Circuitos Electrónicos II. Ruido Eléctrico

Transcripción

1 Circuitos Electrónicos II Ruido Eléctrico

2 Ruido Eléctrico Definiremos ruido como toda señal no deseada que existe en un circuito. Existen diferentes formas de ruido, las más destacadas son: Ruido captado debido a un ineficiente diseño del circuito impreso, lazos de masa, pistas muy largas, etc. Todas estas fuentes las llamaremos extrínsecas. Ruido intrínseco a los componentes utilizados. El ruido nunca se podrá eliminar por completo, pero un diseño adecuado puede minimizar sus efectos.

3 Ruido Eléctrico Se genera debido al movimiento de los electrones en componentes pasivos y activos. Los electrones son elementos discretos, por lo que todas las corrientes y tensiones DC son efecto promedio del movimiento de múltiples cargas. Es claro que los valores instantáneos de V e I diferirán de los valores medios, por ende se asocia una componente AC de señal llamada ruido.

4 Ruido Térmico (o Ruido Johnson ) Surge por la agitación de los electrones en un conductor en equilibrio, lo cual ocurre independientemente de si hay tensión aplicada. Los electrones están en constante movimiento, salvo en el cero absoluto.

5 Ruido Térmico (o Ruido Johnson ) Sólo se origina en los componentes que pueden disipar energía, por lo que los inductores y los capacitores no producen ruido térmico. El valor de tensión/corriente rms se puede calcular como: Donde K = Constante de Boltzmann T = Temperatura en Grados Kelvin f = Ancho de banda de interés

6 Ruido Térmico (o blanco) La amplitud del ruido blanco sigue una f.d.p. Gaussiana (Ruido blanco solamente) Valor Rms de la señal Valor cuadrático medio (i e ). Se obtiene al integrar la Densidad espectral de Ruido sobre el rango de frecuencia de operación.

7 Ruido Centelleo (o 1/f ) Se presenta en dispositivos activos y pasivos. En los transistores el ruido se debe a las trampas asociadas con la contaminación. Estas trampas capturan y liberan portadores de manera aleatoria. Afecta en bajas frecuencias. Su densidad de potencia varía en función de 1/f.

8 Ruido Centelleo (o 1/f ) Una expresión que permite aproximar la corriente de ruido 1/f es: Donde Ic = Corriente DC K = Una constante que depende del tipo de material y de su geometría. f = Ancho de banda de interés f = Frecuencia de esquina Caracterizado por la frecuencia hasta la que su influencia es significativa, llamada corner frequency.

9 Ruido Centelleo (o 1/f ) Frecuencias de Interés

10 Ruido Shot o Ruido Metralla Asociado a la circulación de corriente a través de una barrera de potencial. Schottky analizó que la corriente rms de ruido shot es: Donde Idc = Corriente DC q = Carga del electrón. f = Ancho de banda de interés Para reducir este tipo de ruido debemos mantener la corriente DC lo más pequeña posible.

11 Ruido Shot o Ruido Metralla Al estar asociada con la corriente, cuando la misma deja de fluir, el ruido no tiene más influencia. El Ruido Shot es independiente de la Temperatura

12 Ruido Popcorn Aasociado con la presencia de contaminaciones de iones de metales pesados. Los dispositivos dopados con oro presentan este tipo de ruido. Su amplitud es de 2 a 100 veces el ruido térmico. Donde: Ic = Corriente DC K = Una constante que depende del tipo de material y de su geometría. f = Ancho de banda de interés fc = frecuencia particular para un proceso de ruido dado

13 Ruido Popcorn

14 Tipos de ruido - Resumen Origen Físico Debido a imperfecciones en los materiales - Johnson - Shot - 1/f - Popcorn

15 Ruido en Resistores Todos los resistores generan una tensión de ruido térmico, independiente de su composición. Lo que cambiará según la tecnología de componentes utilizada será el ruido en exceso que presenten los resistores.

16 Tecnología de Resistores A grandes rasgos, dividimos los resistores en tres tipos: Alambre (ej.: resistencias wirewound ) Óptima performance de ruido, pero inductancia parásita muy alta. Film (ej.: metal film) Mayor ruido generado que en las resistencias de alambre pero menor inductancia parásita. A medida que aumenta la frecuencia se prefieren a las de alambre. Composición (ej.: película de carbón, carbón depositado) Peor perfomance. La peor opción en cuanto al ruido.

17 Ruido en Resistores (Ruido Témico ) Se puede modelar a un resistor de la siguiente manera: El valor de tensión/corriente rms se puede calcular como:

18 Ejemplo de Cálculo 1 Calcular el valor Rms de tensión de ruido en un Resistor de 100 K sobre el rango de frecuencias audibles (20Hz 20KHz) a una Temperatura de 25 C Qué tipo de generador usar?

19 Ruido en Resistores Consideremos una fuente de tensión de ruido cuyo valor cuadrático medio es: S(f ): Densidad espectral del ruido f : Ancho de banda Con esto, el valor Rms se puede escribir como:

20 Ruido en Resistores La corriente (tensión) de ruido en el ancho de banda señalado se puede representar mediante un generador de señal senoidal con valor rms

21 Ejemplo de cálculo 2 Se tienen dos resistores R1 y R2 conectados en serie. Cuanto vale Et? (Valor cuadrático medio total) Estos resistores tienen generadores de ruido respectivos:

22 Ejemplo de Cálculo 2 Considerando que las fuentes de ruido son independientes: Con esto se tendrá que: El valor cuadrático medio total, es la suma de los valores cuadráticos medios individuales. No conviene elegir resistores de valores muy altos

23 Ruido en Diodos El ruido que prevalece en los diodos es el Ruido Shot o Ruido Metralla. La amplitud del ruido tiene una fdp Gaussiana. El circuito equivalente será: Este efecto se representa para Pequeña señal y baja frecuencia La señal de ruido tiene fase Aleatoria No tiene polaridad

24 Ruido en Diodos Un análisis más fino nos remite a considerar la resistencia rs, que representa la resistividad del Silicio. Este exhibirá ruido térmico

25 Ruido en Transistores Bipolares Circuito equivalente.

26 Ejemplo de Cálculo Calcular el valor cuadrático medio de vo

27 Ejemplo de Cálculo Generador de Rs: Vo1 Generador de rb: Vo2 Generador de ib R. Metralla + Generador de ic Generador de RL R. 1/f + R. Popcorn Vo4

28 Ejemplo de Cálculo La salida total de vo será (Suponiendo fuentes descorrelacionadas) Vo1 Vo4 Vo5 Vo2 Vo3

29 Ejemplo de Cálculo Que hubiera pasado si no se desprecia C?

30 Ruido en Transistores FET Mayor nivel de ruido dado por la resistencia del canal.

31 Caracterización del ruido de un amplificador Influencia de la Resistencia Interna del Generador Se puede modelar a efectos del ruido a un amplificador de la siguiente manera:

32 Caracterización del ruido de un amplificador Parámetros a considerar ein=tensión de ruido equivalente a la entrada (rms). Se expresa en para una dada frecuencia o en V una vez especificado el ancho de banda. Es la tensión de ruido que aparece a la entrada del amplificador si los terminales de entrada del mismo son cortocircuitados. iin = Es la corriente de ruido equivalente a circuito abierto (rms).

33 Caracterización del ruido de un amplificador Parámetros a considerar Luego vemos que la tensión de ruido total será la suma de las contribuciones de ambas fuentes y del ruido de los resistores

34 Aclaración Para realizar la suma anterior se parte de que las diferentes fuentes de ruido están descorrelacionadas. La suma se realiza mediante la adición de valores RMS de tensiones de ruido.

35 Parámetros de selección de Amplificadores Operacionales de Bajo Ruido Se define la Figura de Ruido como: Siendo: Medida directa de la relación de degradación de la S/N causada por el circuito

36 Parámetros de selección de Amplificadores Operacionales de Bajo Ruido Por su parte, Factor de Ruido (NF) se define tomando el logaritmo de la figura de ruido: Para saber qué valor de Rgen minimiza el NF, derivamos la siguiente expresión e igualamos a 0:

37 Resistencia Óptima de Fuente Se obtiene el valor que minimiza la expresión obteniéndose un NFmín:

38 Comportamiento de los diferentes dispositivos en función de la Rgen

39 Ruido en Amplificadores Operacionales según su etapa de entrada Entradas Bipolares: - Rgen < 1 k - Bajos offsets de entrada y mínima variación de sus parámetros con T. - ein e iin varían fuertemente con la corriente de colector

40 Ruido en Amplificadores Operacionales según su etapa de entrada Entradas FET - Para aplicaciones de alta impedancia Rgen > 1 k - Peores prestaciones que para los dispositivos bipolares a menos que la Rgen sea muy grande.

41 Amplificador Operacional NE5532

42 Amplificador de instrumentación INA217 Texas Instruments

43

44

45 Etapas Amplificadoras en Cascada En el caso de amplificadores en cascada la Figura de Ruido se calcula como: Observando la ecuación se deduce que si la etapa de entrada tiene alta ganancia esta será la dominante en la figura de ruido del sistema

46 Conclusiones Generales: El ruido térmico está presente es todos los componentes que disipan potencia. Los capacitores e inductores no generan ruido. Habrá Ruido 1/f siempre que haya corriente fluyendo a través de un material no homogéneo. En bajas frecuencias el ruido 1/f es la principal fuente de ruido.

47 Conclusiones Para diseño de bajo ruido debemos tener en cuenta: Mantener bajos los valores de los resistores pues el ruido térmico es directamente proporcional dichos valores. Los resistores de alambre son la mejor opción para ruido, seguidos por metal film, óxido de metal, película de carbón y composición de carbón.

48 Conclusiones Mantener las corrientes de polarización al mínimo debido a que los Ruidos 1/f y Shot son proporcionales a la corriente (CUIDADO!: esto degradaría el slew-rate de un amplificador, por lo que se debe establecer un compromiso). La primera etapa de un amplificador generalmente determina la relación señal ruido del mismo, por ende el diseño más cuidado en cuanto al ruido debe concentrarse en esta etapa.

49 Bibliografía Noise Reduction Techniques in Electronics Systems, Ott, 1987 Analysis and Design of Integrated Circuits, Gray-Meyer, 1992 AN 104 Noise specs confusing?, National Semiconductor, Manual de Electrónica Diseño con CI, Meiksin, 1984 Small Signal Amplifier Design, D. Self, 2010 Op Amps for Everyone, B. Carter (Texas