RUIDO E INTERFERENCIAS

Referencias bibliográficas

Instrumentación electrónica, M.A. Pérez García y otros, Ed. Thomson

Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits,

S. Franco, Ed. McGraw Hill

RUIDO E INTERFERENCIAS

• Señal indeseada que perturba la señal de interés. – Interferencias electromagnéticas externas

– Ruido interno o inherente a los componentes

– No idealidades de los componentes (offset, etc)

– Sensibilidad cruzada (a otras magnitudes)

• Sistemas de instrumentación son muy susceptibles – Presencia de señales débiles

– Cableados complejos

• Para disminuir su efecto hay que determinar: – Las fuentes de interferencia

– Las partes del sistema susceptibles de actuar como receptores o emisores de interferencias

– Los mecanismos de acoplamiento (vías por las que llegan al sistema)

INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS

• Deterioro de la señal producido por el

efecto de la radiación electromagnética.

• Compatibilidad electromagnética (EMC):

capacidad de un sistema para funcionar en

un entorno de campos electromagnéticos y

sin influir en él.

FUENTES DE INTERFERENCIAS

Tipo Ejemplo

Fuentes naturales de

EMI

Terrestre Rayos

Relámpagos

Descargas electrostáticas

Extraterrestre Energía solar

Rayos cósmicos

Ruido estelar

Fuentes artificiales

de EMI

Sistemas eléctricos Motores y generadores

Líneas de distribución y transporte

Aparallaje eléctrico

Hornos de arco

Equipos de soldadura

Iluminación

Sistemas electrónicos Equipos de comunicación

Radar

Computadores y sistemas de control

Fuentes de alimentación y accionadores

Sistemas industriales

Otros sistemas Sistemas de encendido

Sistemas de ultrasonidos

Pulso nuclear

MECANISMOS DE ACOPLAMIENTO

• CONDUCTIVO – Entre la fuente y el receptor existe algún camino (explícito o no)

de circulación de corriente.

• CAPACITIVO – Entre dos conductores (fuente y receptor) se genera un campo

eléctrico

• INDUCTIVO – Un campo magnético variable producido por las corrientes de un

circuito fuente genera tensiones en el circuito receptor

• RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA – El comportamiento entre fuente y receptor se asemeja a antenas

de emisión y recepción.

ACOPLAMIENTO CONDUCTIVO

• IMPEDANCIA

ENTRE LÍNEAS

• IMPEDANCIA

COMÚN

FUENTE

R

V

in

VÍCTIMA

1

i1

i2

Z

2

)iZ(iv 21Z

Los aislantes que separan los

conductores no son perfectos.

Tienen poca influencia (solo cuando

hay líneas de alta tensión cercanas

al circuito)

Frecuente en sistemas con

bloques diferenciados pero

conectados entre sí a la misma

fuente de alimentación

Impedancia común

dt

di

dt

di2L)i)(iR2R(VV 21

L21SLCCC

Hay que cuidar que:

- Las etapas de potencia no perturben a los bloques analógicos y digitales.

- Los bloques digitales (pulsantes) no perturben las señales analógicas.

Reducción de interferencias:

-Reducir la distancia entre la fuente y el circuito (menor RL, LL)

-Aumentar la sección del cableado (menor RL)

-Usar condensadores de desacoplo entre alimentación y tierra para

reducir los picos de corriente y las fluctuaciones de la alimentación.

-Conexiones en estrella en vez de en serie.

1

G

2

Fuente de alimentación

i 1

i 2

G

i 1 + i 2 R

L L

L

R L L L 2

1

R S

V’ cc

V cc

Conexionado en serie y paralelo

Fuente de

alimentación Tarjeta 3

Tarjeta 1

+ 0

Tarjeta 2

+ 0

+ 0+ 0

220 V

Fuente de

alimentación Tarjeta 3

Tarjeta 1

+ 0

Tarjeta 2

+ 0

+ 0+ 0

220 V

1 2 3

A

B C

D

A B C

Fuente

D

Z1

Z2

Z3 i3

i2i1

1 2 3

A

B

C

Fuente

D

Z1

Z2

Z3

i3i2

i1

A

B C

D

Conexionado poco

recomendable

Conexionado

recomendable

(a) (b)

Bucles de tierra

1

2

R

RVVV Tso

Tierras con una diferencia de

tensión en la referencia (VT)

R s

Equivalente del sensor

A

B

Circuito 1

R 1

R 2

V o

C

D R

1

R 2

V T

Circuito 2

V s

V s

R s

A

B R

1

R 2

V o

C

D R

1

R 2

A

V T

V T

V s

Equivalente del sensor

R 1

R 2

V o

Tierra

Tierra

Masa

V T

A

B C

D

Circuito 1 Circuito 2

R s

V s

R 1

R 2

V o

Masa

B C

D A

V o

R s

V T

Solución: uso de amplificadores diferenciales

(de instrumentación o de aislamiento)

1

2

1

2][R

RV

R

RVVVV sTTso

ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

FUENTE

VÍCTIMA

V1

C1G

C2G

C12

R2G

VN

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0,00001 0,001 0,1 10 1000 100000 10000000 1E + 09 1E + 11

VN

VN

= jR2G

C12

V1

log

VN

= V1

C12

C12

+C2G

=

1

R2G

(C12

+C2G

)

1

2122

122

)(1V

CCRj

CRjV

GG

GN

Reducción de interferencias capacitivas:

- Reducir C12: Aumentar la distancia entre conductores

- Pantallas o blindajes del receptor

- Guardas activas

i

FUENTE

VÍCTIMA

Z

Circuito equivalente

Apantallamiento

VÍCTIMA

CPG

R2G

C2P

PANTALLA

V1

V1

FUENTE C1P

FUENTE C1P

C2P

CPG

VÍCTIMA

PANTALLA

VÍCTIMA

C2P

VP

Z

V1

PANTALLA

C2P

VÍCTIMA

VNZ

P

P

PN V

ZCj

ZCjV

2

2

1

Para que el apantallamiento sea

efectivo la pantalla debe estar

conectada a una tensión

constante o tierra (ω=0).

Pantalla: malla metálica que rodea a un conductor o circuito

Guardas activas

Vs

Ra

Cc

Ca

Sensor

Amplificador no-inversor

Rs

Conductor que rodea al de la señal y que está conectado al mismo

potencial de la señal.

Interesantes cuando se mide señales procedentes de sensores con

impedancias de salida muy elevadas (p.ej. piezoeléctricos).

- La resistencia del sensor y las

capacidades (del cableado y de entrada

del amplificador) forman un filtro paso-

bajo de ancho de banda muy reducido.

- Existen fugas de corriente a través del

aislante del cable (Ra) y reduce la tensión

que llega al amplificador.

Rs

SensorPotencial idéntico

Cg

Cc

Vs

Al estar al mismo potencial el conductor y

la guarda, no hay corrientes de fugas ni

las capacidades se cargan y descargan

ACOPLAMIENTO INDUCTIVO

VÍCTIMA

V1

R2

R1GI

1

FUENTE

A R3

VÍCTIMA

V1

R2

R1G

FUENTE

M12

VN

V1

R3

R2

R1G

VN

dt

dIMV 1

12N

En el receptor se induce una tensión cuando hay una variación de flujo atravesando

el área que define el circuito.

dt

)Sd Bd(VN

Reducción de interferencias:

- Separar los circuitos (B disminuye con la distancia)

- Disminuir el área del receptor: cables trenzados o adecuado diseño de pistas

- Reorientar los circuitos para que cosθ=0

- Evitar vibraciones o movimientos para que las variaciones sean nulas si B y S ctes

Circuito equivalente

Cables trenzados

Señal

Instrumento

Campo magnético

Vs

Rs Vint

/2

Vs-V

int

(a)

(b)

Rs

Vs

Ri

Ri

Vint

/2

Señal

Vs

Instrumento

(a)

(b)

Rs

Campo magnético

Ri V

sV

s

V’int

/2

V’int

/2

V’int

/2

V’int

/2V’int

/2

V’int

/2 V’int

/2

V’int

/2 V’int

/2

V’int

/2

V’int

/2

V’int

/2

Conductor paralelo sometido a un

campo magnético

Conductor trenzado sometido a un

campo magnético

RUIDO INTRÍNSECO

dttxtxT

XXdttxtxT

XT

nnnn

T

nnn

021

2

2

2

10

2

21

2 )()(2

)()(1

2/1

0

2 )(1

T

nn dttxT

X

Ruido intrínseco: Fluctuaciones aleatorias de carga en un conductor

Debido a su naturaleza aleatoria, sus propiedades se definen estadísticamente

Root-mean-square value (valor rms) Xn de una magnitud xn(t)

T: intervalo de tiempo de promediado

Mean square value: Xn2 representa la potencia media disipada por xn(t) en

una resistencia de 1 Ω

Muchas formas de ruido tienen distribuciones Gaussianas o normales

El valor instantáneo de la amplitud

de la señal de ruido puede tener

cualquier valor pero la mayoría del

tiempo su valor está en torno al

valor medio ±3σ (varianza)

Suma de varias fuentes de ruido

Señales no correlacionadas 2

2

2

1 nnn XXX

RUIDO INTRÍNSECO

df

dEfe n

n

22 )(

df

dIfi n

n

22 )(

2/12 )(

H

L

f

fnn dffeE

Noise power density: En

2, In2 : valores cuadráticos medios

de la tensión o corriente de ruido

Spectral noise density:

2/12 )(

H

L

f

fnn dffiI

)( fen )( fin(V/√Hz) (A/√Hz)

En, In: valores rms de la tensión o

corriente de ruido

Tipos de ruido según su espectro en frecuencia:

-Ruido blanco: densidad espectral uniforme

-Ruido 1/f: densidad de potencia

nwn efe )( nwn ifi )(

LHnwn ffeE LHnwn ffiI

f

Kfe v

n

22 )(

f

Kfi i

n

22 )(

)/ln( LHvn ffKE )/ln( LHin ffKI

Tipos (o fuentes) de ruido

TRkfe BR 4)( BTRkdfTRkfE BB )4()4()(2

RTkfi BR /4)(

Ruido térmico o ruido Johnson: causado por la agitación térmica de los

portadores de carga en un conductor o semiconductor.

Está presente en todos los elementos resistivos.

Es un ruido blanco (densidad espectral uniforme)

Se modela como una tensión de ruido en serie con una resistencia o

como una corriente de ruido en paralelo con una resistencia.

kB: constante de Boltzmann (1.38x10-23 J/K)

T: temperatura absoluta (K)

R: resistencia en ohms

B: ancho de banda (Hz)

BRTkdfRTkfI BB )/4()/4()(2

Tipos (o fuentes) de ruido

BqIdfqIfI dcdc 22)(2 dcsh qIfi 2)(

f

IKfi

a

F )(2

Ruido shot: asociado con la corriente que fluye a través de una barrera de

potencial. Es debido a la fluctuación de corriente en torno a un valor medio

que resulta de la emisión aleatoria de electrones (o huecos).

Está presente en tubos de vacio y dispositivos como diodos o transistores.

Es un ruido blanco (densidad espectral uniforme)

Se modela como una corriente de ruido.

q: carga del electrón (1.6x10-19 C)

I: corriente dc media (A)

B: ancho de banda (Hz)

Ruido de contacto, ruido Flicker o ruido 1/f: causado por la conductividad

fluctuante debido al contacto imperfecto entre dos materiales o a la presencia

de trampas que capturas y liberan portadores aleatoriamente.

Está presente en interruptores, dispositivos activos (transistores)

Es un ruido con densidad espectral 1/f

Se modela como una corriente de ruido.

)/ln()(2

LH

aa ffKIdff

IKfI

K: constante que depende del material y geometría

I: corriente dc media (A)

a: constante entre ½ y 2

f: frecuencia (Hz)

Tipos (o fuentes) de ruido Ruido “popcorn” o ruido burst (descarga): debido a defectos en la

fabricación. Puede ser eliminado o reducido optimizando el proceso de

fabricación. Frecuentemente está causado por defectos (generalmente

impurezas metálicas) en las uniones de los dispositivos.

Está presente en dispositivos (diodos) y circuitos integrados.

Es un ruido con caracterísitica 1/fn, con n generalmente 2

Se modela como una tensión de ruido.

Ruido de avalancha: debido a la aleatoriedad de los choques y picos de

corriente por avalancha: los electrones, bajo la influencia de un campo

eléctrico intenso adquieren suficiente energía potencial para crear pares e-h

adicionales, que a su vez crean otros en un proceso de avalancha.

Está presente en diodos Zener (muy ruidosos).

Se modela como una corriente de ruido.

Ruido de salida y ENB

Equivalent Noise Bandwidth (ENB)

Filtro de primer orden

Ruido en dispositivos y C.I.

Generalmente se modela como una tensión y una corriente de ruido

con componentes de ruido blanco y 1/f

Ruido 1/f

Ruido blanco

f

Kee nwn 22

Cálculo de ruido en un amplificador

Ruido para cada fuente:

3 n n

Cálculo de ruido en un amplificador

df

R

RReRiRikTRkTRE nnpnnTrms

2

1

212222244

Si se toma R=R3=R1||R2 (minimiza el efecto de la bias and offset currents)

dfAeE noinTrms 22

df

R

RRe

R

RR

RR

RRi

R

RR

RR

RRi

R

RR

RR

RRkT

R

RR

RR

RkTRE nnpnnTrms

2

1

212

2

1

21

2

21

212

2

1

21

2

21

12

2

2

2

1

21

21

21

2

1

21

21

12 44

Log (R)

nV

/√H

z

en

√2Rin

√(8kTR)

ein

R→0: ein→en (en short-circuit noise)

R→∞: ein→√2Rin (in open-circuit noise)

Para valores intermedios de R puede dominar el ruido térmico

Menor ruido si R3=0 (pero menor compensación de las

corrientes bias y offset)

Señales y ruido

n

s

n

s

X

X

X

XSNR log20log10

2

2

oo

ii

NS

NSF

/

/

Signal-to-noise-ratio (SNR):

Xs: valor rms de la señal

Xn: valor rms del ruido

Noise factor

Figura de mérito para determinar la calidad de una señal en presencia de ruido

Figura de mérito para determinar la calidad (frente al ruido) de un circuito

Input Signal-to-Noise power Ratio/output signal-to-noise power ratio

2

2

)( in

on

AV

VF

Von: total ouput noise voltage

Vin: input noise voltage

A: voltage gain