RU203724U1

RU203724U1 - Формирователь шумового сигнала

Info

Publication number: RU203724U1
Application number: RU2020129554U
Authority: RU
Inventors: Петр Андреевич Землянухин
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-04-19

Abstract

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. Технический результат полезной модели заключается в увеличении амплитуды и линейности спектральной плотности амплитуд шумового сигнала на выходе устройства. Это достигается тем, что в формирователь шумового сигнала дополнительно введены третий, четвертый и пятый резисторы, где первые выводы третьего и пятого резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания, второй вывод третьего резистора, первый вывод четвертого резистора, первый вывод первого конденсатора и база транзистора соединены между собой, второй вывод пятого резистора, катод стабилитрона и второй вывод второго конденсатора соединены между собой, эмиттер транзистора подключен к узлу соединения первого вывода второго конденсатора и первого вывода второго резистора, узел соединения вторых выводов первого конденсатора и второго резистора подключен к общей шине, второй вывод четвертого резистора и анод стабилитрона соединены с общей шиной. 2 ил.

Description

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.

Известно устройство радиомаскировки (Патент 2360365 RU, МПК Н04K 3/00, 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 конденсатора образуют усилительный каскад. С коллектора второго транзистора усиленный шумовой сигнал через второй конденсатор передается на вход последующего усилительного каскада.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора n-р-n-типа, стабилитрона, первого, второго, третьего и четвертого резисторов и конденсатора.

К недостаткам аналога 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 I_{min. ст}=1-3 мА), что может приводить к срыву процесса формирования шумового напряжения. 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 источника шумового напряжения. С выхода эмиттерного повторителя шумовой сигнал подается на вход усилительного каскада. Здесь в качестве входа используется база второго транзистора, который включен по схеме с общим эмиттером в усилительном каскаде. При подобном включении транзистора сильно проявляется эффект Миллера (к базе транзистора приводится паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база, увеличенная в h_2lэ раз, где h_2lэ - коэффициент усиления базового тока при включении транзистора с общим эмиттером, h_2lэ >> 1), что дополнительно существенно ухудшает частотные свойства источника шумового сигнала. Таким образом аналог не позволяет получить широкий спектр шумового сигнала.

Известно устройство генератора шума (Генератор шума своими руками. - URL: http://www.gsmjammer.ru/sdelaysam/generator-shuma-svoimi-rukami.htm. Дата обращения 05.05.2020). В этом устройстве стабилитрон, выступающий в роли источника шума, обратно включен (анод соединен с общей шиной, а катод через первый резистор соединен с шиной положительного напряжения питания). Катод стабилитрона соединен с первым выводом первого резистора и первым выводом конденсатора. Второй вывод конденсатора соединен с базой транзистора n-p-n-типа и первым выводом второго резистора. Второй вывод второго резистора соединен с коллектором транзистора и первым выводом третьего резистора. Этот узел соединения является выходом устройства. Эмиттер транзистора соединен с общей шиной. Вторые выводы первого и третьего резисторов соединены с шиной положительного напряжения питания.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора n-p-n-типа, стабилитрона, первого, второго и третьего резисторов и конденсатора.

К недостаткам аналога следует отнести следующее. С использованием транзистора построен усилительный каскад, который усиливает шумовое напряжение стабилитрона. Транзистор включен по схеме с общим эмиттером. При подобном включении транзистора сильно проявляется эффект Миллера, который приводит к следующему. К базе транзистора приводится паразитная емкость p-n-перехода коллектор-база, увеличенная в h_21э раз, где h_2lэ - коэффициент усиления тока базы транзистора при включении транзистора по схеме с общим эмиттером (h_21э >> 1). В результате этого ухудшаются частотные свойства усилительного каскада, поскольку требуется дополнительное время для рассасывания зарядов, накопленных в паразитных емкостях, приведенных к базе транзистора. В связи с этим существенно ухудшаются и частотные свойства генератора шума. Ширина спектра шумового сигнала существенно сужается.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому является широкополосный генератор шума (Широкополосный генератор шума. - URL: http://radio-uchebnik.ru/shem/18-pribory-i-izmereniya/987-shirokopolosnvj-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 прототипа, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, является наличие биполярного транзистора, стабилитрона, катушки индуктивности, первого и второго резисторов, первого и второго конденсаторов, 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 второго конденсатора соединены между собой. Вторые выводы второго резистора и первого конденсатора соединены между собой.

Прототипу свойственны следующие недостатки.

Усилительный каскад, построенный с использованием биполярного транзистора, где транзистор включен по схеме с общей базой, обеспечивает усиление шумового сигнала, 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 I_min._ст (для маломощных стабилитроной I_{min. ст}=1…3 мА). В прототипе 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.

Технический результат формирователя шумового сигнала заключается в увеличении амплитуды и линейности спектральной плотности амплитуд шумового сигнала на выходе устройства.

Доказательство наличия причинно-следственной связи между заявляемой совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом приводится далее.

Для достижения технического результата в известное устройство дополнительно введены: третий, четвертый и пятый резисторы.

Технический результат достигается тем, что в формирователь шумового сигнала, содержащий биполярный транзистор (9), стабилитрон (5), катушку индуктивности (7), первый (8) и второй (10) резисторы, первый (1) и второй (6) конденсаторы, где первый вывод катушки индуктивности (7) соединен с шиной источника положительного напряжения питания (11), второй вывод катушки индуктивности (7) соединен с первым выводом первого резистора (8), второй вывод первого резистора (8) соединен с коллектором транзистора (9). Этот узел соединения является выходом устройства (12). Первые выводы второго резистора (10) и второго конденсатора (6) соединены между собой. Вторые выводы второго резистора (10) и первого конденсатора (1) соединены между собой, введены третий (2), четвертый (3) и пятый (4) резисторы, причем первые выводы третьего (2) и пятого (4) резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания (11), второй вывод третьего резистора (2), первый вывод четвертого резистора (3), первый вывод первого конденсатора (1) и база транзистора (9) соединены между собой, второй вывод пятого резистора (4), катод стабилитрона (5) и второй вывод второго конденсатора (6) соединены между собой, Эмиттер транзистора (9) подключен к узлу соединения первого вывода второго конденсатора (6) и первого вывода второго резистора (10), вторые выводы первого конденсатора (1), второго (10) и четвертого (3) резисторов и анод стабилитрона (5) соединены с общей шиной (13).

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 биполярный транзистор (9), стабилитрон (5), катушку индуктивности (7) первый (8), второй (10), третий (2), четвертый (3) и пятый (4) резисторы, первый (1) и второй (6) конденсаторы, первый вывод катушки индуктивности (7) и первые выводы третьего (2) и пятого (4) резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания (11), второй вывод катушки индуктивности (7) соединен с первым выводом первого резистора (8), второй вывод первого резистора (8) соединен с коллектором транзистора (9). Этот узел соединения является выходом устройства (12). Первые выводы второго резистора (10) и второго конденсатора (6) соединены с эмиттером транзистора (9). Вторые выводы второго (10) и четвертого (3) резисторов, первого конденсатора (1) и анода стабилитрона (5) соединены с общей шиной (13). Второй вывод третьего резистора (2), первый вывод четвертого резистора (3), первый вывод первого конденсатора (1) и база транзистора (9) соединены между собой. Второй вывод пятого резистора (4), катод стабилитрона (5) и второй вывод второго конденсатора (6) соединены между собой.

Работает формирователь шумового сигнала следующим образом.

На постоянном токе делитель напряжения, выполненный с использованием третьего (2) и четвертого (3) резисторов, определяет величину потенциала на базе транзистора (9) для задания положения рабочей точки транзистора (9). Второй резистор (10), расположенный в эмиттерной цепи транзистора (9), с одной стороны участвует в задании положения рабочей точки транзистора (9), а с другой стороны обеспечивает температурную стабильность работы формирователя шумового сигнала. Пятый резистор (4) определяет величину тока, протекающего через стабилитрон (5):

,

где Е_n - величина напряжения источника питания; U_ст - напряжение, падающее на стабилитроне в обратном включении; R₅ - величина сопротивления пятого резистора.

Величина сопротивления пятого резистора (4) выбирается такой, чтобы ток, протекающий через стабилитрон (5), был бы немного меньше минимального тока стабилизации стабилитрона (5). Это позволит получить высокую амплитуду шумового сигнала, формируемого стабилитроном (5), и обеспечить стабильность формирования шумового сигнала.

На переменном токе шумовое напряжение, формируемое стабилитроном (5) через второй конденсатор (6) прикладывается к эмиттеру транзистора (9). Транзистор (9) включен по схеме с общей базой. В этом случае эффект Миллера оказывает слабое влияние на частотные свойства усилительного каскада. Шумовое напряжение стабилитрона (5) обеспечивает дополнительное смещение p-n-перехода база-эмиттер транзистора (9), что обеспечивает изменение тока, протекающего между коллектором и эмиттером транзистора (9) и соответственно формирование усиленного шумового напряжения на элементе нагрузки, в роли которого выступают последовательно соединенные катушка индуктивности (7) и первый резистор (8). Поскольку полное сопротивление катушки индуктивности (7) возрастает с ростом частоты сигнала, то в области высоких частот амплитудно-частотная характеристика каскада сохраняет линейный вид. Это обеспечивает формирование на выходе устройства (12) шумового сигнала, имеющего равномерную спектральную плотность амплитуд в широком диапазоне частот, где ширина спектра шумового сигнала в большей мере определяется граничной частотой транзистора (9).

Первый конденсатор (1) включен между базой транзистора (9) и общей шиной (13). В этом случае заряд, который накапливается в емкости первого конденсатора (1), повышает стабильность потенциала базы транзистора (9) и способствует увеличению амплитуды шумового сигнала на выходе (12) формирователя шумового сигнала.

Таким образом предлагаемая полезная модель формирователя шумового сигнала позволяет обеспечить увеличение амплитуды и линейности спектральной плотности амплитуд шумового сигнала на выходе устройства.

Claims

Формирователь шумового сигнала, содержащий биполярный транзистор, стабилитрон, катушку индуктивности, первый и второй резисторы, первый и второй конденсаторы, 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 и является выходом устройства, первые выводы второго резистора и второго конденсатора соединены между собой, вторые выводы второго резистора и первого конденсатора соединены между собой, отличающийся тем, что дополнительно введены третий, четвертый и пятый резисторы, причем первые выводы третьего и пятого резисторов соединены с шиной источника положительного напряжения питания, второй вывод третьего резистора, первый вывод четвертого резистора, первый вывод первого конденсатора и база транзистора соединены между собой, второй вывод пятого резистора, катод стабилитрона и второй вывод второго конденсатора соединены между собой, эмиттер транзистора подключен к узлу соединения первого вывода второго конденсатора и первого вывода второго резистора, узел соединения вторых выводов первого конденсатора и второго резистора подключен к общей шине, второй вывод четвертого резистора и анод стабилитрона соединены с общей шиной.