jueves, 21 de marzo de 2013

El ruido en electrónica


Las señales van sufriendo pequeñas deformaciones a su paso por los distintos circuitos y por los medios de transmisión, que si no se corrigen o restablecen pueden terminar con un mal funcionamiento del circuito en su conjunto.

A estas deformaciones de las señales que no son deseables y se producen en muchos casos de una manera arbitraria, se les denomina ruido. 





  • ORIGEN DEL RUIDO 
La primera pregunta que nos hacemos nada más ver una señal que está algo deformada por fenómenos ajenos a lo diseñado en el circuito, es decir, una señal con ruido, es de donde proviene dicho ruido.

La respuesta a esta pregunta es muy variada, o dicho de otro modo, hay muchas maneras de producir ruido a una señal determinada. Al mismo tiempo, dependiendo del tipo de señal, de la clase de circuito, de los medios de transmisión, etc. las fuentes de ruido pueden provenir de muy diversos lugares, ya que habrá circuitos que no se dejen influenciar por un determinado tipo de ruido y si lo hagan por otro y viceversa.

Para poner algunos ejemplos podemos decir que el ruido introducido en los cables de transmisión de las líneas telefónicas tiene un origen diferente del producido en una radio por la proximidad de una motocicleta cercana. El ruido de intermodulación producido en los circuitos de radiofrecuencia es diferente del posible ruido que pueda llevar una señal digital y, al mismo tiempo, esta señal digital puede verse afectada también por señales de radiofrecuencia que se superponen a los impulsos digitales.

En general, los motores eléctricos las señales de neón, las líneas de potencia los sistemas de encendido, el alumbrado, etc. son elementos que generan campos eléctricos y magnéticos que pueden generar unas tensiones de ruido suficientemente importantes en los circuitos eléctricos cercanos.

Peor para realizar una visión más general del tema, comenzaremos identificando los diferentes tipos de ruidos más habituales en electrónica, veremos sus agentes generadores, sus efectos sobre las señales y los medios más utilizados para minimizar su efecto al máximo sin dañar la señal con la que trabajamos.

  • EL RUIDO TERMICO
Comenzamos por este tipo de ruido porque es el más importante y el más difícil de eliminar de cualquier circuito eléctrico, ya que es algo intrínseco al mismo.

El ruido térmico viene producido por los movimientos aleatorios de los electrones dentro de cualquier dispositivo conductor que utilicemos (una resistencia, un condensador, los propios hilos y pistas del circuito impreso, los diodos, los transistores, etc.

Cualquier cuerpo que esté en reposo, es decir, sin aplicación de ninguna tensión exterior, tiene una temperatura interna que obliga a que los electrones se estén moviendo de una manera aleatoria por las moléculas del mismo. A medida que aumentamos la temperatura de dicho cuerpo, la energía de que disponen los electrones para su movimiento es cada vez mayor. Este movimiento caótico de millones de electrones en todas las direcciones hace que en ciertos momentos haya más electrones que se muevan de abajo a arriba que el contrario. Esto hace que se cree un pequeño voltaje en el interior del componente.
En otro momento dado, la cantidad de electrones en movimiento puede ser contraria a la que hemos visto, por lo que se generará un voltaje diferente y con signo contrario al anterior. En definitiva, se están creando continuamente una serie de pequeños picos de tensión en ausencia de señal que se traducen en un pequeño nivel de tensión aleatoria en todo el circuito.

Posteriormente, cuando aplicamos una cierta excitación al componente, la señal de salida será la suma de la señal de entrada más estas pequeñas (pero a veces importantes) variaciones de señal, que al ser posteriormente amplificadas, tomarán un valor nada desdeñable.

Como cualquier otro voltaje, el ruido térmico tiene un cierto valor que se puede calcular aproximadamente y que viene determinado por la fórmula:

ruido: 4kTB voltios

o expresado en vatios:

ruido = kBT varios

donde:

k es la constante de Boltzmann y es igual a 1,37 x 10-23.

T es la temperatura del componente en grados Kelvin (273 + la temperatura normal) y B es el ancho de banda sobre el que va a trabajar el componente dentro de un determinado circuito.

Las variaciones que experimentan los electrones en el interior del componente, tanto en amplitud como en frecuencia, hacen que el ruido térmico pueda distribuirse prácticamente en todo el espectro de frecuencias, ya que contiene componentes de muchas frecuencias diferentes. 


Mediante una complicada deducción matemática se demuestra que la distribución del ruido en el campo de las frecuencias es como se muestra en la figura correspondiente en donde el ruido se distribuye de una manera uniforme en todo el espectro de frecuencias como suponíamos anteriormente.

Como hemos dicho anteriormente, el ruido térmico es imposible de eliminar; tan sólo nos queda la posibilidad de controlarlo. Es decir, podemos calcular de una manera teórica, u obtener de una manera práctica, el ruido que produce un determinado circuito a una manera práctica, el ruido que produce un determinado circuito a una determinada temperatura; por lo tanto, si hacemos que el circuito funciones siempre alrededor de esta temperatura de funcionamiento podremos predecir su comportamiento ante una señal determinada. En una palabra, introducimos el nivel de ruido del circuito como un parámetro más a tener en cuenta en el diseño del mismo.

Así, en muchos circuitos críticos encontramos que están compensados en temperatura, lo cual no quiere decir otra cosa más que ante variaciones de la temperatura de trabajo, el circuito responde con un reajuste interno de modo que la respuesta del mismo no varíe. El ejemplo práctico más común en los equipos de radio (y unos de los factores que determinan su calidad), lo tenemos en los osciladores patrones internos que llevan, donde interesa que la estabilidad de la frecuencia de salida sea la mejor posible.

  • RUIDO DE INTERMODULACION
Este tipo de ruido surge por el paso de dos señales de frecuencias diferentes a través de un dispositivo con una función de transferencia no lineal.

Supongamos que tenemos dos señales diferentes de frecuencias F1 y F2 y que las hacemos pasar a través de un dispositivo no lineal. La salida de dicho dispositivo no será una mezcla sin más de estas señales, sino que será el conjunto de estas señales de entrada más los diferentes productos de intermodulación que se produzcan.

A estos productos de intermodulación se les denomina espurios.

Las frecuencias de intermodulación pueden aparecer tanto dentro de la banda de trabajo del dispositivo como fuera de ella y en la mayoría de los casos será necesario eliminarlos, o como mal menor, atenuarlos en lo posible.

Los productos de intermodulación pueden ser producidos por las señales en cuestión, por los productos de los armónicos de dichas señales o por los productos de una o ambas señales con dichos armónicos.

  • RUIDO DE IMPULSO
El ruido de intermodulación puede ser provocado por muy distintas causas.
Entre ellas podemos citar las siguientes:

Una mala selección de los puntos de trabajo de los componentes. Es decir, si hacemos trabajar a los componentes de un circuito en sus zonas límite, es posible que nos salgamos de sus regiones de trabajo lineales, con lo que hacemos qué un dispositivo que estaba pensado para trabajar de un modo lineal se comparte como uno no lineal y nos produzca intermodulaciones entre las señales con las que trabaja.
Un impropio alineamiento de los módulos de un circuito que produzca que éste funcione de un modo no lineal.
Una falta de correlación entre los diferentes retardos producidos en un circuito.

El modo de paliar este tipo de ruido o de eliminarlo es hacer un correcto estudio del funcionamiento del mismo, intentando comprobar que algunos de estos motivos no sean los que nos lo produzcan. En el caso de que todo esté probado habría que filtrar de manera que podamos eliminar aquellas frecuencias armónicas que no se deseen.

A medida que la electrónica digital se ha ido imponiendo en el desarrollo de cualquier equipo, este tipo de ruido ha ido aumentando en importancia. A diferencia del ruido térmico que era más o menos uniforme en todo el ancho de banda, el ruido de impulso es algo esporádico que puede ocurrir en cualquier momento y a veces por las situaciones y motivos menos imprevistos.

El ruido de impulso consiste, pues, en un número indeterminado de impulsos aleatorios que, dependiendo del origen de los mismos y su amplitud pueden llegar a alterar la información que procesa un circuito digital y en algunos casos extremos, llegar a dañar algún componente.

El origen del ruido del impulso puede ser natural (como, por ejemplo, los picos de tensión introducidos por los rayos en las tormentas); de tipo eléctrico (producido en ciertos equipos al encender o apagar equipos próximos, debido a un mal aislamiento de las alimentaciones); electromagnético (al marcar los números de teléfono en los modelos antiguos se inducen impulsos en los circuitos próximos), etc.

En los circuitos digitales, y muy concretamente en los equipos de comunicaciones digitales, es muy importante tener una buena protección contra este tipo de ruido, ya que si el impulso producido es de una amplitud similar a la de los niveles digitales, los equipos pueden tomar estos impulsos esporádicos como datos transmitidos, obteniéndose una recepción errónea de la comunicación.

A medida que va aumentando la velocidad de transmisión en los equipos de comunicaciones este tipo de ruido se hace más crítico, ya que la transmisión es mucho más vulnerable y los impulsos de la señal transmitida se hacen más estrechos. asemejándose en cuanto a duración a los impulsos de ruido.

Las soluciones a este tipo de ruido suelen consistir en filtros colocados en las líneas de transmisión de manera que amortigüen el efecto del impulso de ruido y que dejen pasar el impulso de los datos de la transmisión.

  • RUIDO ATMOSFERICO y GALACTICO
En un principio, las líneas telefónicas y telegráficas eran aéreas, ya que era el medio más económico de instalación. Con el tiempo se pudo comprobar que dichas líneas se dejaban influenciar notablemente por las alteraciones atmosféricas (rayos, relámpagos, tormentas, etc.), y por los cambios provocados indirectamente por equipos desarrollados por el hombre (el ruido de una motocicleta, ruido de un avión, etc.), aparte de que el deterioro de los cables de transmisión es más fuerte en este tipo de líneas. Por estos motivos se ha optado por realizar el trazado de las líneas bajo tierra, de manera que puedan estar más protegidas ante las perturbaciones de los elementos externos.

Por otro lado, actualmente, ha habido un gran desarrollo en las comunicaciones vía satélite. Esta clase de comunicaciones se ve afectada por las perturbaciones que provocan las partículas que emanan del sol y otros astros, de los vientos solares, etc.; por lo que todos estos equipos deben ir protegidos de los correspondientes sistemas a fin de que el ruido introducido por este tipo de agentes sea el mínimo posible.

En definitiva, el ruido es un agente no deseable en la electrónica, que es producido por una gran diversidad de elementos, y que, en cada aplicación específica, deberán ponerse los medios adecuados para conseguir que su efecto sobre el funcionamiento correcto de los circuitos sea el mínimo posible. 



Espero haber ayudado en algo. Hasta la próxima oportunidad! 

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