Ruido (electrónica)

En electrónica, el ruido es una perturbación no deseada en una señal eléctrica.

El ruido generado por los dispositivos electrónicos varía mucho, ya que es producido por varios efectos diferentes.

En particular, el ruido es inherente a la física y fundamental para la termodinámica. Cualquier conductor con resistencia eléctrica generará ruido térmico de forma inherente. La eliminación definitiva del ruido térmico en la electrónica sólo puede lograrse criogénicamente, e incluso entonces el ruido cuántico seguiría siendo inherente.

El ruido electrónico es un componente común del ruido en el procesamiento de señales.

En los sistemas de comunicación, el ruido es un error o una perturbación aleatoria no deseada de una señal de información útil en un canal de comunicación. El ruido es una suma de energía no deseada o perturbadora procedente de fuentes naturales y, a veces, artificiales. Sin embargo, el ruido se distingue típicamente de la interferencia, por ejemplo en las medidas de la relación señal-ruido (SNR), la relación señal-interferencia (SIR) y la relación señal-ruido más interferencia (SNIR). El ruido también suele distinguirse de la distorsión, que es una alteración sistemática no deseada de la forma de onda de la señal por parte del equipo de comunicación, por ejemplo en las medidas de relación señal-ruido y distorsión (SINAD) y distorsión armónica total más ruido (THD+N).

Si bien el ruido generalmente no es deseado, puede resultar útil en algunas aplicaciones, como la generación de números aleatorios o el tramado.

Las fuentes de ruido no correlacionadas se suman según la suma de sus potencias.

Tipos de ruido

Diferentes dispositivos y diferentes procesos generan diferentes tipos de ruido. El ruido térmico es inevitable a temperaturas distintas de cero (consulte el teorema de fluctuación-disipación), mientras que otros tipos dependen principalmente del tipo de dispositivo (como el ruido de disparo, que necesita una barrera de potencial pronunciada) o la calidad de fabricación y los defectos del semiconductor, como las fluctuaciones de conductancia. incluyendo ruido 1/f.

Ruido térmico

El ruido de Johnson-Nyquist (más a menudo ruido térmico) es inevitable y se genera por el movimiento térmico aleatorio de los portadores de carga (generalmente electrones), dentro de un conductor eléctrico, que ocurre independientemente del voltaje aplicado.

El ruido térmico es aproximadamente blanco, lo que significa que su densidad espectral de potencia es casi igual en todo el espectro de frecuencia. La amplitud de la señal tiene casi una función de densidad de probabilidad gaussiana. Un sistema de comunicación afectado por ruido térmico a menudo se modela como un canal de ruido blanco gaussiano aditivo (AWGN).

Ruido de disparo

El ruido de disparo en dispositivos electrónicos resulta de fluctuaciones estadísticas aleatorias inevitables de la corriente eléctrica cuando los portadores de carga (como los electrones) atraviesan un espacio. Si los electrones fluyen a través de una barrera, entonces tienen tiempos de llegada discretos. Esas llegadas discretas exhiben ruido de disparo. Normalmente se utiliza la barrera de un diodo. El ruido de los disparos es similar al ruido creado por la lluvia que cae sobre un techo de hojalata. El flujo de lluvia puede ser relativamente constante, pero las gotas individuales llegan discretamente.

El valor cuadrático medio de la corriente de ruido de disparo i_n viene dado por la fórmula de Schottky.

${\displaystyle i_{n}={\sqrt {2Iq\Delta B}$

donde I es la corriente continua, q es la carga de un electrón y ΔB es el ancho de banda en hercios. La fórmula de Schottky supone llegadas independientes.

Los tubos de vacío exhiben ruido de disparo porque los electrones abandonan aleatoriamente el cátodo y llegan al ánodo (placa). Es posible que un tubo no presente el efecto de ruido de disparo completo: la presencia de una carga espacial tiende a suavizar los tiempos de llegada (y, por tanto, a reducir la aleatoriedad de la corriente). Los pentodos y los tetrodos de rejilla de pantalla exhiben más ruido que los triodos porque la corriente del cátodo se divide aleatoriamente entre la rejilla de pantalla y el ánodo.

Los conductores y resistencias normalmente no presentan ruido de disparo porque los electrones se termalizan y se mueven de manera difusa dentro del material; los electrones no tienen tiempos de llegada discretos. El ruido de disparo se ha demostrado en resistencias mesoscópicas cuando el tamaño del elemento resistivo se vuelve más corto que la longitud de dispersión electrón-fonón.

Ruido de partición

Cuando la corriente se divide entre dos (o más) caminos, se produce ruido como resultado de fluctuaciones aleatorias que ocurren durante esta división.

Por esta razón, un transistor tendrá más ruido que el ruido de disparo combinado de sus dos uniones PN.

Ruido de parpadeo

El ruido de parpadeo, también conocido como ruido 1/f, es una señal o proceso con un espectro de frecuencia que cae constantemente hacia las frecuencias más altas, con un espectro rosa. Ocurre en casi todos los dispositivos electrónicos y es el resultado de una variedad de efectos.

Ruido de explosión

El ruido de ráfaga consiste en transiciones repentinas en forma de pasos entre dos o más niveles discretos de voltaje o corriente, de hasta varios cientos de microvoltios, en momentos aleatorios e impredecibles. Cada cambio en el voltaje o la corriente de compensación dura de varios milisegundos a segundos. También se le conoce como ruido de palomitas de maíz por los chasquidos o crujidos que produce en los circuitos de audio.

Ruido en tiempo de tránsito

Si el tiempo que tardan los electrones en viajar del emisor al colector en un transistor se vuelve comparable al período de la señal que se amplifica, es decir, en frecuencias superiores a VHF y superiores, se produce el efecto de tiempo de tránsito y el ruido La impedancia de entrada del transistor disminuye. A partir de la frecuencia en la que este efecto se vuelve significativo, aumenta con la frecuencia y rápidamente domina otras fuentes de ruido.

Ruido acoplado

Si bien se puede generar ruido en el propio circuito electrónico, se puede acoplar energía de ruido adicional a un circuito desde el entorno externo, mediante acoplamiento inductivo o capacitivo, o a través de la antena de un receptor de radio.

Fuentes

Ruido de intermodulación

Se utiliza cuando las señales de diferentes frecuencias comparten el mismo medio no lineal.

Crosstalk

Fenomenón en el que una señal transmitida en un circuito o canal de un sistema de transmisión crea interferencias no deseadas en una señal en otro canal.

Interferencias

Modificación o perturbación de una señal que viaja a lo largo de un medio

Ruido atmosférico

También se llama ruido estático, es causado por descargas de rayos en tormentas y otras perturbaciones eléctricas que ocurren en la naturaleza, como la descarga coronaria.

Ruido industrial

Fuentes como automóviles, aeronaves, motores eléctricos de encendido y engranaje de conmutación, alambres de alta tensión y lámparas fluorescentes causan ruido industrial. Estos ruidos son producidos por la descarga presente en todas estas operaciones.

Ruido solar

El ruido que se origina del Sol se llama ruido solar. En condiciones normales, hay aproximadamente radiación constante del Sol debido a su alta temperatura, pero las tormentas solares pueden causar una variedad de perturbaciones eléctricas. La intensidad del ruido solar varía con el tiempo en un ciclo solar.

Ruido cósmico

Las estrellas distantes generan ruido llamado ruido cósmico. Si bien estas estrellas están demasiado lejos para afectar individualmente los sistemas de comunicaciones terrestres, su gran número conduce a efectos colectivos apreciables. El ruido cósmico se ha observado en un rango de 8 MHz a 1,43 GHz, la última frecuencia correspondiente a la línea de hidrógeno de 21 cm. Aparte del ruido hecho por el hombre, es el componente más fuerte sobre el rango de alrededor de 20 a 120 MHz. Poco ruido cósmico debajo de 20MHz penetra la ionosfera, mientras que su eventual desaparición en frecuencias superiores a 1,5 GHz es probablemente gobernada por los mecanismos que la generan y su absorción por hidrógeno en el espacio interestelar.

Mitigación

En muchos casos, el ruido que se encuentra en una señal de un circuito no es deseado. Existen muchas técnicas diferentes de reducción de ruido que pueden reducir el ruido captado por un circuito.

1. jaula Faraday – Una jaula Faraday que encierra un circuito se puede utilizar para aislar el circuito de fuentes de ruido externas. Una jaula Faraday no puede abordar fuentes de ruido que se originan en el circuito mismo o las que se llevan en sus entradas, incluyendo el suministro de energía.
2. Acoplamiento capacitivo – Acoplamiento capacitivo permite que una señal AC de una parte del circuito se recoja en otra parte a través de la interacción de campos eléctricos. Cuando el acoplamiento no está incluido, los efectos pueden abordarse mediante una mejor distribución de circuitos y una puesta en tierra.
3. Loops de tierra – Al aterrizar un circuito, es importante evitar bucles de tierra. Los bucles terrestres ocurren cuando hay una diferencia de tensión entre dos conexiones terrestres. Una buena manera de arreglar esto es traer todos los cables de tierra al mismo potencial en un autobús de tierra.
4. Cables blindados – Un cable blindado se puede considerar como una jaula Faraday para el cableado y puede proteger los cables del ruido no deseado en un circuito sensible. El escudo debe ser castigado para ser eficaz. Colocar el escudo en un solo extremo puede evitar un bucle de tierra en el escudo.
5. Cables giratorios en un circuito reducirán el ruido electromagnético. El giro de los alambres disminuye el tamaño del bucle en el que un campo magnético puede atravesar para producir una corriente entre los alambres. Los bucles pequeños pueden existir entre alambres retorcidos juntos, pero el campo magnético que atraviesa estos bucles induce una corriente que fluye en direcciones opuestas en bucles alternativos en cada alambre y por lo tanto no hay corriente de ruido neto.
6. Filtros de notch – Filtros de notch o filtros de inyección de banda son útiles para eliminar una frecuencia de ruido específica. Por ejemplo, las líneas de energía dentro de un edificio funcionan a 50 o 60 Hz. Un circuito sensible recogerá esta frecuencia como ruido. Un filtro de notch ajustado a la frecuencia de la línea puede eliminar el ruido.

El ruido térmico se puede reducir mediante el enfriamiento de los circuitos; esto normalmente solo se emplea en aplicaciones de alta precisión y alto valor, como los radiotelescopios.

Cuantificación

El nivel de ruido en un sistema electrónico generalmente se mide como una potencia eléctrica N en vatios o dBm, un voltaje cuadrático medio (RMS) (idéntico al nivel de ruido). desviación estándar) en voltios, dBμV o un error cuadrático medio (MSE) en voltios al cuadrado. Ejemplos de unidades de medida del nivel de ruido eléctrico son dBu, dBm0, dBrn, dBrnC y dBrn(f₁ − f_{2< /sub>), dBrn(144 líneas). El ruido también se puede caracterizar por su distribución de probabilidad y densidad espectral de ruido N0(f) en vatios por hercio.}

Una señal de ruido normalmente se considera una adición lineal a una señal de información útil. Las medidas típicas de calidad de señal que involucran ruido son la relación señal-ruido (SNR o S/N), la relación señal-ruido de cuantificación (SQNR) en analógico a conversión y compresión digital, relación pico señal-ruido (PSNR) en codificación de imagen y vídeo y figura de ruido en amplificadores en cascada. En un sistema de comunicación analógico de banda de paso modulada por portadora, una cierta relación portadora-ruido (CNR) en la entrada del receptor de radio daría como resultado una cierta relación señal-ruido en la señal del mensaje detectado. En un sistema de comunicaciones digitales, una cierta E_b/N₀ (relación señal-ruido normalizada) daría como resultado una cierta tasa de error de bits. Los sistemas de telecomunicaciones se esfuerzan por aumentar la relación entre el nivel de la señal y el nivel de ruido para poder transferir datos de forma eficaz. El ruido en los sistemas de telecomunicaciones es producto de fuentes tanto internas como externas al sistema.

El ruido es un proceso aleatorio, caracterizado por propiedades estocásticas como su varianza, distribución y densidad espectral. La distribución espectral del ruido puede variar con frecuencia, por lo que su densidad de potencia se mide en vatios por hertz (W/Hz). Puesto que el poder en un elemento resistivo es proporcional a la plaza del voltaje a través de él, el voltaje de ruido (densidad) se puede describir tomando la raíz cuadrada de la densidad de potencia de ruido, dando lugar a voltios por root hertz (${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {Hz}$). Dispositivos de circuito integrado, como amplificadores operativos comúnmente citan el nivel equivalente de ruido de entrada en estos términos (a temperatura ambiente).

Vibrado

Si la fuente de ruido está correlacionada con la señal, como en el caso de un error de cuantificación, la introducción intencionada de ruido adicional, llamado dither, puede reducir el ruido general en el ancho de banda de interés. Esta técnica permite la recuperación de señales por debajo del umbral de detección nominal de un instrumento. Este es un ejemplo de resonancia estocástica.