Modelo de ruido para diodos Zener

En primer lugar, aquí hay un modelo de diodo de ruido para una unión PN de sourceforge . Consiste en la capacitancia del diodo.$c_d$, la conducción (o resistencia$g_d = \frac{1}{r_d}$) y una fuente de corriente de ruido$i_d$.

La resistencia es una fuente de ruido térmico estándar:

$S_{r_d} = 4 k T r_d$

k es la constante de Boltsmann
T es la temperatura absoluta
y$r_d$es la resistencia del dispositivo

La fuente de ruido actual tiene ruido de disparo y ruido de parpadeo:

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

El primer término es para el ruido de disparo, depende de la carga del electrón.$q$que es igual a$1.60217662 × 10^{-19}$culombios y$I_d$es igual a la corriente a través del diodo.

El segundo término es para el ruido de parpadeo (1/f), y pasaré por alto los detalles porque es poco probable que estos parámetros se encuentren en una hoja de datos, pero es más complicado ya que$\alpha_H$depende de la unión del semiconductor y tiene un valor de$5 × 10^{-6}$a$2 × 10^{-3}$y$\gamma$y$\alpha$son constantes materiales, pero tendría que modelarlas a partir de datos experimentales para ese dispositivo. Sin embargo, si está utilizando el dispositivo con acoplamiento de CA (e ignorando la CC), no tendrá que preocuparse por el ruido de baja frecuencia 1/f.

La fuente de ruido$S_{i_d}$también está correlacionado, que tampoco entraré en detalles aquí, pero el enlace de sourceforge tiene las matemáticas allí

Un diodo ideal (diodo pn o schottky) genera ruido de disparo. Ambos tipos de corriente (de campo y de difusión) contribuyen independientemente a ella. Es decir, aunque las dos corrientes fluyen en diferentes direcciones ("menos" en la ecuación de corriente continua), deben agregarse en la ecuación de ruido (la corriente es proporcional a la densidad espectral de potencia de ruido). Teniendo en cuenta la conductancia dinámica$g_d$en paralelo a la fuente de corriente de ruido, la matriz de correlación de ondas de ruido se escribe de la siguiente manera.

(El enlace de sourceforge tiene una explicación de esto, pero también lo tiene Fundamentos de Electrónica Industrial 11.2.2 (ruido de disparo) y 11.2.4 (ruido de parpadeo). Aquí hay otro enlace para Fundamentos de Electrónica Industrial )

Fuente: diodo de unión PN sourceforge

Si quieres ver cómo se ve el ruido, aquí hay una gran figura de EDN. Esto es de un zener de 12 V y el ruido se ha multiplicado por 10. Tenga en cuenta que cortan la frecuencia del gráfico a 1 Hz, si tuviéramos que ver más bajo que esto, el ruido 1/f comenzaría a dominar. También hay un corte de alta frecuencia por encima de 100 kHz que no se ve en la capacitancia del circuito.

Figura 2 La densidad espectral de potencia de la salida de ruido es muy plana de 1 Hz a 100 kHz. A modo de comparación, también se representa el ruido de un regulador LM317, ya que normalmente se considera que este regulador es muy ruidoso.

Ahora a sus preguntas.

¿Cómo afecta la corriente de reposo a la densidad del ruido?

y

¿Cuánto variará la densidad del ruido con el tiempo y la temperatura en una corriente de reposo dada? Esto probablemente determinará si necesito incorporar AGC en mi diseño.

La corriente de reposo afecta tanto al ruido de disparo como al ruido de parpadeo a través del valor$I_d$aunque probablemente sería más fácil resumir las corrientes totales a través del dispositivo en$I_d$y luego modele el ruido de disparo y parpadeo.

El problema es que modelar un diodo zener requerirá que mida los parámetros de ruido, ya que los fabricantes no los miden (incluso las curvas de ruido no se proporcionan en la mayoría de las hojas de datos). Como hay que tomar medidas, lo más fácil es armar el circuito con todas estas ideas en la mano y medir el ruido al final del día.

Como mínimo se podría modelar el ruido de tiro y térmico, y desde 1 o 10Hz hasta el$c_d$corte el ruido debe ser blanco.

¿Qué configuración maximizará el ruido de avalancha producido por el Zener?

Operarlo en el modo de avalancha o en la parte de voltaje de diodo inverso de la curva maximizará el ruido de avalancha. Sin embargo, un gran cambio en la corriente$I_d$solo producirá un pequeño cambio en el voltaje porque está operando en la parte más empinada de la curva.

Fuente: Tutorial de diodo Zener

¿Usar un espejo de corriente en lugar de una resistencia para sesgar el Zener aumentaría o disminuiría la densidad de ruido?

Yo diría que aumentaría la densidad de ruido actual. Debido a que una resistencia suele ser suficiente para regular el voltaje, usar una resistencia es típicamente la forma en que se suministra la corriente al zener, después de todo, agregar un espejo de corriente agregará un ruido 1/f que una resistencia no tiene, por lo que probablemente no se beneficiaría. para agregar un espejo actual frente a una resistencia.

Una combinación de zener\resistencia suele ser la fuente de la mayoría de los reguladores de voltaje. El truco es mantener la corriente en la resistencia (y medir el voltaje con un amplificador operacional) lo más constante posible.

¿Sería más efectivo un amplificador de voltaje o de transconductancia para amplificar el ruido de avalancha?

Un amplificador de voltaje es la forma en que se hace comúnmente. Los amplificadores de transconducancia tienen menos disponibilidad, menor impedancia y más ruido (por lo que he visto en los circuitos integrados disponibles), todas las cuales son características indeseables.