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Ruido (electrónica)

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Este artículo trata sobre los procesos fundamentales de ruido en la electrónica. Para el ruido electrónico que surge de fuentes externas, consulte compatibilidad electromagnética e interferencia electromagnética. Para el ruido acústico debido a campos electromagnéticos, consulte vibración y ruido acústico inducido electromagnéticamente. Para otros usos, consulte Ruido (desambiguación).

Visualización analógica de fluctuaciones aleatorias de voltaje en ruido rosa.

En electrónica, el ruido es una perturbación no deseada en una señal eléctrica. El ruido generado por los dispositivos electrónicos varía mucho ya que es producido por varios efectos diferentes.

En los sistemas de comunicación, el ruido es un error o una perturbación aleatoria no deseada de una señal de información útil. El ruido es una suma de energía no deseada o perturbadora de fuentes naturales y, a veces, creadas por el hombre. Sin embargo, el ruido se distingue típicamente de la interferencia, por ejemplo, en las medidas de relación señal / ruido (SNR), relación señal / interferencia (SIR) y relación señal / ruido más interferencia (SNIR). El ruido también se distingue típicamente de la distorsión, que es una alteración sistemática no deseada de la forma de onda de la señal por parte del equipo de comunicación, por ejemplo, en la relación señal / ruido y distorsión (SINAD) y en las medidas de distorsión armónica total más ruido (THD + N).

Si bien el ruido generalmente no es deseado, puede tener un propósito útil en algunas aplicaciones, como la generación de números aleatorios o el tramado.

Contenido
  • 1 Tipos de ruido
    • 1.1 Ruido térmico
    • 1.2 Ruido de disparo
    • 1.3 Ruido de parpadeo
    • 1.4 Ruido de ráfaga
    • 1.5 Ruido del tiempo de tránsito
  • 2 ruido acoplado
    • 2.1 Fuentes
    • 2.2 Mitigación
  • 3 Cuantificación
  • 4 Dither
  • 5 Véase también
  • 6 notas
  • 7 referencias
  • 8 Lecturas adicionales
  • 9 Enlaces externos

Tipos de ruido

Diferentes dispositivos y diferentes procesos generan diferentes tipos de ruido. El ruido térmico es inevitable a una temperatura distinta de cero (consulte el teorema de fluctuación-disipación ), mientras que otros tipos dependen principalmente del tipo de dispositivo (como el ruido de disparo, que necesita una barrera de potencial pronunciada) o la calidad de fabricación y los defectos de los semiconductores, como las fluctuaciones de conductancia, incluido el ruido 1 / f.

Ruido térmico

Artículo principal: ruido de Johnson-Nyquist

El ruido de Johnson-Nyquist (más a menudo ruido térmico) es inevitable y se genera por el movimiento térmico aleatorio de los portadores de carga (generalmente electrones ), dentro de un conductor eléctrico, lo que ocurre independientemente de cualquier voltaje aplicado.

El ruido térmico es aproximadamente blanco, lo que significa que su densidad espectral de potencia es casi igual en todo el espectro de frecuencias. La amplitud de la señal tiene casi una función de densidad de probabilidad gaussiana. Un sistema de comunicación afectado por ruido térmico a menudo se modela como un canal de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN).

Disparo

Artículo principal: ruido de disparo

El ruido de disparo en los dispositivos electrónicos es el resultado de fluctuaciones estadísticas aleatorias inevitables de la corriente eléctrica cuando los portadores de carga (como los electrones) atraviesan un espacio. Si los electrones fluyen a través de una barrera, entonces tienen tiempos de llegada discretos. Esas llegadas discretas exhiben ruido de disparos. Normalmente, se utiliza la barrera en un diodo. El ruido de los disparos es similar al ruido creado por la lluvia que cae sobre un techo de hojalata. El flujo de lluvia puede ser relativamente constante, pero las gotas de lluvia individuales llegan discretamente.

El valor de la raíz cuadrada media--del disparo ruido de la corriente i n viene dado por la fórmula Schottky.

I norte= 2 I q Δ B
{\ Displaystyle i_ {n} = {\ sqrt {2Iq \ Delta B}}}

donde I es la corriente continua, q es la carga de un electrón y Δ B es el ancho de banda en hercios. La fórmula de Schottky asume llegadas independientes.

Los tubos de vacío exhiben ruido de disparo porque los electrones abandonan aleatoriamente el cátodo y llegan al ánodo (placa). Es posible que un tubo no muestre el efecto de ruido de disparo completo: la presencia de una carga espacial tiende a suavizar los tiempos de llegada (y por lo tanto reducir la aleatoriedad de la corriente). Los pentodos y los tetrodos de rejilla de pantalla exhiben más ruido que los triodos porque la corriente del cátodo se divide aleatoriamente entre la rejilla de la pantalla y el ánodo.

Los conductores y resistencias típicamente no exhiben ruido de disparo porque los electrones se termalizan y se mueven de manera difusa dentro del material; los electrones no tienen tiempos de llegada discretos. El ruido de disparo se ha demostrado en resistencias mesoscópicas cuando el tamaño del elemento resistivo se vuelve más corto que la longitud de dispersión electrón-fonón.

Ruido de parpadeo

Artículos principales: ruido de parpadeo y ruido 1 / f

El ruido de parpadeo, también conocido como ruido 1 / f, es una señal o proceso con un espectro de frecuencia que cae constantemente en las frecuencias más altas, con un espectro rosado. Ocurre en casi todos los dispositivos electrónicos y es el resultado de una variedad de efectos.

Ruido de ráfaga

Artículo principal: ruido de ráfaga

El ruido de ráfaga consiste en transiciones repentinas en forma de pasos entre dos o más niveles discretos de voltaje o corriente, de hasta varios cientos de microvoltios, en momentos aleatorios e impredecibles. Cada cambio en el voltaje o la corriente de compensación dura de varios milisegundos a segundos. También se conoce como ruido de palomitas de maíz por los sonidos de estallido o crujido que produce en los circuitos de audio.

Ruido del tiempo de tránsito

Si el tiempo que tardan los electrones en viajar desde el emisor al colector en un transistor se vuelve comparable al período de la señal que se amplifica, es decir, a frecuencias por encima de VHF y más allá, se produce el efecto de tiempo de tránsito y la impedancia de entrada de ruido de el transistor disminuye. A partir de la frecuencia a la que este efecto se vuelve significativo, aumenta con la frecuencia y rápidamente domina otras fuentes de ruido.

Ruido acoplado

Ver también: Compatibilidad electromagnética

Si bien se puede generar ruido en el circuito electrónico en sí, se puede acoplar energía de ruido adicional en un circuito desde el entorno externo, mediante acoplamiento inductivo o acoplamiento capacitivo, oa través de la antena de un receptor de radio.

Fuentes

Ruido de intermodulación
Se produce cuando las señales de diferentes frecuencias comparten el mismo medio no lineal.
Diafonía
Fenómeno en el que una señal transmitida en un circuito o canal de un sistema de transmisión crea una interferencia no deseada en una señal en otro canal.
Interferencia
Modificación o interrupción de una señal que viaja a lo largo de un medio.
Ruido atmosférico
También llamado ruido estático, es causado por descargas de rayos en tormentas eléctricas y otras perturbaciones eléctricas que ocurren en la naturaleza, como descargas de corona.
Ruido industrial
Fuentes como automóviles, aviones, motores eléctricos de encendido y equipos de conmutación, cables de alto voltaje y lámparas fluorescentes causan ruido industrial. Estos ruidos son producidos por la descarga presente en todas estas operaciones.
Ruido solar
El ruido que se origina en el Sol se llama ruido solar. En condiciones normales, hay una radiación aproximadamente constante del Sol debido a su alta temperatura, pero las tormentas solares pueden causar una variedad de perturbaciones eléctricas. La intensidad del ruido solar varía con el tiempo en un ciclo solar.
Ruido cósmico
Las estrellas distantes generan un ruido llamado ruido cósmico. Si bien estas estrellas están demasiado lejos para afectar individualmente a los sistemas de comunicaciones terrestres, su gran número conduce a efectos colectivos apreciables. Se ha observado ruido cósmico en un rango de 8 MHz a 1,43 GHz, la última frecuencia corresponde a la línea de hidrógeno de 21 cm. Aparte del ruido provocado por el hombre, es el componente más fuerte en el rango de aproximadamente 20 a 120 MHz. Poco ruido cósmico por debajo de 20 MHz penetra en la ionosfera, mientras que su eventual desaparición a frecuencias superiores a 1,5 GHz probablemente se rija por los mecanismos que lo generan y su absorción por hidrógeno en el espacio interestelar.

Mitigación

En muchos casos, el ruido que se encuentra en una señal en un circuito no es deseado. Existen muchas técnicas diferentes de reducción de ruido que pueden reducir el ruido captado por un circuito.

  1. Jaula de Faraday: una jaula de Faraday que encierra un circuito se puede utilizar para aislar el circuito de las fuentes de ruido externas. Una jaula de Faraday no puede abordar las fuentes de ruido que se originan en el propio circuito o las que ingresan en sus entradas, incluida la fuente de alimentación.
  2. Acoplamiento capacitivo: el acoplamiento capacitivo permite que una señal de CA de una parte del circuito sea captada en otra parte a través de la interacción de campos eléctricos. Cuando el acoplamiento no es intencionado, los efectos se pueden abordar mejorando el diseño del circuito y la conexión a tierra.
  3. Bucles de tierra: al conectar a tierra un circuito, es importante evitar los bucles de tierra. Los bucles de tierra ocurren cuando hay una diferencia de voltaje entre dos conexiones a tierra. Una buena forma de solucionar este problema es hacer que todos los cables de tierra tengan el mismo potencial en un bus de tierra.
  4. Cables blindados: se puede pensar en un cable blindado como una jaula de Faraday para el cableado y puede proteger los cables de ruidos no deseados en un circuito sensible. El blindaje debe estar conectado a tierra para que sea eficaz. La conexión a tierra del blindaje en un solo extremo puede evitar un bucle de tierra en el blindaje.
  5. Cableado de par trenzado: los cables trenzados en un circuito reducirán el ruido electromagnético. Torcer los cables disminuye el tamaño del bucle en el que un campo magnético puede atravesar para producir una corriente entre los cables. Pueden existir pequeños bucles entre cables trenzados entre sí, pero el campo magnético que atraviesa estos bucles induce una corriente que fluye en direcciones opuestas en bucles alternos en cada cable y, por lo tanto, no hay corriente de ruido neto.
  6. Filtros de muesca: los filtros de muesca o los filtros de rechazo de banda son útiles para eliminar una frecuencia de ruido específica. Por ejemplo, las líneas eléctricas dentro de un edificio funcionan con una frecuencia de línea de 50 o 60 Hz. Un circuito sensible captará esta frecuencia como ruido. Un filtro de muesca sintonizado a la frecuencia de la línea puede eliminar el ruido.

Cuantificación

El nivel de ruido en un sistema electrónico se mide típicamente como una potencia eléctrica N en vatios o dBm, un voltaje cuadrático medio (RMS) (idéntico a la desviación estándar de ruido) en voltios, dBμV o un error cuadrático medio (MSE) en voltios al cuadrado. Ejemplos de unidades de medición del nivel de ruido eléctrico son dBu, dBm0, dBrn, dBrnC y dBrn ( f 1 - f 2), dBrn (144 líneas ). El ruido también puede caracterizarse por su distribución de probabilidad y densidad espectral de ruido N 0 ( f) en vatios por hertz.

Una señal de ruido se considera típicamente como una adición lineal a una señal de información útil. Las medidas típicas de la calidad de la señal que involucran ruido son la relación señal / ruido (SNR o S / N), la relación señal / ruido de cuantificación (SQNR) en la conversión y compresión analógica a digital, la relación pico señal / ruido (PSNR).) en codificación de imagen y video y figura de ruido en amplificadores en cascada. En un sistema de comunicación analógico de banda de paso modulado por portadora, una cierta relación portadora / ruido (CNR) en la entrada del receptor de radio daría como resultado una determinada relación señal / ruido en la señal de mensaje detectada. En un sistema de comunicaciones digitales, una cierta E b / N 0 (relación señal / ruido normalizada) daría como resultado una cierta tasa de errores de bits. Los sistemas de telecomunicaciones se esfuerzan por aumentar la relación entre el nivel de señal y el nivel de ruido para transferir datos de manera eficaz. El ruido en los sistemas de telecomunicaciones es un producto de fuentes internas y externas al sistema.

El ruido es un proceso aleatorio, caracterizado por propiedades estocásticas como su varianza, distribución y densidad espectral. La distribución espectral del ruido puede variar con la frecuencia, por lo que su densidad de potencia se mide en vatios por hercio (W / Hz). Dado que la potencia en un elemento resistivo es proporcional al cuadrado del voltaje a través de él, el voltaje de ruido (densidad) se puede describir tomando la raíz cuadrada de la densidad de potencia de ruido, lo que resulta en voltios por raíz hertz (). Los dispositivos de circuitos integrados, como los amplificadores operacionales, suelen indicar un nivel de ruido de entrada equivalente en estos términos (a temperatura ambiente).

V / H z
{\ Displaystyle \ scriptstyle \ mathrm {V} / {\ sqrt {\ mathrm {Hz}}}}

Vacilar

Si la fuente de ruido está correlacionada con la señal, como en el caso de un error de cuantificación, la introducción intencional de ruido adicional, llamado dither, puede reducir el ruido general en el ancho de banda de interés. Esta técnica permite la recuperación de señales por debajo del umbral de detección nominal de un instrumento. Este es un ejemplo de resonancia estocástica.

Ver también

Notas

Referencias

Otras lecturas

  • Sh. Kogan (1996). Ruido electrónico y fluctuaciones en sólidos. Prensa de la Universidad de Cambridge. ISBN   0-521-46034-4.
  • Scherz, Paul. (2006, 14 de noviembre) Practical Electronics for Inventors. ed. McGraw-Hill.

enlaces externos

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