Ruido en A.O. - Diseño de Circuitos y Sistemas Electronicos 2012

Tema: Análisis de ruido
en circuitos electrónicos
DCSE
Índice
Introducción
Tipos de ruido
Caracterización del ruido
Ejemplos de ruido
Ruido en A.O.
Ruido en circuitos electrónicos
Definición y propiedades
Cualquier perturbación o fluctuación indeseada que altera la
señal (corriente o tensión) que se debe procesar
Generalmente de naturaleza impredecible
No podemos predecir su valor instantáneo
Pero podemos conocer/estimar sus propiedades
estacionarias
“Nuevos” métodos de análisis
Inevitable, aunque minimizable
Limita la capacidad máxima de nuestros sistemas
Especialmente para niveles de señal muy bajos
Ruido en circuitos electrónicos
Suma de fuentes de ruido
Generalmente incorrelados entre sí
En general se suman en potencia
In2
Principio de superposición
In1
No se cancelan mutuamente
In2
I nequivalente = ( I + I )
2
1n
2
2n
E1n
Enequivalente
2
2
=
+
E
(
E
E
)
n
1
n
2
n
equivalent
e
Enequivalente
E2n
R3
R4
2
2
= e (
) + e4 n (
)2
R3 + R4
R3 + R4
2
3n
Ruido en circuitos electrónicos
Enequivalente
Tipos de ruido: origen
Externo o interferente
Perturbaciones provocadas por otras partes del propio
circuito o por elementos exteriores
Eléctrico:
capacidades parásitas
Magnético:
inductancias mutuas
Electromagnético:
cada terminal, conexión o pista puede actuar como una antena
Interno o inherente
Provocado por el movimiento aleatorio browniano de los
portadores de carga (electrones o huecos) en el interior de
componentes:
pasivos (resistencias…)
activos (A.O…)
Ruido en circuitos electrónicos
Tipos de ruido: predictibilidad
Periódico:
Típicamente interferente
Ruido de red (50 Hz)
Aperiódico intermitente
Aleatorio
Generalmente estacionario
Caracterizable mediante estadísticos
Media y varianza
Densidad espectral de potencia de ruido
Ruido en circuitos electrónicos
Minimización del ruido
Filtrado de espurios
Desacoplo de alimentación
Minimización del ancho de banda
Apantallamiento electromagnético
Guarding de amplificadores
Mejoras en el layout: enrutado y colocación
Diseño de masas
Reorientación de componentes
Empleo de mejores componentes
Resistencias pequeñas
Componentes de bajo ruido
Ruido en circuitos electrónicos
Caracterización del ruido
Valor eficaz
En tensión o en corriente
T
1 2
XN =
xn (t )dt
∫
T 0
Factor de cresta:
valor de pico/valor eficaz (gaussiano: <6,6 >99,9%)
T
Potencia de ruido
Disipada en 1Ω
1
X N2 = ∫ xn2 (t )dt
T 0
Relación señal ruido
SNR = 10 • log10 ( X S2 / X N2 )
10mVpp
Sensor
10Vpp
Amplif.
Ruido referido:
1,22µV
Ruido referido:
1,22mV
Ruido en circuitos electrónicos
ADC
12 bits
Ruido:
½ LSB
Caracterización espectral del ruido
Densidad espectral de potencia de ruido
2
Potencia disipada por el ruido en 1Ω sobre un
dX
2
n
x
f
(
)
=
n
ancho de banda de 1Hz alrededor de f
df
2
2
Se mide en V /Hz o A /Hz
Densidad espectral de ruido
dX n2
xn ( f ) =
Se mide en V / Hz o A / Hz
df
Valor eficaz (RMS) en la banda fl-fh
fh
Valor continuo que disipa la misma potencia que
X n = ∫ xn2 ( f )df
el ruido en esa banda
fl
Ancho de banda equivalente de ruido (NEB)
Ancho de banda del ruido blanco “equivalente”
en potencia total
NEB=1,57·f0 (si paso bajo y orden 1)
Ruido en circuitos electrónicos
Tipos de espectros de ruido (I)
Ruido blanco
Constante a todas las frecuencias
2
xn2 ( f ) = xnw
= cte
fh
Xn =
2
x
∫ n ( f )df = xnw ( f h − fl )
fl
Ruido 1/f
Menor ruido en alta frecuencia
1
x (f)=K
f
2
n
2
1
xn ( f ) = K
f
Ruido en circuitos electrónicos
fh
X n = K ln
fl
Tipos de espectros de ruido (II)
Ruido 1/f
Mayor ruido en baja frecuencia
Ruido constante en alta frecuencia
Parámetros:
xnw: ruido blanco
fce: corner frequency
Asíntota en baja frec
-1dec/dec (densidad de potencia)
-0,5 dec/dec (densidad)
Predomina
el ruido 1/f
Predomina el
ruido blanco
f ce
x ( f ) = x (1 +
)
f
2
n
2
nw
X n = xnw f ce • ln(
fh
fl
) + ( f h − fl )
Ruido en circuitos electrónicos
Tomado de S. Franco
(2002)
Ruido electrónico blanco (I)
Ruido térmico o Johnson
Presente en resistencias
Incluso si parásitas
Debido al movimiento térmico
aleatorio de portadores
Independiente de la corriente
Incluso de la de polarización
en2 ( f ) = 4kTR
in2 ( f ) = 4kT
R
k=1,38·10-23
T=temperatura absoluta en Kelvin
A 25ºC, si R en KΩ:
en = 4 R
(nV
Hz
)
Ruido en circuitos electrónicos
R sin
ruido
R sin
ruido
Tomado de S. Franco
(2002)
Ruido electrónico blanco (II)
Valor eficaz del ruido térmico de una resistencia
de 1K a 25ºC sobre 1Hz
T=298,16ºK
E2n=4·1,38·30-23·298,16(ºK)·1(Hz)·1000(Ω)=
16,5·10-18V2
En= 4·nV
… a 77ºK:
En= 2·nV
… a 4,2ºK
En= 0,5·nV
Ruido en circuitos electrónicos
Ruido electrónico blanco (III)
Ruido de granalla o shot
Presente en uniones en directa
Diodos, base-emisor…
Debido a las corrientes que
estadísticamente cruzan una
barrera de potencial
ruido
Depende de la corriente de
shot
polarización
q=1,602·10-19 (carga del electrón)
Ruido en circuitos electrónicos
in2 ( f ) = 2qI
TRT sin
ruido
B
D sin
ruido
ruido
shot
Tomado de S. Franco
(2002)
Ruido electrónico blanco (IV)
Valor eficaz del ruido shot en una unión pn por la
que circulan 10mA sobre 10KHz
T=298,16ºK
I2n=2·1,6·10-19·10000(Hz)·0,01(A)= 32·10-18A2
In= 5,7·nA
Ruido en circuitos electrónicos
Ruido electrónico 1/f
Ruido de parpadeo o flicker
Presente en componentes activos (y
resistencias de carbón)
Diodos, base-emisor…
Debido a las corrientes que
estadísticamente se liberan en
defectos, contaminantes…
Depende de
la calidad de fabricación
la corriente continua
K=cte de dispositivo
A=cte de dispositivo
a
I
in2 ( f ) = k
f
TRT sin
ruido
B
ruido
flicker
½<a<2
Ruido en circuitos electrónicos
Tomado de S. Franco
(2002)
Ruido en A.O. (blanco+1/f)
Resultado de la combinación de
numerosos ruidos internos
incorrelados
A.O. sin
ruido
ruido
Impedancias internas
Uniones pn y np
ruido
El fabricante lo caracteriza
referido a sus entradas
ruido
2 fuentes de corriente de ruido
Tomado de S. Franco (2002)
1 fuente de tensión de ruido
i (f)=i
2
nx
2
nwx
f cix
(1 +
)
f
X n = xnw f cx ⋅ ln(
fh
fl
f ce
e ( f ) = e (1 + )
f
) + fh − fl
2
n
2
nw
Ruido en circuitos electrónicos
Ruido en A.O.:blanco+1/f (II)
Ejemplo OP-27:
Fci=140 Hz
Inw=0,4 pA/Hz1/2
Fce=2,7 Hz
Enw=3 nV/Hz1/2
Ruido en circuitos electrónicos
Tomado de S. Franco (2002)
Ruido en A.O.:blanco+1/f (III)
µA741:
Fci=2000 Hz
Inw=0,5 pA/Hz1/2
Fce=200 Hz
Enw=20 nV/Hz1/2
Valor eficaz en 0,1-100Hz
E2n=202·10-18·200·ln(100/0,1)+100-0,1
En=0,77µV
Valor eficaz en 20-20000Hz
E2n=202·10-18·200·ln(20000/20)+20000-20
En=2,92µV
Ruido en circuitos electrónicos
Tomado de S. Franco (2002)
Ruido en circuitos con A.O. (I)
Múltiples fuentes de ruido
Referimos todo el ruido a las entradas del A.O.
Equivalentes (Thevenin/Norton)
Movilidad de generadores
Superposición “en potencia”
A.O. sin
ruido
Ruido en circuitos electrónicos
Tomado de S. Franco (2002)
Ruido en circuitos con A.O. (II)
¿Qué impedancia ve cada generador de ruido?
¿qué ruido induce cada generador en las entradas?
Suma en potencia (nunca resta)
(4kT/R1)1/2
(4kT/R2)1/2
Ruido en
cto. abierto
A.O. sin
ruido
Ruido
térmico
(4kT/R3)1/2
Ruido en
cortocto.
Ruido en circuitos electrónicos
Tomados de S. Franco (2002)
Ruido en circuitos con A.O. (III)
¿qué ruido induce cada
R1 + R2 2
E = e3 ⋅ (
)
R1
resistencia en la salida?
2
3
E x2 = 4kTRx
2
E22 = e2
2
E12 = e1 ⋅ ( R2
2
Tomados de Texas Instrument
SLVA043A
Ruido en circuitos electrónicos
R1
)2
Ruido en circuitos con A.O. (IV)
¿qué ruido induce cada
resistencia en la salida?
E x2 = 4kTRx
E12 = ii ⋅ (R2 ) 2
2
E22 = i2 ⋅ R22
2
E32 = i3 ⋅ R32 ⋅ (
2
Tomados de Texas Instrument
SLVA043A
Ruido en circuitos electrónicos
R1 + R2 2
)
R1
Ruido en circuitos con A.O. (VI)
¿qué ruido induce el
A.O en la salida?
E p2 = e p ⋅ (
2
R1 + R2 2
)
R1
2
Enp
= inp ⋅ R32 ⋅ (
2
Enn2 = inn R22
2
Tomados de Texas Instrument
SLVA043A
Ruido en circuitos electrónicos
R1 + R2 2
)
R1
Ruido en circuitos con A.O. (VII)
¿qué ruido induce las
resistencias en la salida?
ex2 = 4kTRx
E12 = e1 ⋅ (
2
E22 = e2
Tomados de Texas Instrument
SLVA043A
R2 2
)
R1
2
Ruido en circuitos electrónicos
E42 = e4 ⋅ (
2
R3
R + R2 2
)2 ⋅ ( 1
)
R3 + R4
R1
E32 = e3 ⋅ (
2
R4
R + R2 2
)2 ⋅ ( 1
)
R3 + R4
R1