¿Por qué el ruido de avalancha Zener tiene forma de diente de sierra?

Question

Tengo el siguiente esquema de una fuente de ruido basada en Zener:-

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Cuando se construye, un osciloscopio revela una señal de ruido diente de sierra en el nodo "Ruido", como:

La base de tiempo es 1us/div. ¿Alguien puede explicar por qué la señal tiene forma de diente de sierra? Inicialmente esperaba una forma de onda triangular, o incluso sinusoidal. Creo que tiene algo que ver con la impedancia del Zener en conjunción con la resistencia mucho más alta de 100 kOhmios. Los electrones atraviesan la unión en cascada libremente, pero la resistencia restringe el flujo de corriente cuando se detiene la avalancha. Estamos hablando de 60uA. El resultado es una acumulación de carga más lenta que cuando la corriente fluye durante la avalancha.

Esta forma de onda no es particular de mi configuración. Hay otros ejemplos en otros lugares en el Interweb cuando la gente realmente han ampliado en la señal, uno de ellos es https://youtu.be/CAas_kbTW3Q?t=714 . También hay un buen gráfico aquí mostrando que el borde ascendente está ligeramente curvado. Probablemente no me resulte familiar, ya que normalmente se muestra con una base de tiempo mucho más lenta. ¿Estoy en lo cierto con la explicación de resistencia/impedancia?

Answer 1

Considera que efectivamente tienes esto:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

donde C es la capacitancia de la unión, más cualquier capacitancia externa (cables, protoboard, etc). Parte de la corriente de R1 se escapa a través de D1, pero el resto carga C. Una vez que la tensión alcanza un cierto nivel, se produce la ruptura de avalancha y la corriente fluye desde C hasta que la avalancha se detiene. Entonces la corriente comienza a cargar C de nuevo.

Para calcular C primero hay que conocer la fuga. Disminuye V1 hasta que desaparezca el ruido. A continuación, mide la corriente. A continuación, vuelva a aumentar V1 a 30 V. Mida la pendiente ascendente del ruido dV/dt. Mida el valor medio de V. La corriente a través de R1 es aproximadamente constante a (30V - V)/100kohmios. Réstale la corriente de fuga y utiliza I=C dV/dt para calcular la capacitancia.

Answer 2

Las descargas aleatorias cerca de la ruptura provienen de cargas dieléctricas aleatorias del cristal que se rompen bajo un campo E alto produciendo una corriente de pulso que hace caer el voltaje con un tiempo de caída RC. Si pudieras medir lo pequeño que es el tiempo de caída, podrías estimar el tamaño del C en esa partícula cargada.

Si supongo que cada partícula ve al menos 50kV/mm o 50V/um o 50mV/nm por lo que el tamaño de la carga puede ser de unos 10 a 20 nm para obtener de 500 a 1000 mV. Esto se puede escalar según los tamaños epixtaxiales de las partículas en la red cristalina de Si.

Como un oscilador Unijunction excepto con umbrales aleatorios en un rango limitado, el C se carga y el voltaje Zener colapsa rápidamente 1~5% justo por debajo del umbral de ruptura a corrientes muy bajas.

Viendo la forma de onda, espero que la relación entre el tiempo de subida y el de bajada sea de 100 o menos en este diente de sierra.