RUIDO EN AMPLIFICADORES
IntroducciónEl ruido eléctrico es cualquier señal eléctrica que se suma a una señal existente, la señal útil (música) que se pretende amplificar. El nivel de ruido determina el límite inferior de una señal, por debajo de él la señal no es válida. Se oye eso, ruido, en forma de silbidos o zumbidos, y enmascara a la señal útil. En el caso del audio puede ser permisible que exista un fondo de ruido, al fin y al cabo somos capaces de distinguir esas señales, pero es sumamente nolesto, y como el objetivo es la máxima fidelidad al sonido original, hay que eliminarlo. En el caso de los aparatos de medida, transmisión de datos, etc, el tem a del ruido es mucho menos inocuo. un nivel de ruido demasiado alto da medidas imprecisas o crea errores en la transmisión. Un ruido eléctrico es muy diferente a un ruido ambiental. Los ejemplos más conocidos en un equipo de audio son el silbido de fondo de las cintas y vinilos, y el zumbido de 50 (interferencia), conocido como hum. Tipos de ruido eléctrico.Un ruido eléctrico puede aparecer de dos maneras diferentes:
Interferencias / EMIPrimero definiremos las siguientes siglas:
Entre estas siglas, explicaremos brevemente en qué consisten dos de ellas, las más importantes: EMC: Es la manera en la que emite EMI un equipo, y su habilidad para injerir en el correcto funcionamiento de otro equipo. Ejemplo: Cuando enciendes el microondas en la tele salen rayas. Lógicamente un aparato debe producir poca EMI, es lógico que no se puede poner un microondas en una sala de operaciones de un hospital, aunque el la película "South Park" salga. No es compatible con los precisos y delicados aparatos de medicina. EMS: Es la forma en la que un equipo es sensible a la EMI recibida desde otros equipos. Ejemplo: Una tele funciona correctamente hasta que se le llega EMI de un microondas y aprarecen rayas. También un aparato es mejor cuanto más inmune (menos susceptible) sea a la EMI. Un caza debe ser extremadamente inmune a la EMI, de hecho gran parte de sus circuitos, principalmente los estabilizadores, están fabricados con válvulas de vació, que además de resistir muy bien EMI, EMP, resiten perfectamente NEMP. Como es lógico, esto es caro, si hasta la cafetera estuviese obligada a resistir un ataque nuclear, nadie tendría una cafetera eléctrica. En el estudio de EMI hay tres bloques básicos. Emisores de EMI, caminos de acoplamiento y receptores de EMI.
Las maneras más obvias de luchar contra EMI son atajar cualquiera de estos tres bloques. Se puede aislar la fuente, se pueden poner pantallas electromagnéticas en los emisores o receptores, o se pueden inmunizar los receptores, o varias de ellas. Los efectos que produce la EMI en un receptor son muy variados, y la Unión Europea establece las siguientes categorías.
Tampoco todas las formas de EMI son iguales: Se establecen las siguientes categorías según su origen.
Por el medio de propagación también se establecen las siguientes categorías:
La principal diferencia entre EMI radiada y acoplada es la distancia. Las bandas de frecuencias típicas que tiene cada tipo de EMI son:
Ruidos aleatorios.Ruido térmico o de Johnson.Es un ruido aleatorio que se genera por la agitación térmica de los portadores. Su espectro de frecuencias es plano, es un ruido blanco. Se genera en cualquier elemento que se comporte como una resistencia. se mide como un voltaje y es el límite infereior de ruido alcanzable para cualquier elemento con resistencia. Depende diréctamente de la resistencia y de la temperatura (en ºK).
K es la constante de Boltzman y B en ancho de banda.
Ruido de disparo.Se genera en todas las uniones semiconductoras por el hecho de que la carga es discreta. Para grandes corrientes (1A) sus efectos son completamente despreciables, pero para intensidades del orden de 1pA, puede suponer un 5.6% de la señal. Su espectro es plano.
q es la carga de un electrón, y B el ancho de banda. Ruido de baja frecuencia.Se genera por la inhomogeneidad de la materia. A diferencia de los dos anteriores ruidos, su espectro decae inversamente proporciona a la frecuencia (1/f), es un ruido rosa.
Es un ruido añadido al ruido Johnson y al de disparo que depende del tipo de resistencia.
El ruido de la base de un transistor BJT también es un ruido de baja frecuencia. Medidas del ruido.Densidad de ruidoEn las medidas de ruidos aleaotrios, éstas dependen del ancho de banda elegido. La densidad de ruido elimina este inconveniente para los ruidos blancos.
Así la medida del ruido no depende del ancho de banda. Se mide en: También se suele indicar la medida del ruido como la densidad elevada al cuadrado, Cuando se spuerponen dos señales de rudio, la sume RMS es:
Relación señal-ruido.Es una medida que indica cúanto mayor es la señal útil respecto de la señal de ruido.
Significa signal-noise ratio, y se mide en dB. Cuando el ancho de banda es estrecho, convienen indicarlo. Cuanto más alto sea, mejor.
Figura de ruidoEl ruido de Johnson es el límite inferior de ruido de cualquier sistema. Nada puede estar por debajo de él, pero a éste ruido se le pueden sumar otros. La figura de cuiro define la relación entre el ruido de Johson de un sistema,
... y el ruido total de ese mismo sistema.
Se define la figura de ruido (noise figure) como
La figura de ruido es una medida de cómo de optimizado para bajo ruido está el sistema. El ruido de Johnson sólo se puede bajar enfriando el circuito o bajando las resistencias, cosas que no son ni obvias ni inmediatas. Pero con otras técnicas como mejorar la calidad de las resitencias, transistores, aumentar las corrientes de polarización, y evitar EMS, se pueden bajar los otros tipos de ruido a niveles más bajos. La figura de ruido se mide en dB y es mejor cuanto más baja sea (así el sistema no estará aportando otros tipos de de ruido). Es una medida relativa, y debe prestarse atención a si el circuito está optimizado para tener un bajo ruido de Johnson, en un sistema donde se amplifica una señal con impedancia de salida Rs=1MOhm no es dificil que NF sea de 1dB o menos, en cambio cuando Rs=2Ohm, es fácil que el ruido dominante no sea el ruido de Johnson.
Temperatura de ruidoEs un concepto semejante al de figura de ruido. Es la relación entre el ruido total del sistema y el ruido de Johnson, pero basándose en temperatura, no en una relación en dBs La temperatura de ruido es la temperatua a la que el ruido de Johnson alcanza el ruido total a temperatura estándar (suelen ser 17ºC, 290ºK)
Ruido en amplificadores.Sea el amplificador del tipo que sea (discreto, monolítico, un simple transistor) se puede utilizar el siguiente modelo:
En es una fuente de ruido de voltaje, e In es una fuente de ruido de corriente. Normalmente los transistores bipolares tienen menos ruido de voltaje y mayor ruido de corriente que los Jfet. Los mosfet tienen un ruido de corriente ínfimo, pero un ruido de voltaje bastante elevado. Ésto es un artificio para calcular luego todo el nivel de ruido de manera más cómoda. Hay que recordar que el ruido se amplifica, y que acada elemento aporta su parte de ruido, por lo que es mejor cuanto menos halla, y en cuantas menos etapas se amplifique una señal. Conviene comentar que el ruido de voltaje se divide por raíz de n, siendo n el número de amplificadores colocados en paralelo. Como contrapartido, el ruido de corriente se multiplica por raíz de n en ese mismo caso.
Esto se deduce de las leyes de Kirchoff y del circuito anterior, junto a la suma de densidades de ruido. Diseño de bajo ruido en amplificadores.Ya hemos dicho antes que hay un fondo de ruido por debajo del cual no se puede bajar. Habitalmente éste es el ruido de Johnson de la resistencia de la fuente. Pero hay que estar seguro de que está optimizado de esa manera, y habitualmente es muy difícil llegar a ese nivel tan bajo. En un amplificador operacional se amplifica voltaje, por lo que lo más importante es que el ruido de voltaje sea lo menor posible. En el equivalente anterior hemos visto que hay dos fuentes de ruido.
Ahora tenemos que el ruido de voltaje a la entrada del amplificador será el ruido de Rs, más el ruido de voltaje del propio amplificador, más un término muy importante: el ruido de corriente multiplicado por la resistencia Rs, que proporcione un tercer térnimo de voltaje.
De estos tres término, hormalmente Rs no se puede modificar. Puede ser una cabeza lectora de una cinta, una cápsula fonocaptora, una salida de un electreto (que además tendrá otros ruidos)... Se trata de que el ruido dominante sea el de Rs. Para ello, la elección del amplificador es crítica. Se debe elegir un amplifcador que tengo un ruido de voltaje menos que el ruido de la fuente, y luego se debe comprobar que el ruido de corriente multiplicado por Rs no supera a ninguna de los términos. Ejemplo 1)El LT1028 de Linear Technologies es el operacional con más bajo ruido de voltaje de mercado, 0,85 nV/Hz^.5, que es el ruido que produce una resistencia de 40 Ohm a temperatura ambiente. Los transistores de entrada son bipolares. Cuesta alrededor de 18 euros la unidad. El TL071 de Texas, ejemplo típico operacional con transistores de entrada Jfet, tiene un ruido de entrada de 18 nV/Hz^.5, 22 veces mayor que el TL1028. Cuesta 50 céntimos la unidad, la 36ª parte.del coste del LT1028. Para igualar la cifra del LT1028 (poniéndo los TL071 en paralelo) se necesitan 484 TL071, o 121 TL074, que es la versión cuádruple del TL071. Desde este punto de vista, el LT1028 tiene más que justificado su alto coste. Ejemplo 2)Pero ahora tratamos de amplificar una señal de una sonda que tiene una resistencia de salida de 100kOhm. La densidad de ruido de ésta resistencia es de 41 nV/Hz^.5 Vemos de sobra que cualquiera de los dos operacionales disponibles puede servirnos, ambos tienen su ruido de voltaje por debajo de el de Rs. Pero el término del ruido creado por la intensidad en el LT1028 serían 180nV/Hz^.5, con un ruido de corriente en el peor caso de 1.8pA/Hz*.5. En el TL071 el ruido de corriente es de 0,01pA/Hz^.5, por lo que el ruido creado por la corriente es de 1nV/Hz^.5, con lo cual la elección esta clara. En este caso el TL071 es superior. 
Ejemplo 3)...Próximamente: cálculo del ruido en un circuito más complejo con ganancia. Problemas de tierras.La tierra en un diseño de bajo ruido debe considerarse como una señal más, ya que el voltaje no existe por si sólo, lo que existe es la diferencia de potencial. No se puede amplificar algo sin no hay una tensión de referencia. Esto se puede comprobar fácilmente cuando se mide algo con un osciloscoipo y no se conecta la tierra. En ese caso los efectos son exagerados, pero es un ejemplo de lo que ocurre a un nivel más pequeño. Las conexiones nunca son perfectas, los cables tampoco, tienen efectos parásitos de capacidad, inductancia y resistencia. y sólo por poner un ejemplo, una pista de 10/1000 " y 10cm tienen 1uH. A frecuencias de 1mHz esa pista no se parece ni en pintura a una conexión ideal. PCBsYa hemos adelantado uno de los problemas de las PCBs, l ainductancia, pero además esta´la resistencia. Esto hace que para una pista de 10/1000", y 10cm de longitud, con la resistividad del cobre de 0,016Ohm·mm^2/m, y el espesor del cobre en la PCB de 35um.
Cuando a esta pista le pase 1mA(RMS), estrá produciendo una caída de tensión de 180uV(RMS), si pensamos en una señal de V(RMS)=1V, el error producido es de -75dB en DC, algo que no es posible permitir si se pretende trabajar con 24 bit, a no ser que se tenga en cuenta, que debería, porque un error así (muy común en equipos comerciales baratos) hace que tampoco se pueda trabajar con los 16 bits habituales. Esto se puede calcular, y se puede ver qué interacciones tiene con el propio circuito. Pero ahora imaginemos que esa pista no está en exclusiva para un sólo circuito, sino que es compartida entre dos.
Ésta última técnica, la biblia del bajo ruido, se llama interconexión en estrella, porque todas las tierras deben partir de un único punto y desde el dirigirse a todos los demás. Un punto muy importante de esta técnica es que el chasis sólo debe estar conectado a éste punto, y no debe utilizarse como toma a tierra. Esto es más grave en circuitos de señal mixta, DACs y ADCs. donde los veloces circuitos Cmos hacen difícil el control de EMI, y a 16MHz todas las pistas tienen alrededor de 1 Ohm o más de impedancia. El uso de condensadores cerámicos SMD entre las patas de alimentación de los circuios digitales es obligado. Se pueden llegar a extremos mucho más drásticos, como hacer una alimentación exlusiva para cada parte (digital y analógica), ponerlas con cables de red (de 220V) independientes, chasis independienes...
Ésto es símplemte una introducción, hay miles de técnicas para mantener a raya el ruido, y eso que en esta sección no nos hemos ocupado de los acoplamientos de EMI entre pistas, un tema bastante espinoso donde aislar la fuente de EMI (relojes, CIs digitales en general, osciladores de HU, VHF o UHF) es crítico y para ello se deben usar planos de tierra,anilos de ferrita, o incluso carcasas metálicas en PCB.
Conexión entre equipos.Éste es también un tema delicado. Incluso algo tan simple como dar la vuelta al enchufe puede eliminar ruidos, y esto está certificado por muchos fabricantes. La alimentación de red no es limpia, lleva EMI conducida. Cuando dos equipos tienen exactamente el mismo ruido de alimentación es como si no tuviesen ruido, pero esto no es común. Normalmente hay diferencias entre las alimentaciónes, y por supuesto, entre las tierras. Para distancias cortas, el típico cable aprantallado puede valer, pero desde luego no es un buen método para proteger una señal contra el ruido. El punto 1 y más importante de todos: La malla no debe conducir corriente. Esto hace que no se comporte como una pantalla eléctrica y realmente proteja de ruidos. Y esto deja al RCA en un lugar bastante malo. Realmente, el RCA es una mala inversión, y peor cuanto más caro. RCA.Una hembra RCA de audiófilo (aislante de teflón y baño en oro de gran espesor) cuesta mucho más que un conector XLR estándar, siendo que una entrada XLR funciona mucho mejor a nivel de calidad, respeto a la señal, capacidad parásita, aislamiento contra ruido, no se afloja con el uso y con el tiempo, el contacto es bueno y soporta varios amperios, se queda enganchado. En definitiva... todo es mejor. Pero el tema del audio está anquilosado en los tiempos de los dinosaurios y por eso se mantienen fósiles y errores, por mantener la compatibilidad. Una posible solución al RCA (siguiendo con el RCA)es usar un cable con dos hilos+ malla, o usar un transformador de entrada.
Señales balanceadas y pseudodiferenciales.Una señal balanceada es una señal que lleva dos veces la misma señal, y permite eliminar el ruido de interferencia que recoge en un cable largo, del estilo de 25 metros o 400m, que es mucho.
Al final de la línea se requiere un circuito que "reste" las dos señales, y así cancele el ruido. En electrónica analógica, restar no es tan fácil como sumar, todo depende de un parámetro llamado CMRR, rechazo al modo común, que mide cuánto se amplifica la resta de dos señales iguales respecto a cómo se amplificaría una sola. Debería ser 0 (infinitos dBs), pero esto no es posible.
En el caso de los transformadores, es algo parecido. En el campo de las señales balanceadas, el uso de transformadores está muy extendido, y dan un buen resultado (122dB CMRR @ 50Hz), aunque los precios son caros.
La etapa diferencial de entrada es el bloque básico de la interconexión. Los cables que van en pares trenzados reciben exactamente la misma cantidad de ruido externo (de interferencia), y esta es la explicación de porqué ahora la tierra es una señal más: porque lleva la información del ruido. Sin ésta información el ruido no se puede eliminar, así que hay que guardarla y sobre todo: USARLA para reducir el ruido. Hay dos claves: no conducir corriente por la malla y recoger la infomración de ruido para restarla, de la manera que sea.
Ferritas.
Transformadores.
El primer fenómeno asociado es el comportamiento paso alto, que se produce por la imposibilidad del primario de inducir al secundario. que en audio deben tener el punto e -3dB al menos a 20Hz y para trabajar con calidad, como mínimo, a 5 Hz. Y luego está el comportamiento paso bajo, producido por la inductancia del primario, -3dB como mínimo debe estar a 20kHz y es aconsejable que esté a 100kHz o más. Aparte de esto, se puede producir un pico en la respuesta al final de la banda, por la capacidad parásita entre los bobinados, lo cual es muy pernicioso ya que el CMRR disminuye de manera crítica. Para solucionar este problema los buenos tranformadores llevan una pantalla eléctrica que se conecta a tierra, así la capacidad parásita no afecta al secundario. Y en el comportamiento ante la señal, es normal que tengan alrededor de un 0,1% de distorsión armónica ante 0dBv, mayor cuanto más nos acercamos al principio y al final de la banda, y los que llegan a cifras del 0,001% son bastante caros (alrededor de 100€) En todo caso, a pesar de estos problemas que generan, otra cifra habla por sí sola: >120dB de rechazo al modo común (CMRR). Este es el motivo de su uso y esto es lo que hace que sean imprescindibles, aparte de producir aislamientos de 1-5kV y eliminar problemas de inteconexión de tierras. Esto hace que en un preamplificador de micrófono con varios metros de cable, lo único que es capaz de reducir el ruido y sus armónicos sea un transformador de línea. Su uso en emisoras de radio, TV, estudios de grabación es prácticamente obligado porque el uso de muchos metros de cable conlleva la recogida de ruido, y es realmente la única manera de eliminarlo.
Circuito de guarda.Hay otro caso, más crítico que los anteriores. Es el caso de una salida de alta impedancia (un micrófono, una cápsula fonocaptora, una cabeza magnética...). Aquí el uso de una pantalla eléctrica es crítico, ya que además, éstas fuentes suelen dar señales muy bajas y la relación señal-ruido empeora. 
En muchos casos es imposible añadir una etapa amplificadora a la mínima distancia posible, debe haber un cable en medio. La degradación que produce el cable, por su capacidad unida a una alta impedancia de salida (limitan el ancho de banda), es muy alta, La solución para estos casos donde hay que tener una porción de cable entre la fuente y el receptor es el circuito de guarda. Se trata de poner un cable con dos pantallas. La exterior va conectada a tierra en uno sólo de los extremos, como es habitual, pero la interior va conectada a la salida de un buffer rápido. De esta manera sigue habiendo capacidad entre la señal y la malla, pero están las dos al mismo voltaje, con lo cual no pasa nada. Con la pantalla exterior también hay capacidad, pero como está atacada desde la baja impedancia de salida del buffer, no hay problemas. La malla exterior se encarga de actuar como pantalla electromagnética, y a eso también le ayuda la pantalla interior. | ||||||||||||||||||||
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