TL;DR: Расскажу, как из распространённых компонентов сделать генератор электрического шума с широким спектром, основанный на эффекте лавинного пробоя обратносмещённого p-n перехода. Поделюсь результатами исследования шумовых характеристик некоторых стабилитронов.
Мне нравится возиться со всякими старыми радиодеталями и изучать их свойства. Давным-давно на радиолюбительском форуме наткнулся на информацию о том, что при помощи советских стабилитронов можно получить генератор шума со спектром от единиц герц до десятков мегагерц. Причём для этого потребуется совсем немного деталей обвязки. Там же на форуме было много противоречивой информации, и я решил сам разобраться и провести опыты. Вначале немного теории.
Это полупроводниковый прибор, диод, который сконструирован для нормальной работы в режиме электрического пробоя p-n перехода, когда на катод подаётся положительное напряжение относительно анода.
Стабилитрон 1N829, фото: Mister rf.
Ток, протекающий через стабилитрон, обязательно ограничивается для предотвращения выхода его из строя. Чаще всего это достигается простым последовательным включением резистора.
Взглянем на ВАХ (график вольт-амперной характеристики) стабилитрона. Справа от нуля мы видим прямую, восходящую ветвь, характерную для прямосмещённого (открытого) p-n перехода. При повышении напряжения ток экспоненциально возрастает от значения примерно 0,6 вольт. Слева расположена обратная ветвь, которая слегка отходит от нулевой отметки тока, это так называемый обратный ток. При увеличении обратного напряжения обратная ветвь ВАХ доходит до точки перегиба, в которой наблюдается максимальная нестабильность тока.
На графике отмечена рабочая точка, значение тока в которой зависит от конструкции стабилитрона и возможности рассеивать тепловую энергию на нём. При колебаниях уровня входящего напряжения изменяется ток, протекающий через стабилитрон, при этом напряжение на нём существенно не изменяется. Важно уточнить, что реальные стабилитроны не являются идеальными стабилизаторами напряжения, и некоторый наклон обратной ветви намекает на то, что напряжение стабилизации будет изменяться при изменении тока.
Электрический пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда сквозь закрытый p-n переход. Характерен для напряжения стабилизации около 3 В. Отличается слегка иным характером обратной ветви ВАХ и даёт незначительный шумовой сигнал. (На моём оборудовании его даже не удалось зафиксировать).
Этот процесс происходит благодаря разгону электрическим полем свободно существующих носителей заряда, которые затем ударно ионизируют атомы вещества, выбивая из них дополнительные носители заряда. Те вновь разгоняются и ударно ионизируют атомы. Происходит лавинообразное увеличение числа носителей заряда: электронов или квазичастиц «дырок». Для кремниевых стабилитронов лавинный пробой характерен для напряжения стабилизации от 6-7 вольт и выше. Этот тип пробоя даёт значительно больший уровень шума.
Характеристики стабилитронов задаются на заводе-изготовителе и определяются главным образом количеством легирующей примеси в полупроводнике.
Выпрямительные диоды тоже могут выполнять роль стабилитрона. Напряжение обратного пробоя их перехода лежит в отрицательной области многих десятков и даже нескольких сотен вольт. Но характеристики диодов, не предназначенных на роль стабилитрона, могут быть нестабильными и не нормируемыми.
Я поскрёб по своим запасам и нашел несколько стабилитронов разных годов выпуска и различающихся конструктивно. Собрал простой стенд из трёх деталей: резистор на 500 Ом для ограничения тока, блокировочный конденсатор для фильтрации по питанию и сам стабилитрон.
Напряжение питания я подавал с отечественного лабораторника «Марс», который имеет два потенциометра регулировки «грубо» и «точно», что очень удобно. Ток контролировался прибором Ц4353 в режиме измерения 120 микроампер.
Будьте осторожны, всегда начинайте измерять ток с больших пределов в сторону малых, так как есть риск необратимо испортить измерительную головку или сам прибор. Для измерения уровня шумового сигнала я использовал осциллограф.
Если у вас нет лабораторного блока питания и осциллографа, можете воспользоваться альтернативной схемой. Источником питания послужит батарейка «Крона», а регулировать ток в широких пределах позволит цепочка переменных резисторов номиналом 4,7 и 1 килоом. Также обязательно включить и постоянный резистор величиной около нескольких килоом. Так как каждый стабилитрон уникален и имеет естественный разброс характеристик, придётся подбирать токоограничивающие резисторы индивидуально. Конденсаторы я применяю многослойные керамические (MLCC) с выводами. Можно использовать электролитические, соблюдая полярность, соединяя отрицательный вывод с минусом питания (землёй схемы).
В качестве приёмника шумового сигнала может выступать микрофонный вход вашей звуковой карты или вход активных колонок. Для опытов сгодится такое решение, ориентируйтесь на слух по максимуму шипения.
Постарайтесь не применять современные блоки питания с импульсным преобразованием, они могут дать помеху, которая смешается с полезным для нас шумовым сигналом, лучше обойтись батарейным питанием или от блока питания, в котором преобразование происходит в сетевом трансформаторе 50 Гц с наборным сердечником из стали.
Если у вас не получается найти старинный шумящий стабилитрон КД814, не беда. Достаточно взять простой советский… КТ315. Оказывается, у маломощных биполярных транзисторов переход база-эмиттер может выполнять функцию стабилитрона, так как имеет небольшое напряжение обратного пробоя. Эмиттер выполняет роль катода, подключается к плюсу схемы через резистор, база — на шину заземления. Коллектор остаётся не подключенным. Я выбрал наугад КТ315, КТ3102 (Зарубежный C945 тоже давал шум, но я забыл записать измеренные значения), и каждый из них показал хороший результат в генерации шума.
Результаты измерений записал в таблицу: индекс прибора, ток максимума генерации шума, амплитуда шума (пик-пик, по осциллографу), напряжение на переходе в точке максимальной генерации.
Д814Г, 65 мкА, 100 мВ, 11,2 В
Д814ДПП, 60 мкА, 100 мВ, 12,4 В
Д809, 70 мкА, 15 мВ, 8,8 В
Д814А ВП, 130 мкА, 8 мВ, 7,5 В
Д814ВП, 120 мкА, 10 мВ, 8,2 В
КС456, 130 мкА, 4 мВ, 9,4 В
КС156А, шум не обнаружил
КС447А, шум не обнаружил
2С456, шум не обнаружил
КТ315Г (б-э), 44 мкА, 35 мВ 6,6 В, множество точек нестабильности на ВАХ.
КТ3102 (б-э), 36 мкА, 50 мВ, 7.8 В
Выводы: Действительно, у стабилитронов с напряжением пробоя выше 7 вольт наблюдается значительно больший уровень шума. Каждый из приборов показал, что есть некоторый оптимальный ток, при котором наблюдается максимальный уровень генерации шума, и у всех приборов он находился в диапазоне от десятков до двухсот микроампер. Приборы имеют индивидуальные особенности, даже из одной партии экземпляры могут различаться.
При снятии сигнала осциллографом обнаружил интересный эффект. Генерация шума при повышении тока через переход происходила как бы отдельными участками. Причём амплитуда выбросов на разных участках ВАХ (при разных токах) принимала некоторые устойчивые уровни.
Снял короткое видео с экраном прибора. За кадром постепенно повышаю уровень напряжения на лабораторном блоке питания, увеличивая ток.
Ещё я записал сигнал, используя в качестве приёмника звуковую карту компьютера. У меня ESI Jili@. Она обладает хорошими характеристиками, в т.ч. соотношением сигнал/шум. Я специально купил её для опытов. Если хотите такую же, ищите на барахолках, она часто попадается на вторичном рынке, т.к. по мере прогресса в домашних ПК вымирает порт шины PCI.
Оба трека визуализированы в режиме спектрограммы, верхний трек — шум транзистора КТ315, нижний — Д814Г. Полосы разной интенсивности — это различные режимы тока. Т.е. по мере записи фонограммы я изменял ток через p-n переход по 10 микроампер, наблюдая за тем, как меняется сигнал в окне Audacity.
Как и прежде, цель моих опытов — побудить вас на самостоятельные эксперименты и изучение аналоговой электроники. Мне очень хочется услышать мнение профессиональных электронщиков и их соображения относительно того, как построить более технически совершенный датчик энтропии на эффекте лавинного пробоя. Мне видится дальнейший путь таким:
Прилагаю небольшой фрагмент фонограммы в формате FLAC 24-bit PCM, если кто-то хочет его использовать для анализа.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Мне нравится возиться со всякими старыми радиодеталями и изучать их свойства. Давным-давно на радиолюбительском форуме наткнулся на информацию о том, что при помощи советских стабилитронов можно получить генератор шума со спектром от единиц герц до десятков мегагерц. Причём для этого потребуется совсем немного деталей обвязки. Там же на форуме было много противоречивой информации, и я решил сам разобраться и провести опыты. Вначале немного теории.
▍ Стабилитрон
Это полупроводниковый прибор, диод, который сконструирован для нормальной работы в режиме электрического пробоя p-n перехода, когда на катод подаётся положительное напряжение относительно анода.
Ток, протекающий через стабилитрон, обязательно ограничивается для предотвращения выхода его из строя. Чаще всего это достигается простым последовательным включением резистора.
Взглянем на ВАХ (график вольт-амперной характеристики) стабилитрона. Справа от нуля мы видим прямую, восходящую ветвь, характерную для прямосмещённого (открытого) p-n перехода. При повышении напряжения ток экспоненциально возрастает от значения примерно 0,6 вольт. Слева расположена обратная ветвь, которая слегка отходит от нулевой отметки тока, это так называемый обратный ток. При увеличении обратного напряжения обратная ветвь ВАХ доходит до точки перегиба, в которой наблюдается максимальная нестабильность тока.
На графике отмечена рабочая точка, значение тока в которой зависит от конструкции стабилитрона и возможности рассеивать тепловую энергию на нём. При колебаниях уровня входящего напряжения изменяется ток, протекающий через стабилитрон, при этом напряжение на нём существенно не изменяется. Важно уточнить, что реальные стабилитроны не являются идеальными стабилизаторами напряжения, и некоторый наклон обратной ветви намекает на то, что напряжение стабилизации будет изменяться при изменении тока.
▍ Туннельный пробой
Электрический пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда сквозь закрытый p-n переход. Характерен для напряжения стабилизации около 3 В. Отличается слегка иным характером обратной ветви ВАХ и даёт незначительный шумовой сигнал. (На моём оборудовании его даже не удалось зафиксировать).
▍ Лавинный пробой
Этот процесс происходит благодаря разгону электрическим полем свободно существующих носителей заряда, которые затем ударно ионизируют атомы вещества, выбивая из них дополнительные носители заряда. Те вновь разгоняются и ударно ионизируют атомы. Происходит лавинообразное увеличение числа носителей заряда: электронов или квазичастиц «дырок». Для кремниевых стабилитронов лавинный пробой характерен для напряжения стабилизации от 6-7 вольт и выше. Этот тип пробоя даёт значительно больший уровень шума.
Характеристики стабилитронов задаются на заводе-изготовителе и определяются главным образом количеством легирующей примеси в полупроводнике.
Выпрямительные диоды тоже могут выполнять роль стабилитрона. Напряжение обратного пробоя их перехода лежит в отрицательной области многих десятков и даже нескольких сотен вольт. Но характеристики диодов, не предназначенных на роль стабилитрона, могут быть нестабильными и не нормируемыми.
▍ Опыты
Я поскрёб по своим запасам и нашел несколько стабилитронов разных годов выпуска и различающихся конструктивно. Собрал простой стенд из трёх деталей: резистор на 500 Ом для ограничения тока, блокировочный конденсатор для фильтрации по питанию и сам стабилитрон.
Напряжение питания я подавал с отечественного лабораторника «Марс», который имеет два потенциометра регулировки «грубо» и «точно», что очень удобно. Ток контролировался прибором Ц4353 в режиме измерения 120 микроампер.
Будьте осторожны, всегда начинайте измерять ток с больших пределов в сторону малых, так как есть риск необратимо испортить измерительную головку или сам прибор. Для измерения уровня шумового сигнала я использовал осциллограф.
Если у вас нет лабораторного блока питания и осциллографа, можете воспользоваться альтернативной схемой. Источником питания послужит батарейка «Крона», а регулировать ток в широких пределах позволит цепочка переменных резисторов номиналом 4,7 и 1 килоом. Также обязательно включить и постоянный резистор величиной около нескольких килоом. Так как каждый стабилитрон уникален и имеет естественный разброс характеристик, придётся подбирать токоограничивающие резисторы индивидуально. Конденсаторы я применяю многослойные керамические (MLCC) с выводами. Можно использовать электролитические, соблюдая полярность, соединяя отрицательный вывод с минусом питания (землёй схемы).
В качестве приёмника шумового сигнала может выступать микрофонный вход вашей звуковой карты или вход активных колонок. Для опытов сгодится такое решение, ориентируйтесь на слух по максимуму шипения.
Постарайтесь не применять современные блоки питания с импульсным преобразованием, они могут дать помеху, которая смешается с полезным для нас шумовым сигналом, лучше обойтись батарейным питанием или от блока питания, в котором преобразование происходит в сетевом трансформаторе 50 Гц с наборным сердечником из стали.
Если у вас не получается найти старинный шумящий стабилитрон КД814, не беда. Достаточно взять простой советский… КТ315. Оказывается, у маломощных биполярных транзисторов переход база-эмиттер может выполнять функцию стабилитрона, так как имеет небольшое напряжение обратного пробоя. Эмиттер выполняет роль катода, подключается к плюсу схемы через резистор, база — на шину заземления. Коллектор остаётся не подключенным. Я выбрал наугад КТ315, КТ3102 (Зарубежный C945 тоже давал шум, но я забыл записать измеренные значения), и каждый из них показал хороший результат в генерации шума.
Результаты измерений записал в таблицу: индекс прибора, ток максимума генерации шума, амплитуда шума (пик-пик, по осциллографу), напряжение на переходе в точке максимальной генерации.
Д814Г, 65 мкА, 100 мВ, 11,2 В
Д814ДПП, 60 мкА, 100 мВ, 12,4 В
Д809, 70 мкА, 15 мВ, 8,8 В
Д814А ВП, 130 мкА, 8 мВ, 7,5 В
Д814ВП, 120 мкА, 10 мВ, 8,2 В
КС456, 130 мкА, 4 мВ, 9,4 В
КС156А, шум не обнаружил
КС447А, шум не обнаружил
2С456, шум не обнаружил
КТ315Г (б-э), 44 мкА, 35 мВ 6,6 В, множество точек нестабильности на ВАХ.
КТ3102 (б-э), 36 мкА, 50 мВ, 7.8 В
Выводы: Действительно, у стабилитронов с напряжением пробоя выше 7 вольт наблюдается значительно больший уровень шума. Каждый из приборов показал, что есть некоторый оптимальный ток, при котором наблюдается максимальный уровень генерации шума, и у всех приборов он находился в диапазоне от десятков до двухсот микроампер. Приборы имеют индивидуальные особенности, даже из одной партии экземпляры могут различаться.
При снятии сигнала осциллографом обнаружил интересный эффект. Генерация шума при повышении тока через переход происходила как бы отдельными участками. Причём амплитуда выбросов на разных участках ВАХ (при разных токах) принимала некоторые устойчивые уровни.
Снял короткое видео с экраном прибора. За кадром постепенно повышаю уровень напряжения на лабораторном блоке питания, увеличивая ток.
Ещё я записал сигнал, используя в качестве приёмника звуковую карту компьютера. У меня ESI Jili@. Она обладает хорошими характеристиками, в т.ч. соотношением сигнал/шум. Я специально купил её для опытов. Если хотите такую же, ищите на барахолках, она часто попадается на вторичном рынке, т.к. по мере прогресса в домашних ПК вымирает порт шины PCI.
Оба трека визуализированы в режиме спектрограммы, верхний трек — шум транзистора КТ315, нижний — Д814Г. Полосы разной интенсивности — это различные режимы тока. Т.е. по мере записи фонограммы я изменял ток через p-n переход по 10 микроампер, наблюдая за тем, как меняется сигнал в окне Audacity.
▍ Послесловие
Как и прежде, цель моих опытов — побудить вас на самостоятельные эксперименты и изучение аналоговой электроники. Мне очень хочется услышать мнение профессиональных электронщиков и их соображения относительно того, как построить более технически совершенный датчик энтропии на эффекте лавинного пробоя. Мне видится дальнейший путь таким:
- Термостабилизировать схему.
- Организовать стабилизацию тока через p-n переход.
- Создать буфер-усилитель, приводящий выходной сигнал до стандарта 0 dBu (775 милливольт), чтобы можно было подключать к линейному входу.
- Полноценно экранировать устройство и обеспечить питание от 12-вольтовой шины ПК. Чтобы получить готовую «коробочку», которую можно установить внутри системного блока, а выход подключить ко входу аудиокарты.
Прилагаю небольшой фрагмент фонограммы в формате FLAC 24-bit PCM, если кто-то хочет его использовать для анализа.
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻
