепь первого транзистора включен резистор, выполняющий роль нагрузочного элемента каскада. С эмиттера транзистора шумовой сигнал поступает на базу второго биполярного транзистора n-p-n-типа, который включен по схеме с общим эмиттером. Второй транзистор совместно с тремя резисторами и конденсатором образуют усилительный каскад. С коллектора второго транзистора усиленный шумовой сигнал через второй конденсатор передается на вход последующего усилительного каскада.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие первого и второго биполярных транзисторов n-p-n-типа, стабилитрона, первого, второго, третьего и четвертого резисторов и конденсатора, где катод стабилитрона соединен с базой первого транзистора, анод стабилитрона соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания, коллектор первого транзистора соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора соединен с коллектором второго транзистора. Этот узел соединения является выходом устройства. Первые выводы второго резистора и конденсатора соединены между собой. Второй вывод второго резистора соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания.
Прототипу свойственны следующие недостатки.
21э
21э
21э
К недостаткам прототипа можно отнести следующее. Через стабилитрон протекает ток базы транзистора. Этот ток очень мал (100 … 200 мкА) в сравнении с минимальным током стабилизации стабилитрона (для маломощных стабилитронов , что может приводить к срыву процесса формирования шумового напряжения, поскольку ток, протекающий через стабилитрон, должен быть немного меньше тока стабилизации стабилитрона для получения стабильного процесса генерации шумового напряжения, имеющего наибольшую амплитуду. Кроме того, в узле соединения катода стабилитрона и базы первого транзистора отсутствуют какие-либо резистивные цепи. В результате этого процесс рассасывания зарядов, накопленных в паразитных емкостях, приведенных к этому узлу, током базы транзистора будет достаточно протяженным по времени, что приводит к ухудшению частотных свойств (снижению верхней частоты работы) источника шумового напряжения. С выхода эмиттерного повторителя, построенного на первом транзисторе, шумовой сигнал подается на вход усилительного каскада. Здесь в качестве входа используется база второго транзистора, которыйв усилительном каскаде включен по схеме с общим эмиттером. При подобном включении транзистора сильно проявляется эффект Миллера (к базе транзистора приводится паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база, увеличенная в h раз, где h - коэффициент усиления базового тока при включении транзистора с общим эмиттером, h>>1), что дополнительно существенно ухудшает частотные свойства (снижается верхняя частота работы) источника шумового сигнала. Таким образом прототип не позволяет сформировать шумовой сигнал, имеющий равномерную спектральную плотность мощности шума в широком диапазоне частот.
Технический результат формирователя шумового сигнала заключается в формировании шумового сигнала с равномерной спектральной плотностью мощности шума в широком диапазоне частот.
Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.
Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: источник тока и катушка индуктивности.
Технический результат достигается тем, что в формирователь шумового сигнала, содержащий первый (1) и второй (2) биполярные транзисторы n-p-n-типа, стабилитрон (3), первый (4), второй (5), третий (6) и четвертый (7) резисторы и конденсатор (8), где катод стабилитрона (3) соединен с базой первого транзистора (1), анод стабилитрона (3) соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания (13), коллектор первого транзистора (1) соединен с общей шиной (12), второй вывод первого резистора (4) соединен с коллектором второго транзистора (2). Этот узел соединения является выходом устройства (9). Первые выводы второго резистора (5) и конденсатора (8) соединены между собой, второй вывод второго резистора (5) соединен с шиной источника отрицательного напряжения питания (13), введены источник тока (10) и катушка индуктивности (11), причем первые выводы третьего (6) и четвертого (7)резисторов и первый вывод катушки индуктивности (11) соединены с общей шиной (12), второй вывод третьего резистора (6) подключен к узлу соединения катода стабилитрона (3) и базы первого транзистора (1), второй вывод катушки индуктивности (11) соединен с первым выводом первого резистора (4), второй вывод четвертого резистора (7) и база второго транзистора (2) подключены к узлу соединения первых выводов второго резистора (5) и конденсатора (8), второй вывод конденсатора (8) и второй вывод источника тока (10) соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания (13), эмиттеры первого (1) и второго (2) транзисторов и первый вывод источника тока (10) соединены между собой.
Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электрическая принципиальная формирователя шумового сигнала.
На фиг. 2 представлена диаграмма спектральной плотности амплитуд шума на выходе формирователя шумового сигнала.
Диаграмма, представленная на фиг. 2, получена моделированием формирователя шумового сигнала с использованием программы схемотехнического моделирования Micro-Cap 9.
Формирователь шумового сигнала содержит первый (1) и второй (2) биполярные транзисторы n-p-n-типа, стабилитрон (3), первый (4), второй (5), третий (6) и четвертый (7) резисторы, конденсатор (8), источник тока (10) и катушку индуктивности (11), первые выводы третьего (6) и четвертого (7) резисторов, первого вывода катушки индуктивности (11) и коллектора первого транзистора (1) соединены с общей шиной, второй вывод третьего резистора (6), катода стабилитрона (3) и базы первого транзистора (1) соединены между собой, второй вывод катушки индуктивности (11) соединен с первым выводом первого резистора (4), второй вывод первого резистора (4) и коллектор второго транзистора (2) соединены между собой, этот узел соединения является выходом устройства (9), второй вывод четвертого резистора (7), первый вывод второго резистора (2) и первый вывод конденсатора (8) соединены с базой второго транзистора (2), эмиттеры первого (1) и второго (2) транзисторов соединены с первым выводом источника тока (10), анод стабилитрона (3), второй вывод источника тока (10), второй вывод второго резистора (5) и второй вывод конденсатора (8) соединены с шиной источника отрицательного напряжения питания (13).
Работает формирователь шумового сигнала следующим образом.
На постоянном токе через третий резистор (6) протекает ток, представляющий собой сумму токов, протекающих через стабилитрон (3), где ток меньше минимального тока стабилизации стабилитрона (3), и базу первого транзистора (1). Стабилитрон (3) имеет обратное смещение. Ток, протекающий через него, обеспечит постоянное напряжение, которое падает на нем, и близкое к минимальному напряжению стабилизации стабилитроном (3). При токе меньшем минимального тока стабилизации стабилитрона (3) будет происходить процесс генерации шумового напряжения, которое будет прикладываться к базе первого транзистора (1) относительно постоянного напряжения, падающего на стабилитроне (3). Резистивный делитель постоянного напряжения источника питания, выполненный с использованием второго (5) и четвертого (7) резисторов, обеспечивает на базе второго транзистора (2) постоянное напряжение, равное напряжению, падающему на стабилитроне. В этом случае ток источника тока (10) будет делиться поровну между токами, протекающими между коллекторами и эмиттерами первого (1) и второго (2) транзисторов.
Первый транзистор (1) включен по схеме с общим коллектором, а второй транзистор (2) включен по схеме с общей базой. Это позволяет исключить влияние эффекта Миллера на частотные свойства формирователя шумового сигнала.
Положительные полуволны шумового напряжения, генерируемого стабилитроном (3), прикладываемые к базе первого транзистора (1) относительно постоянного напряжения, падающем на стабилитроне (3),  обеспечат снижение доли тока второго транзистора (2), а отрицательные полуволны шумового напряжения стабилитрона (3) обеспечат увеличение доли тока второго транзистора (2). Ток коллектора второго транзистора (2), протекая через элемент нагрузки, представляющей собой последовательное соединение первого резистора (4) и катушки индуктивности, обеспечит формирование усиленного шумового сигнала на выходе (9) формирователя шумового сигнала.
Полное сопротивление катушки индуктивности (11) с ростом частоты сигнала увеличивается. Это позволяет повысить линейность амплитудно-частотной характеристики формирователя шумового сигнала в области высоких частот. Кроме того, конденсатор (8), за счет заряда, накопленного в нем, обеспечивает постоянство потенциала базы второго транзистора (2).
Таким образом, предлагаемая полезная модель формирователя шумового сигнала позволяет обеспечить равномерную спектральную плотность мощности шума в широком диапазоне частот.