Ruido en electrónica

Definición y Clasificación

El proceso de transmisión de señales siempre tiene involucrada perturbaciones e interferencias no deseadas, que son producidas por señales ajenas a las mismas. Estas señales ajenas son las que ocasionan el ruido en los sistemas de comunicaciones, dado a que estas generalmente no son deseadas porque producen una distorsión en la recepción de la señal original. Las señales que producen ruido en estos sistemas son de origen aleatorio y entre distintas fuentes de ruido, se las puede clasificar en: a) Ruido producido por el hombre. b) Perturbaciones naturales y erráticas que ocurren irregularmente. c) Ruido de fluctuación.

Ruido producido por el hombre

El ruido producido por el hombre se debe a la recepción de señales indeseables provenientes de otras fuentes tales como contactos defectuosos, artefactos eléctricos, radiación por ignición y alumbrado fluorescente. Este ruido puede evitarse, eliminando la fuente que lo produce.

Ruido por perturbaciones naturales y erráticas.

El ruido natural errático puede proceder de relámpagos, tormentas eléctricas en la atmósfera, ruido intergaláctico, eclipses, o disturbios atmosféricos en general.

Ruido de fluctuación

Este tipo de ruido, aparece dentro de los sistemas físicos y son ocasionados por fluctuaciones espontaneas como el movimiento término ( o movimiento browniano) de los electrones libres dentro de un resistor, la emisión (aleatoria) de los electrones en válvulas de vacío y la generación aleatoria, recombinación y difusión de portadores (huecos y electrones) en semiconductores. A este tipo de ruido se los divide en dos tipos: ruido de disparo y ruido térmico.

Ahora se realizará una exposición detallada sobre las clasificaciones del ruido de fluctuación, ya que estos son debidos a los componentes físicos con que están construidos los sistemas de comunicaciones-

Ruido de disparo

Este tipo de ruido se produce en dispositivos con tubos de vacío y con semiconductores. En los tubos de vacío este tipo de ruido se debe a la emisión aleatoria de electrones del cátodo. En los dispositivos semiconductores es causado por la difusión aleatoria de los portadores minoritarios, generación y recombinación aleatoria de los pares electrón-hueco.

Sea el ejemplo de la figura, donde el ruido de disparo va a estar dado por la emisión electrónica del cátodo caliente en un diodo. A una temperatura dada, el número promedio de electrones emitidos por segundo es constante; sin embargo el proceso de la emisión electrónica es aleatorio. Esto significa que a distintos intervalos de tiempo pequeños, el número de electrones emitidos no será el mismo, sino que estará dado en forma aleatoria. Sin embargo, en promedio, la emisión electrónica es constante si se consideran grandes períodos de tiempo. Por lo tanto, la corriente formada por los electrones emitidos no es constante sino que fluctúa alrededor de un valor medio.

La corriente total i(t) puede considerarse compuesta de una corriente constante Io y una corriente de ruido in(t) con un valor medio de cero. i(t) = Io + in(t) Espectro de densidad de potencia del ruido de disparo.

Como la componente in(t) de la corriente total es de naturaleza aleatoria, no puede especificarse en función del tiempo; sin embargo, esta representa una señal aleatoria estacionaria y se especifica por medio de su espectro de densidad de potencia. Puesto que existen ñ pulsos por segundo, se puede esperar que el espectro de densidad de potencia de in(t) sea ñ veces mayor que el espectro de densidad de energía de ie(t). Entonces si:

Entonces Si(?), el espectro de densidad de potencia de in(t), está dado por

Ie() es la transformada de Fourier de ie(t) y se puede encontrar como sigue:

donde q es la carga del electrón y ?a el tiempo de tránsito ( el tiempo que tarda el electrón en alcanzar la placa). Aplicando la transformada tengo:

Substituyendo esta en la primer ecuación, tengo que:

El espectro de densidad de la potencia promedio se puede representar como función de omega (?), pero observando esta última ecuación es mucho más fácil representarla como función de

El espectro de densidad de potencia del ruido de disparo se puede considerar como constante para frecuencia inferiores a 100 MHz. Es decir para estas frecuencias:

Este espectro de densidad de potencia se ve afectado además por la densidad de carga espacial si la tensión aplicada entre el cátodo y el ánodo es más baja a la utilizada. En este tipo de operación el nivel de ruido será menor y el espectro de densidad de potencia va a estar dado por:

Donde ? es una constante definida por la constante de Boltzman, la temperatura del cátodo y la transconductancia del tubo. En general, para los cálculos se suele representar un diodo ideal sin emisión de ruido en paralelo con una fuente de corriente de ruido in(t). La siguiente figura muestra esta configuración:

En los tubos triodos, pentatodos y otros multielectrodos, los mecanismos de producción del ruido de disparo son en esencial similares a los que se presentan en un diodo limitado de carga espacial. En estos el espectro de densidad de potencia estará dado por:

donde k = constante de Boltzman, Tc = temperatura del cátodo en grados Kelvin, T = temperatura ambiente en grados Kelvin, gm = transconductancia dinámica.

En este tipo de componentes además existirá una componente de ruido en la tensión de entrada.

Ruido térmico

Este tipo de ruido se debe al movimiento aleatorio de los electrones libres en medios conductores tales como resistores. Debido a su energía térmica, cada electrón libre dentro de un resistor está en movimiento; la trayectoria del movimiento de un electrón es aleatoria debido a sus colisiones. El movimiento de todos los electrones establece la corriente eléctrica por el resistor. La dirección del flujo de corriente es aleatoria y su valor medio es cero. Se puede demostrar que su espectro de densidad de potencia está dada por:

donde k es la constante de Boltzman, T la temperatura ambiente, G es la conductancia del resistor (en mhos) y ? es el número promedio de colisiones por segundo de un electrón.

El orden de magnitud de ? es de 1014 número de colisiones por segundo , por lo que el espectro será esencialmente plano a frecuencias muy altas. Este se puede considerar plano hasta frecuencias en el rango de 1013 Hz. Por lo tanto, la contribución de ruido térmico de cualquier circuito está limitada al ancho de banda del mismo, así que generalmente se considera que el ruido térmico tiene un espectro de densidad de potencia constante, es decir que contiene componentes de todas las frecuencias. A este tipo de ruido, por su particularidad se lo llama RUIDO BLANCO. Por lo tanto, una resistencia R se puede representar por una conductancia G (1/R) no ruidosa en paralelo con una fuente de corriente de ruido (in) con un espectro de densidad de potencia 2kTG, como se ilustra en la figura. Esta también puede representarse con un equivalente de Thévenin, donde: