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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 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
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
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