Ruido (electrónica)

En electrónica , el ruido es una perturbación no deseada en una señal eléctrica. ^{[1] : 5}

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 central para la termodinámica . Cualquier conductor con resistencia eléctrica generará ruido térmico de manera inherente. La eliminación final del ruido térmico en la electrónica solo se puede lograr 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 de fuentes naturales y, a veces, artificiales. Sin embargo, el ruido se distingue típicamente de la interferencia , ^[a] por ejemplo, en las medidas de relación señal-ruido (SNR), relación señal-interferencia (SIR) y relación señal-ruido más interferencia (SNIR). El ruido también se distingue típicamente 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 tener una finalidad 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. ^[2]

Los distintos dispositivos y procesos generan distintos tipos de ruido. El ruido térmico es inevitable a temperaturas distintas de cero (véase el teorema de fluctuación-disipación ), mientras que otros tipos dependen principalmente del tipo de dispositivo (como el ruido de disparo , ^{[1] [3]} que necesita una barrera de potencial pronunciada) o de la calidad de fabricación y de los defectos de los semiconductores , como las fluctuaciones de conductancia, incluido el ruido 1/f .

El ruido de Johnson-Nyquist ^[1] (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 , lo que ocurre independientemente de cualquier 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 frecuencias . La amplitud de la señal tiene una función de densidad de probabilidad muy similar a la de Gauss . Un sistema de comunicación afectado por el ruido térmico suele modelarse como un canal de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN).

El ruido de disparo en los dispositivos electrónicos es el resultado 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 presentan ruido de disparo. Normalmente, se utiliza la barrera en un diodo. ^[4] El ruido de disparo 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 de lluvia individuales llegan discretamente. ^[5]

El valor cuadrático medio de la corriente de ruido de disparo i _n se da mediante 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 Δ B es el ancho de banda en hercios. La fórmula de Schottky supone llegadas independientes.

Los tubos de vacío presentan ruido de disparo porque los electrones abandonan el cátodo y llegan al ánodo (placa) de forma aleatoria. Es posible que un tubo no presente el efecto completo del ruido de disparo: la presencia de una carga espacial tiende a suavizar los tiempos de llegada (y, por lo tanto, reduce la aleatoriedad de la corriente). Los pentodos y los tetrodos de rejilla de pantalla presentan 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 no suelen presentar ruido de disparo porque los electrones se termalizan y se mueven de forma difusa dentro del material; los electrones no tienen tiempos de llegada discretos. Se ha demostrado la presencia de ruido de disparo en resistencias mesoscópicas cuando el tamaño del elemento resistivo se hace más pequeño que la longitud de dispersión electrón-fonón. ^[6]

Cuando la corriente se divide entre dos (o más) caminos, ^[7] 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.

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

El ruido de ráfaga consiste en transiciones repentinas, como 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 varios milisegundos o segundos. También se lo conoce como ruido de palomitas de maíz por los sonidos de estallido o crujido que produce en los circuitos de audio.

Si el tiempo que tardan los electrones en viajar desde el emisor al colector en un transistor se vuelve comparable al período de la señal que se amplifica, es decir, a frecuencias superiores a VHF y superiores, se produce el efecto del tiempo de tránsito y la impedancia de entrada de ruido del transistor disminuye. A partir de la frecuencia en la que este efecto se vuelve significativo, aumenta con la frecuencia y domina rápidamente a otras fuentes de ruido. ^[8]

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

Ruido de intermodulación

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

Diafonía

Fenómeno en el que una señal transmitida en un circuito o canal de un sistema de transmisión crea una interferencia no deseada en una señal en otro canal.

Interferencia

Modificación o interrupción de una señal que viaja a través de un medio

Ruido atmosférico

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

Ruido industrial

Fuentes como automóviles, aviones, motores eléctricos de encendido y equipos de conmutación, cables de alta tensión y lámparas fluorescentes provocan ruido industrial. Estos ruidos son producidos por las descargas presentes en todas estas operaciones.

Ruido solar

El ruido que se origina en el Sol se denomina ruido solar . En condiciones normales, la radiación solar es aproximadamente constante debido a su alta temperatura, pero las tormentas solares pueden provocar diversas perturbaciones eléctricas. La intensidad del ruido solar varía con el tiempo en un ciclo solar .

Ruido cósmico

Las estrellas distantes generan un ruido llamado ruido cósmico. Si bien estas estrellas están demasiado lejos como para afectar individualmente a los sistemas de comunicaciones terrestres , su gran número produce efectos colectivos apreciables. Se ha observado ruido cósmico en un rango de 8 MHz a 1,43 GHz, siendo esta última frecuencia la que corresponde a la línea de hidrógeno de 21 cm . Aparte del ruido provocado por el hombre, es el componente más fuerte en el rango de aproximadamente 20 a 120 MHz. Poco ruido cósmico por debajo de los 20 MHz penetra en la ionosfera, mientras que su desaparición final a frecuencias superiores a 1,5 GHz probablemente esté gobernada por los mecanismos que lo generan y su absorción por el hidrógeno en el espacio interestelar. ^{[ cita requerida ]}

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

1. Jaula de Faraday: una jaula de Faraday que encierra un circuito se puede utilizar para aislarlo de fuentes de ruido externas. Una jaula de Faraday no puede abordar fuentes de ruido que se originan en el propio circuito o que se transmiten a través de sus entradas, incluida la fuente de alimentación.
2. Acoplamiento capacitivo: el acoplamiento capacitivo permite que una señal de CA de una parte del circuito sea captada en otra parte a través de la interacción de campos eléctricos. Cuando el acoplamiento no es intencionado, los efectos se pueden solucionar mediante una mejor disposición y conexión a tierra del circuito.
3. Bucles de tierra: al conectar a tierra un circuito, es importante evitar los bucles de tierra . Los bucles de tierra se producen cuando hay una diferencia de voltaje entre dos conexiones a tierra. Una buena forma de solucionar esto es poner todos los cables de tierra al mismo potencial en un bus de tierra.
4. Cables blindados: un cable blindado puede considerarse como una jaula de Faraday para el cableado y puede proteger los cables de ruidos no deseados en un circuito sensible. El blindaje debe estar conectado a tierra para que sea eficaz. Conectar a tierra el blindaje solo en un extremo puede evitar un bucle de tierra en el blindaje.
5. Cableado de par trenzado: al trenzar los cables en un circuito se reduce el ruido electromagnético. Al trenzar los cables se reduce el tamaño del bucle por el que puede circular un campo magnético para producir una corriente entre los cables. Pueden existir pequeños bucles entre los cables trenzados, pero el campo magnético que pasa por estos bucles induce una corriente que fluye en direcciones opuestas en bucles alternados en cada cable y, por lo tanto, no hay corriente de ruido neta.
6. Filtros de muesca: los filtros de muesca o filtros de rechazo de banda son útiles para eliminar una frecuencia de ruido específica. Por ejemplo, las líneas eléctricas dentro de un edificio funcionan a una frecuencia de línea de 50 o 60 Hz . Un circuito sensible detectará esta frecuencia como ruido. Un filtro de muesca ajustado a la frecuencia de la línea puede eliminar el ruido.

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

El nivel de ruido en un sistema electrónico se mide típicamente como una potencia eléctrica N en vatios o dBm , un voltaje RMS (idéntico a la desviación estándar del ruido ) en voltios, dBμV o un error cuadrático medio (MSE) en voltios al cuadrado. Ejemplos de unidades de medición del nivel de ruido eléctrico son dBu , dBm0 , dBrn , dBrnC y dBrn( f ₁ − f ₂ ), dBrn(144- line ). El ruido también se puede caracterizar por su distribución de probabilidad y densidad espectral de ruido N ₀ ( f ) en vatios por hercio.

Una señal de ruido se considera típicamente como 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 la conversión y compresión de analógico a digital , la relación señal-ruido de pico (PSNR) en la codificación de imagen y video y la figura de ruido en amplificadores en cascada. En un sistema de comunicación analógica 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 de mensaje detectada. En un sistema de comunicaciones digitales, una cierta E _b / N ₀ (relación señal-ruido normalizada) daría como resultado una cierta tasa de error de bit . Los sistemas de telecomunicaciones se esfuerzan por aumentar la relación del nivel de señal al nivel de ruido para transferir datos de manera efectiva. El ruido en los sistemas de telecomunicaciones es un producto de fuentes internas y 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 la frecuencia , por lo que su densidad de potencia se mide en vatios por hercio (W/Hz). Dado que la potencia en un elemento resistivo es proporcional al cuadrado del voltaje a través de él, el voltaje de ruido (densidad) se puede describir tomando la raíz cuadrada de la densidad de potencia del ruido, lo que da como resultado voltios por raíz de hercio ( ). Los dispositivos de circuitos integrados , como los amplificadores operacionales, suelen citar el nivel de ruido de entrada equivalente en estos términos (a temperatura ambiente).${\displaystyle \scriptstyle \mathrm {V} /{\sqrt {\mathrm {Hz} }}}$

Si la fuente de ruido está correlacionada con la señal, como en el caso de un error de cuantificación , la introducción intencional de ruido adicional, llamada 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 .

• Control activo de ruido para reducción de ruido mediante cancelación
• Colores del ruido
• Descubrimiento de la radiación de fondo cósmico de microondas
• Detección y corrección de errores en señales digitales sujetas a ruido
• Ruido de generación y recombinación
• Filtro adaptado para reducción de ruido en módems
• Ruido (procesamiento de señales)
• Reducción de ruido y para audio e imágenes.
• Ruido de fonón

• Sh. Kogan (1996). Ruido electrónico y fluctuaciones en sólidos . Cambridge University Press. ISBN 0-521-46034-4.
• Scherz, Paul. (14 de noviembre de 2006) Electrónica práctica para inventores . ed. McGraw-Hill.

• Estudio de ruido de filtro activo (Sallen y Key). Archivado el 22 de mayo de 2015 en Wayback Machine .
• Calculadora de ruido blanco, ruido térmico - Voltaje en microvoltios, conversión a nivel de ruido en dBu y dBV y viceversa