Electrónica de bajo ruido

S 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES

C 1.Fundamentos de los mecanismos de ruido

Los problemas causados por el ruido eléctrico son evidentes en el dispositivo de salida de un sistema eléctrico, pero las fuentes de ruido son exclusivas de las porciones de bajo nivel de señal del sistema. La "nieve" que se puede observar en la pantalla de un receptor de televisión es el resultado del ruido generado internamente en las primeras etapas de la amplificación de la señal.

Este capítulo define los tipos fundamentales de ruido presente en los sistemas electrónicos y discute los métodos de representación de estas fuentes para el análisis de circuitos de ruido. Además, se introducen conceptos como el ancho de banda de ruido y la densidad espectral.

1. DEFINICIÓN DE RUIDO

El ruido, en el sentido más amplio, puede definirse como cualquier perturbación no deseada que oscurece o interfiere con una señal deseada. Las perturbaciones a menudo provienen de fuentes externas al sistema en estudio y pueden ser el resultado de un acoplamiento electrostático o electromagnético entre el circuito y las líneas de alimentación de CA, transmisores de radio o luces fluorescentes.

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Señal totalmente aleatoria. Componentes de frecuencia que son aleatorios tanto en amplitud como en fase

[pic 2]

El cross-talk entre circuitos adyacentes, el zumbido de las fuentes de alimentación de CC o la microfonía causada por la vibración mecánica de los componentes son ejemplos de perturbaciones no deseadas. Con la excepción del ruido de las tormentas eléctricas y la radiación galáctica, la mayoría de estos tipos de perturbaciones son causadas por la radiación de los equipos eléctricos; pueden eliminarse mediante un blindaje adecuado, filtrado o cambiando la disposición de los componentes del circuito. En casos extremos, puede estar justificado cambiar la ubicación física del sistema de prueba.

Usamos la palabra "ruido" para representar generadores básicos de ruido aleatorio o fluctuaciones espontáneas que resultan de la física de los dispositivos y materiales que componen el sistema eléctrico. Por lo tanto, el ruido final aparente en todos los conductores eléctricos a temperaturas superiores a cero absoluto es un ejemplo de ruido como se discute en este libro. Este ruido fundamental o verdadero no se puede predecir exactamente, ni se puede eliminar por completo, pero se puede manipular y minimizar sus efectos.

El ruido es importante El límite de resolución de un sensor a menudo está determinado por el ruido. El rango dinámico de un sistema está determinado por el ruido. El nivel de señal más alto que puede procesarse está limitado por las características del circuito, pero el nivel más pequeño detectable lo establece el ruido.

Además de los efectos familiares del ruido en los sistemas de comunicación, el ruido es un problema en los sistemas digitales, de control y de computación. Por ejemplo, la presencia de picos de ruido aleatorio dificulta el diseño de un circuito que dispara (conmuta) a una amplitud de señal específica. Cuando el ruido de amplitud variable se mezcla con la señal, los picos de ruido pueden hacer que un detector de nivel se dispare falsamente. Para reducir la probabilidad de disparos falsos, es necesaria la reducción de ruido.

Supongamos que tenemos un sistema que es demasiado ruidoso, pero no estamos seguros de si el ruido es causado por perturbaciones de equipos eléctricos o por ruido fundamental. Añadimos blindaje. Una regla general para frecuencias superiores a 1000 Hz o niveles de impedancia superiores a 1000 Ω es utilizar blindaje conductivo (aluminio o cobre). Para bajas frecuencias e impedancias más bajas, podemos usar blindaje magnético (super-malloy “aleación compuesta de níquel, hierro y molibdeno”, mu-metal) y pares de cables trenzados. También podemos poner el preamplificador en una fuente de batería separada. Si estos efectos ayudan, podemos intentar más blindaje. El trabajo se puede trasladar a otra ubicación, o se pueden realizar mediciones durante las horas más tranquilas de la tarde. Si estas técnicas no reducen la perturbación, busque mecanismos de ruido fundamentales.

El ruido fundamental o verdadero es el tipo considerado casi exclusivamente en este libro.

TIPOS DE RUIDO

Ruido correlacionado

• Implica una relación entre la señal y el ruido.
• Sólo existe cuando hay una señal.

Ruido no correlacionado

• Presente independientemente de si haya una señal o no
• Subdividido en dos categorías generales: externo e interno.

Ruido externo o interferencias

• Ruido atmosférico.- perturbaciones eléctricas naturales que se generan dentro de la atmósfera terrestre “electricidad estática”.
• Ruido extraterrestre (ruido de espacio profundo). se origina en la Vía Láctea, en otras galaxias y en el Sol. Se subdivide en dos categorías: solar y cósmico.
• Ruido causado por el hombre. tiene naturaleza de pulsos, y contiene una amplia gama de frecuencias, que se propagan por el espacio

Ruido interno o inherente.

• Ruido de disparo.- se debe a la llegada aleatoria de portadoras (agujeros y electrones) al elemento de salida de un dispositivo electrónico. Varía en forma aleatoria, y se superpone a cualquier señal que haya. También se le llama ruido de transistor, y se suma al ruido térmico.
• Ruido de tiempo de tránsito.- variación irregular y aleatoria producida por cualquier modificación a una corriente de portadores, cuando pasan de la entrada a la salida de un dispositivo.
• Ruido térmico.- se asocia con el movimiento rápido y aleatorio de los electrones dentro de un conductor, producido por la agitación térmica

Ruido blanco: Es aquel que posee una densidad espectral de tensión de ruido o de intensidad de ruido constante

Ruido rosa o ruido 1/f: Es aquel que posee una densidad espectral de potencia de ruido que es inversamente proporcional a la frecuencia

Con la excepción del ruido de las tormentas eléctricas y la radiación galáctica, la mayoría de estos tipos de perturbaciones son causadas por la radiación de los equipos eléctricos.

El ruido se puede abordar desde puntos de vista

• Mediante métodos que tratan de reducir el ruido en sus fuentes y en su propagación, como son las técnicas de cableado, blindaje , o diseño de dispositivos de bajo ruido. Estas técnicas son las óptimas ya que no degradan las prestaciones del sistema, aunque su aplicación no siempre es eficaz o posible.
• Mediante métodos de filtrado y promediado de la señal, para amortiguar el nivel de ruido frente a la señal que se procesa. Estas técnicas suelen ser de aplicación más general y efectiva, pero suelen reducir las prestaciones (por ejemplo, anchura de banda) del sistema.

• Cambiar la ubicación física del sistema de prueba.

1. PROPIEDADES DE RUIDO 

El ruido es una señal totalmente aleatoria. Consiste en componentes de frecuencia que son aleatorios tanto en amplitud como en fase. Aunque se puede medir el valor eficaz a largo plazo, no se puede predecir la amplitud exacta en ningún instante de tiempo. Si se pudiera predecir la amplitud instantánea del ruido, el ruido no sería un problema.

Es posible predecir la aleatoriedad del ruido. Mucho ruido tiene una distribución gaussiana o normal de amplitudes instantáneas con el tiempo [1]. La curva gaussiana común se representa en la figura 1-1 junto con una fotografía del ruido eléctrico asociado obtenido de un osciloscopio.

[pic 3]

La distribución gaussiana predice la probabilidad de que la señal de ruido medida tenga un valor específico en un punto específico en el tiempo. Una señal de ruido con una distribución gaussiana media cero tiene la mayor probabilidad de tener un valor de cero en cualquier instante de tiempo. La curva gaussiana es el caso límite producido por la superposición de una estructura de cuadrícula de coordenadas imaginaria en la forma de onda de ruido. Si se pudiera muestrear una gran colección de puntos de datos y calcular el número de ocurrencias cuando el nivel de voltaje de ruido es igual o mayor que un nivel particular, se obtendría la curva gaussiana. Matemáticamente, la distribución se puede describir como:

[pic 4]

donde µ es el valor medio o promedio y σ es la desviación estándar o el valor raíz cuadratico medio (rms) de la variable x. La función f (x) se conoce como la función de densidad de probabilidad, o pdf.

El área bajo la curva de Gauss representa la probabilidad de que ocurra un evento particular. Como la probabilidad solo puede tomar valores de 0 a 1, el área total debe ser igual a la unidad. La forma de onda se centra en un nivel de voltaje medio o medio µ, que corresponde a una probabilidad de .5 de que el valor instantáneo de la forma de onda de ruido sea superior o inferior a p. Si consideramos un valor como e1, la probabilidad de exceder ese nivel en cualquier instante en el tiempo se muestra en el área sombreada en la Fig. 1-1. Para una buena aproximación de ingeniería, el ruido eléctrico común se encuentra dentro de ± 3σ de la media de µ. En otras palabras, el valor de pico a pico de la onda de ruido es menos de seis veces el valor rms durante el 99.7% del tiempo.

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