Ruidos

En la inmensa mayoría de los circuitos encontraremos ruido: cualquier señal distinta de la deseada. Estos pueden ser intrínsecos (provenientes de las características de los componentes del circuito) o extrínsecos (provenientes de otro sitio). Veremos de qué tipos hay y cómo pueden evitarse.

Empecemos por los intrínsecos:

Ruido térmico, de Johnson o Nyquist

Se debe a la agitación de las partículas (electrones) debido a la temperatura del componente. Esto crea una corriente instantánea en un punto del componente que, debido a su resistencia, se traduce en una tensión. Por ello está más presente en resistencias altas. Se puede aproximar su valor eficaz:

rtermico

Esta aproximación es estadística ya que su amplitud es totalmente aleatoria, y se sabe que el ruido siempre está presente. Es un ruido blanco: amplitud aleatoria y presente a cualquier frecuencia (ancho de banda infinito).

Ruido shot

Se debe al flujo de corriente a través de una barrera de potencial, por ejemplo en un semiconductor tipo diodo, la tensión de codo o en un transistor la tensión base-emisor.

rshot

También se trata  de un ruido blanco, y aparece siempre que exista una polarización. Depende de la corriente media.

Ruido Flicker

Es causado por el cambio de conductividad entre dos materiales que están en contacto. Por ejemplo en una resistencia las patillas son de un material y el material resistivo interno, distinto. Otro ejemplo es un circuito donde las pistas son de cobre y las soldaduras de estaño.

rflicker

A diferencia de los anteriores, es un ruido rosa, aparece aleatoriamente en cualquier punto del espectro de frecuencias, pero tiene mayor amplitud en las bajas frecuencias. Depende de la corriente media y del material.

Una nota: los ruidos se pueden sumar, en una resistencia aparecería un ruido térmico y un ruido flicker. El shot no porque no existe una polarización. Sin embargo, al tratarse de valores estadísticos, la adición debe ser cuadrática.

rsuma

¿Cómo evitar estos ruidos?

  • Amplificadores de bajo ruido: algunos operacionales o amplificadores de instrumentación se caracterizan por tener muy bajo ruido.
  • Evitar señales de bajo nivel
  • No emplear valores altos de resistencia
  • Mantener la temperatura baja
  • Emplear resistencias de calidad
  • Evitar potenciómetros o elegirlos de calidad
  • Realizar soldaduras homogéneas
  • Cuidar el diseño del circuito en etapas preamplificadoras

Ahora veamos los ruidos extrínsecos:

Acoplamiento por impedancia común

Si se diseña mal una etapa del circuito y se conectan las masas en serie, aunque parezca que no importa, esto puede generar un ruido dependiente de la corriente que pase por la línea de masa debido a su resistencia (mínima, pero existente). Para verlo mejor:

rrres

Para evitar esto se pueden conectar las masas en paralelo lo más cerca a la masa posible:

mparalelo

De ésta forma la corriente a masa de un circuito no afecta a los demás... Solo a sí mismo. Para minimizar la resistencia a masa se usan planos muy grandes y muy cercanos al punto de conexión.

También se debe separar las masas lo máximo posible (no físicamente, sino simplemente evitar la conexión) en un circuito analógico y digital para que estas dos partes no interfieran entre sí. Aquí se puede observar cómo ambas sólo se conectan por un cable:

masaseparada

 

Acoplamiento capacitivo

Se produce a causa de la capacidad existente entre dos conductores. Siempre hay una capacidad. Si te sitúas en el centro de una habitación y por las paredes pasan cables de red, entre tú y el cable de red existe una capacidad. Hay un circuito perturbador (red) y un circuito perturbado.

 

 capac

fcap

Una técnica para limitar este ruido es el apantallamiento de cables. Se trata de una malla alrededor del conductor de la señal que nos interesa que, conectada a masa, redirige la interferencia a masa impidiendo que se introduzca a la señal. Un ejemplo de ésto es el cable coaxial o algunos cables de audio de mayor calidad.

También se puede apantallar un circuito en placa mediante el apantallamiento en dos dimensiones.

El apantallamiento debe estar preferiblemente puesto a masa, pero si no se dispone de ésta en el punto necesario, se puede conectar a un punto de baja impedancia, por ejemplo la salida de un operacional.

Acoplamiento inductivo

Se produce por la inductancia parásita de los cables, lo que puede ser simplemente un cable en línea recta o en espiras, un poco enrollado, con un giro... Así que siempre está presente.

iform

Este ya es más complicado de reducir. Una de las opciones es un blindaje magnético rodeando el circuito de un material ferromagnético que desvíe el campo magnético a través de sí mismo.

El siguiente método parece lo más estúpido del mundo, y lo habréis visto mil veces, y si está tan visto es porque funciona. Es el trenzado de cables. Mediante esta técnica el campo magnético atraviesa ambos cables a la vez, pero induce corrientes en sentidos contrarios, de forma que se restan y desaparece. La mayor parte.

trenzado

Acoplamiento por alimentación

En ocasiones la fuente de alimentación tiene un rizado, esto es casi inevitable, y dicho rizado se cuela en el circuito y causa ruidos. Para evitarlo se suelen añadir condensadores de desacople entre alimentación y masa, lo más cerca posible del circuito, por lo general al lado mismo de la patilla de alimentación del integrado en cuestión.

Estos condensadores son de gran capacidad si se sitúan más cerca de la fuente (más de 1 uF), y de entre 10 y 100 nF si están próximos al circuito.

Los operacionales además tienen un parámetro llamado Power Supply Rejection Ratio (PSRR), que se define en decibelios y es la reducción de ruido de alimentación. Es decir, para una amplitud de ruido en la alimentación a cierta frecuencia se da una cierta amplitud de ruido a la salida.

psr

Consideraciones en el diseño de PCB

Para reducir estos ruidos se diseñan las placas teniendo en cuenta lo siguiente:

  • Separar las fuentes de alimentación para las partes analógica y digital
  • Separar los planos de masa analógico del digital y conectarlos sólo mediante un cable cerca de la fuente
  • Rellenar las zonas entre dos conductores de señal con un plano de masa para evitar acoplamientos
  • Poner buffers, filtros y referencias cerca de la señal analógica y alejarlos de circuitos digitales (como un reloj)
  • Usar SMD cuando sea posible (los terminales son más cortos y evitan ruidos

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