Rauschmodell für Zenerdioden

Ich versuche, eine Rauschquelle mit diskreten Transistoren und einer Zenerdiode im Lawinendurchbruchbereich zu entwerfen. Daher habe ich einige Fragen bezüglich der Verwendung der Diode ...

• Wie wirkt sich der Ruhestrom auf die Rauschdichte aus?
• Wie stark ändert sich die Rauschdichte bei einem bestimmten Ruhestrom mit der Zeit und der Temperatur? Dies wird wahrscheinlich bestimmen, ob ich AGC in mein Design integrieren muss.
• Welche Konfiguration maximiert das vom Zener erzeugte Lawinengeräusch?
• Würde die Verwendung eines Stromspiegels anstelle eines Widerstands zur Vorspannung des Zener die Rauschdichte erhöhen oder verringern?
• Wäre ein Spannungs- oder Transkonduktanzverstärker bei der Verstärkung von Lawinenrauschen wirksamer?

Wenn jemand ein gutes Rauschmodell für eine Zenerdiode hat, die in Sperrrichtung arbeitet, können wahrscheinlich viele dieser Fragen beantwortet werden. Ich konnte jedoch keine finden und die Geräte führen die erforderlichen Messungen nicht selbst durch.

Ich beabsichtige derzeit, einen 1N4742 12V Zener in meinem Design zu verwenden.

Hier ist zunächst ein Rauschdiodenmodell für einen PN-Übergang von Sourceforge. Es besteht aus der Kapazität der Diode$c_d$, die Leitung (oder der Widerstand $g_d = \frac{1}{r_d}$) und eine Rauschstromquelle $i_d$.

Der Widerstand ist eine Standardquelle für thermisches Rauschen:

$S_{r_d} = 4 k T r_d$

k ist die Boltsmann-Konstante
T ist die absolute Temperatur
und$r_d$ ist der Widerstand des Gerätes

Die aktuelle Geräuschquelle weist Schuss- und Flimmergeräusche auf:

$S_{i_d} = 2qI_d\Delta f + \frac{\alpha_H I_d}{f^{\gamma}N}$

Der erste Begriff bezieht sich auf Schussrauschen und ist abhängig von der Elektronenladung $q$ das ist gleich $1.60217662 × 10^{-19}$ Coulomb und $I_d$ ist gleich dem Strom durch die Diode.

Der zweite Begriff bezieht sich auf Flimmerrauschen (1 / f), und ich werde die Details beschönigen, da diese Parameter wahrscheinlich nicht in einem Datenblatt enthalten sind, aber komplizierter sind als $\alpha_H$ ist abhängig vom Halbleiterübergang und hat einen Wert von $5 × 10^{-6}$ zu $2 × 10^{-3}$ und $\gamma$ und $\alpha$sind Materialkonstanten, aber Sie müssten diese aus experimentellen Daten für dieses Gerät modellieren. Wenn Sie das Gerät jedoch mit Wechselstromkopplung verwenden (und Gleichstrom ignorieren), müssen Sie sich keine Gedanken über das niederfrequente 1 / f-Rauschen machen.

Die Geräuschquelle $S_{i_d}$ist auch korreliert, worauf ich auch hier nicht näher eingehen werde, aber der SourceForge-Link hat dort die Mathematik

Eine ideale Diode (pn- oder schottky-Diode) erzeugt Schussrauschen. Beide Stromarten (Feld und Diffusion) tragen unabhängig voneinander dazu bei. Das heißt, obwohl die beiden Ströme in unterschiedliche Richtungen fließen ("minus" in der Gleichstromgleichung), müssen sie in die Rauschgleichung addiert werden (Strom ist proportional zur spektralen Dichte der Rauschleistung). Berücksichtigung der dynamischen Leitfähigkeit$g_d$ Parallel zur Rauschstromquelle schreibt die Rauschwellenkorrelationsmatrix wie folgt.

(Der SourceForge-Link enthält eine Erklärung dazu, aber auch die Grundlagen der Industrieelektronik 11.2.2 (Schussrauschen) und 11.2.4 (Flimmerrauschen). Hier ist ein weiterer Link für die Grundlagen der Industrieelektronik. )

Quelle: PN Junction Diode Sourceforge

Wenn Sie sehen möchten, wie Rauschen aussieht, finden Sie hier eine großartige Zahl von EDN. Dies ist von einem 12-V-Zener und das Rauschen wurde um den Faktor 10 erhöht. Beachten Sie, dass sie die Frequenz des Graphen bei 1 Hz abschneiden. Wenn wir weniger sehen, würde das 1 / f-Rauschen zu dominieren beginnen. Es gibt auch eine Hochfrequenzabschaltung über 100 kHz, die von der Kapazität der Schaltung nicht gesehen wird.

Abbildung 2 Die spektrale Leistungsdichte des Rauschausgangs ist von 1 Hz bis 100 kHz sehr flach. Zum Vergleich wird auch das Rauschen eines LM317-Reglers aufgezeichnet, da dieser Regler normalerweise als sehr laut angesehen wird.

Nun zu Ihren Fragen.

Wie wirkt sich der Ruhestrom auf die Rauschdichte aus?

und

Wie stark ändert sich die Rauschdichte bei einem bestimmten Ruhestrom mit der Zeit und der Temperatur? Dies wird wahrscheinlich bestimmen, ob ich AGC in mein Design integrieren muss.

Der Ruhestrom beeinflusst sowohl das Schussrauschen als auch das Flimmerrauschen durch den Wert $I_d$ obwohl es wahrscheinlich einfacher wäre, die Gesamtströme durch das Gerät in zusammenzufassen $I_d$ und modellieren Sie dann das Schuss- und Flimmergeräusch.

Das Problem besteht darin, dass Sie bei der Modellierung einer Zenerdiode Rauschparameter messen müssen, da diese nicht vom Hersteller gemessen werden (selbst Rauschkurven sind in den meisten Datenblättern nicht angegeben). Da Sie Messungen durchführen müssen, ist es am einfachsten, die Schaltung mit all diesen Ideen aufzubauen und das Rauschen am Ende des Tages zu messen.

Zumindest können Sie die Aufnahme und das thermische Rauschen modellieren und von 1 oder 10 Hz bis zum $c_d$ Cutoff das Rauschen sollte weiß sein.

Welche Konfiguration maximiert das vom Zener erzeugte Lawinengeräusch?

Wenn Sie es im Lawinenmodus oder im Sperrspannungsbereich der Kurve betreiben, wird das Lawinenrauschen maximiert. Eine große Stromänderung$I_d$ erzeugt nur eine kleine Spannungsänderung, da es auf dem steilsten Teil der Kurve arbeitet.

Quelle: Zener Diode Tutorial

Würde die Verwendung eines Stromspiegels anstelle eines Widerstands zur Vorspannung des Zener die Rauschdichte erhöhen oder verringern?

Ich würde sagen, dass es die aktuelle Rauschdichte erhöhen würde . Da ein Widerstand normalerweise ausreicht, um die Spannung mithilfe eines Widerstands zu regeln, wird der Zener in der Regel mit Strom versorgt. Durch Hinzufügen eines Stromspiegels wird schließlich ein 1 / f-Rauschen hinzugefügt, das ein Widerstand nicht hat, sodass dies wahrscheinlich nicht von Vorteil ist einen Stromspiegel gegen einen Widerstand hinzufügen.

Eine Kombination aus Zener und Widerstand ist normalerweise die Quelle für die meisten Spannungsregler. Der Trick besteht darin, den Strom im Widerstand (und die Spannung mit einem Operationsverstärker zu messen) so konstant wie möglich zu halten.

Wäre ein Spannungs- oder Transkonduktanzverstärker bei der Verstärkung von Lawinenrauschen wirksamer?

Ein Spannungsverstärker ist die übliche Vorgehensweise. Transkondukanzverstärker haben eine geringere Verfügbarkeit und eine niedrigere Impedanz sowie mehr Rauschen (wie ich in den verfügbaren ICs gesehen habe), die alle unerwünschte Eigenschaften sind.