EDWIN DAVID CAMERO ARDILA.

161002224.

JUAN DANIEL MENDOZA DUEÑAS.

161002236.

RUIDO EN SISTEMAS DE INSTRUMENTACION

INTRODUCCION

• Se entiende por ruido las componentes

de tensión o intensidad no deseables

que se superpone con la competencia

de señal que se procesa o que interfiere

con el proceso de medida. En los

dispositivos electrónicos el ruido

consiste en fluctuaciones aleatorias de

la corriente eléctrica a través de un

conductor, causadas por el hecho de

que la corriente se transporta en cargas

discretas (electrones). Esto no solo

ocurre en las uniones p-n, sino en

cualquier conductor, incluso en las

situaciones en que la carga no este bien

localizada.

• Se debe distinguir el ruido de disparo de las fluctuaciones de corriente en equilibrio, las

cuales se producen sin aplicar ningún voltaje y sin necesidad de que exista ningún flujo

promedio de corriente. Estas fluctuaciones de la corriente de equilibrio se conocen como

ruido de Johnson-Nyquist.

CLASIFICACION DE RUIDO

• Ruido interno o inherente, que

corresponden al que se genera en los

dispositivos electrónicos como

consecuencia de su naturaleza física

(ruido térmico, ruido por cuantizacion de

las cargas, ruido de semiconductor, etc.).

• El ruido de un sistema se puede clasificar:

• Ruido externo o interferencias, que

corresponden al que se genera en un

punto del sistema como consecuencia de

acoplamiento eléctrico o magnético con

otro punto del propio sistema, o con otros

sistemas naturales (tormentas, etc.) o

construidos por el hombre (motores,

equipos, etc.).

TIPOS DE RUIDO

• Es importante conocer las

características que definen

los diferentes tipos de ruido

que pueden afectar los

circuitos electrónicos. Cada

uno de los ruidos, tiene

orígenes bastante bien

definidos, conocerlos nos

ayudara a aplicar las

soluciones correctas en cada

caso.

CAMPOS ELÉCTRICOS.

• Se producen por tensiones elevadas

conmutando en capacidades parásitas. A

través de estas capacidades se inyectan

corrientes de interferencia. Un ejemplo

clásico es la capacidad parásita de un FET

respecto al radiador o estructura metálica,

utilizada para evacuar el calor. Cuando

este FET conmuta tensiones elevadas con

tiempos de conmutación cortos, se

produce la citada inyección de corriente.

En resumen: en los campos eléctricos

están implicadas tensiones elevadas,

tiempos de conmutación cortos y

capacidades parásitas.

CAMPOS MAGNETICOS

• Son la consecuencia de corrientes circulando

por inductancias, en algunos casos éstas

pueden ser parásitas. Cuando las líneas de

un campo magnético atraviesan otra

inductancia cercana, en esa segunda

inductancia aparece otra corriente con la

misma frecuencia del campo magnético y con

una amplitud que depende de la magnitud del

campo y de la inductancia mutua entre las

dos inductancias. Cuando este acoplo es

involuntario, se le llama crosstalk y es

considerado como ruido. En los campos

magnéticos por tanto están implicados la

corriente, la inductancia y los tiempos de

conmutación.

TRANSITORIOS

• Aunque pueden tener una

procedencia muy variada, en

muchos casos es producto de

conmutaciones a frecuencias

elevadas. La principal característica

es que se trata de ruido en forma de

fluctuaciones rápidas del nivel de

cualquier señal de control, que en

principio debería mantenerse

estable. Los transitorios pueden

estar presentes en líneas de PCB,

entradas de micro controladores o

salidas de cualquier circuito.

FLUCTUACIONES DE LA ALIMENTACIÓN

• Como su nombre indica son variaciones de cualquier forma, amplitud y frecuencia

que pueden experimentar las líneas de EMC y Seguridad funcional.

CABLEADOS Y CONECTORES

• El tipo de cables empleados,

coaxiales, trenzados o blindados,

tiene una relación directa con la

cantidad de interferencias que éstos

captarán o serán capaces de radiar a

su entorno. Los tipos de conectores y

la agrupación de señales que se haga

nos determinará el crosstalk entre

pines. La elección de conectores

filtrados o no, tendrá que ver con la

cantidad de energía de RF que

mandaremos al exterior y también la

que entrará en el sistema.

SOFTWARE

• El software también tendrá

alguna implicación en la

respuesta final del producto y

algunas estrategias de

software se pueden empezar

a plantear desde el inicio. El

debouncing o la lucha contra

el ground bounce y el filtrado

digital pueden tener una

contribución importante desde

el terreno del software.

RELACION SEÑAL-RUIDO

• La relación señal ruido (S/N) es la

diferencia entre el nivel de la señal

y el nivel de ruido. Se entiende

como ruido cualquier señal no

deseada, en este caso señal

eléctrica no deseada que circula por

el interior de un equipo electrónico.

El ruido se mide sin ninguna señal a

la entrada del equipo.

• Se habla de relación señal ruido

(S/N) porque el nivel de ruido es

más o menos perjudicial en función

de cual sea el nivel de la señal. La

S/N se calcula como la diferencia

entre el nivel de la señal cuando el

aparato funciona a nivel nominal de

trabajo y el nivel de ruido cuando, a

ese mismo nivel de trabajo, cuando

no se introduce señal. En un

amplificador, cuanto más se gire el

mando de potencia, más se

amplificará la señal y en la misma

medida se amplificará el ruido.

FACTORES QUE PRODUCEN RUIDO EN LOS

SISTEMA ELECTRONICOS

• El ruido electronico puede producirse por:

-Ruido intrinseco de los componentes.

-Sistemas electricos de fabricacion humana.

-Perturbacion por agentes naturales.

• Las dos ultimas categorias se denominan “Interferencias electromagneticas” EMI

-Susceptibilidad o inmunidad electromagnetica (EMS): es la habilidad o capacidad de un

equipo o dispositivo de funcionar correctamente en presencia de EMI.

-Compatibilidad electromagnetica (EMC): es la habilidad de un equipo o dispositivo de

funcionar correctamente en ambientes electromagneticos sin ontroducir peturbaciones

intolerables a otros sistemas de ese ambiente

• Para evitar en lo posible los efectos del ruido existen normas y regulaciones

de obligado cumplimiento para homologar los equipos, tanto en EMS como

EMC.

• El ruido afecta tanto a sistemas analógicos como a digitales.

-En sistemas digitales existen una cierta inmunidad intrínseca al ruido. Solo

se verán afectados cuando el nivel de ruido sobrepase su margen de

inmunidad.

-En los circuitos analógicos el efecto del ruido esta siempre presente y

habrá que determinar el nivel máximo permitido y las técnicas a utilizar para

no sobrepasarlo

ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN EL ESTUDIO

DE EMI

• En todo fenómeno de ruido hay que tener presente estos tres elementos:

-Fuente de ruido

-Canal de acoplo del ruido

-Receptor de ruido

• Partiendo de este esquema, existen tres maneras de eliminar la

interferencia:

-Eliminarla de la fuente

-Insensibilizar al receptor

-Disminuir la energía transmitida por el canal de acoplo

CARACTERIZACION DE LAS FUENTES DE RUIDO

• Ruido Térmico o ruido Johnson: es un ruido que esta presente en toda

resistencia y que es causado por la agitación térmica de los electrones (o

huecos en el caso de semiconductores).

• El ruido térmico es independiente de la naturaleza del material con que esta

construida o de la intensidad de continua que la atraviesa. Este ruido se

genera con igual nivel cuando la resistencia se encuentra en un circuito, a

como cuando se encuentra en el cajón de componentes.

• El ruido térmico puede modelarse como una fuente de tensión en serie con

una resistencia no generadora de ruido. El espectro de la señal de ruido

térmico es de tipo blanco, y tiene una densidad de potencia de valor,

RUIDO DE FLUCTUACION (FLICKER NOISE)

• Esta presente en todos los dispositivos activos y pasivos, aunque su origen

depende del tipo de dispositivo. Es un ruido de tipo rosa (1/f) y que se

caracteriza por ser función de la intensidad que atraviesa el dispositivo.

• Siendo, K: una constante que depende del dispositivo.

I: es la intensidad en continua que atraviesa el dispositivo.

α: es una constante propia del tipo de dispositivo y que varia entre

0,5< α<2,

CAUSAS DEL RUIDO FLICKER

• El transistor BJT, esta relacionado con la captura y liberación

de electrones y huecos en las trampas de recombinación del

semiconductor.

• En los MOSFET, esta relacionado con los estados de energía

atípica que se crean en la interface entre el silicio y el oxido, los

cuales juegan el papel de trampas para las cargas.

• En las resistencias pasivas en mucho mas acusado en las

resistencias de carbón, que en las de filamento enrollado, y

aparece como un ruido en exceso sobre el ruido térmico, y es

dependiente de la intensidad que la atraviesa.

ACOPLO CONDUCTIVO

• El acoplo conductivo se produce como consecuencia de que dos o mas circuitos o

equipos comparten una señal de retorno común.

• Bajo esta situación, la corriente de retorno de un circuito fluye a través de la impedancia

finita de la línea de retorno común generando en ella una variación de potencial que se

observa desde el otro circuito, como una interferencia por cambio de su referencia de su

tierra.

• El acoplo conductivo requiere mas de dos cables de retorno para cerrar la corriente de

interferencia (uno suele ser la propia tierra).

• Es muy común en sistemas distribuidos con cables de transferencia de señal

y de alimentación.

• Una característica que solo se

presenta en la interferencia de tipo

conductiva, es que puede presentar

una señal con nivel medio no nulo

• Dada la relevancia de los nudos de referencia en un sistema de instrumentación

o eléctrico en general, se definen tres tipos de tierra, a los que se le asignan

diferentes símbolos para representarlos.