En términos generales, el ruido es cualquier fenómeno eléctrico que no es bienvenido en un sistema eléctrico. Este artículo es el primero de una serie de tres partes sobre el ruido en la cadena de señales. Aquí nos centramos en las fuentes de ruido interno que se encuentran en todos los dispositivos semiconductores: ruido térmico, de disparo, de avalancha, de parpadeo y de palomitas de maíz. El procedimiento para estimar la tensión de ruido se explica con un ejemplo. Finalmente, presentamos una calculadora gratuita para ayudar a estimar el ruido en condiciones no especificadas en la hoja de datos del dispositivo.
prólogo
El ruido es un deterioro de la señal no deseado y es mejor evitarlo siempre que sea posible. La supresión del ruido es una de las técnicas básicas para obtener una salida de señal buena y uniforme. Los ingenieros utilizan una variedad de enfoques técnicos para minimizar esta interferencia no deseada. Especialmente cuando se trata de aplicaciones en las que la intensidad y la calidad de la señal son críticas.
Esta es la primera de una serie de tres partes sobre la gestión del ruido en la cadena de señales. Este artículo se centra en las características del ruido de los semiconductores que se encuentra en todos los circuitos integrados, cómo se especifica en la hoja de datos del dispositivo y cómo se comporta la referencia de voltaje en condiciones reales no especificadas en la hoja de datos. La Parte 2 se centra en las fuentes de ruido y distorsión específicas de los convertidores de datos y cómo se especifican en estas hojas de datos. Finalmente, la Parte 3 reúne la Parte 1 y la Parte 2 para mostrarle al lector cómo optimizar el presupuesto de ruido y elegir el mejor convertidor de datos para su aplicación.
Hoy en día, comprender el ruido eléctrico es más importante que nunca. Con los convertidores de datos de 14 y 16 bits cada vez más populares y los convertidores de 18 y 24 bits cada vez más disponibles, el ruido suele ser el único factor que limita el rendimiento del sistema. Claramente, comprender las fuentes y las características del ruido generado dentro del IC es clave para lograr la mayor precisión posible del sistema.
El ruido es frustrante para todos, pero especialmente para los ingenieros de diseño analógico. En términos generales, el ruido es un fenómeno eléctrico no deseado en la cadena de señales. Según su origen, se pueden clasificar en externas (interferentes) o internas (intrínsecas). Esto se ilustra en el siguiente diagrama de cadena de señales (Figura 1). Todas las fuentes de ruido internas (Vint) se combinan en la salida y todas las fuentes de ruido externas (Vext) se combinan en la entrada de la cadena de señal.
Es importante que los diseñadores comprendan las fuentes y características de este ruido semiconductor interno. Estos incluyen ruido térmico, de disparo, de avalancha, de parpadeo y de palomitas de maíz, así como el ruido inherente a los convertidores de datos, como la cuantificación, la fluctuación de apertura y la distorsión armónica. Los diseñadores también necesitan saber cómo se puede o no evitar este ruido.
Ruido de dispositivo semiconductor
Todos los componentes eléctricos generan ruido inherentemente. Esto incluye todos los dispositivos semiconductores y resistencias. Primero, discutiremos las características generales del ruido, y luego discutiremos los tipos y características de las fuentes comunes de ruido. A continuación, aprenda a encontrar e interpretar las especificaciones de ruido en las hojas de datos. Con toda esta información, concluimos calculando el ruido de salida de la referencia de voltaje en condiciones no especificadas en la hoja de datos.
la naturaleza del ruido
La siguiente sección examina la naturaleza del ruido de los semiconductores y cómo se especifica en los dispositivos semiconductores.
amplitud de ruido
Dado que todas las fuentes de ruido de los semiconductores se originan en procesos aleatorios, la amplitud instantánea del ruido es impredecible. La amplitud muestra una distribución gaussiana (normal).
Tenga en cuenta que el valor RMS del ruido (Vn) es la desviación estándar (σ) de la distribución del ruido. La relación entre RMS y voltajes pico para una fuente de ruido aleatorio es:
La relación entre el voltaje RMS de pico a pico de cualquier señal (VnP-P/VnRMS) se denomina factor de cresta. El 6,6 en la Ecuación 1 es un factor de cresta de uso común y proviene del hecho de que, estadísticamente, una fuente de ruido gaussiano produce un voltaje de pico a pico que es 6,6 veces su voltaje RMS el 0,10 % del tiempo. Esta es el área sombreada debajo de la curva de densidad de voltaje de ruido que se muestra en la Figura 2 con una probabilidad de 0.001 de exceder ±3.3σ. Es importante recordar que las señales correlacionadas se suman linealmente y las señales aleatorias (como el ruido) se suman geométricamente en un esquema de raíz cuadrada (RSS).
densidad espectral de ruido
Las fuentes de ruido de los semiconductores se pueden clasificar en una de dos categorías según la forma de la curva de densidad espectral. El ruido blanco es dominante en frecuencias altas y el ruido rosa es dominante en frecuencias bajas.
El ruido blanco se caracteriza por una densidad espectral uniforme (Figura 3) y tiene la misma energía en cualquier intervalo de ancho de banda.
El ruido rosa contiene la misma cantidad de energía en cada década. Se denomina ruido ‘1/f’ porque se caracteriza por una densidad espectral de potencia (Figura 4) que es inversamente proporcional a la frecuencia.
En la Figura 4, Kv es la constante de proporcionalidad que representa el valor extrapolado de en en f = 1Hz. Trazado en escala logarítmica.
Encuentre voltajes de ruido que no figuran en la tabla EC
Las ecuaciones 1 y 3 se pueden usar para encontrar el voltaje de ruido de salida en cualquier banda de frecuencia. Por ejemplo, el voltaje de ruido en la salida del MAX6143 se puede encontrar en la banda de audio de Fl = 20 Hz a Fh = 20 000 Hz.
Con los valores de los parámetros ND = 910 nV/√Hz, Fc = 0,3 Hz, Fl = 20 Hz y Fh = 20 kHz, el voltaje de ruido se calcula en 128 µVRMS (Figura 5).
calculadora de ruido térmico
Se proporciona una calculadora gratuita para realizar rápidamente estos cálculos de ruido. Puedes descargarlo. Haga clic en el enlace y seleccione Calculadora de ruido térmico (TNC). TNC incluye una guía del usuario sobre cómo usar la calculadora, la teoría y las ecuaciones detrás del problema y, lo que es más importante, ejemplos prácticos de su uso en el diseño y análisis de circuitos.
TNC es un programa escrito para la calculadora HP® 50g para ayudar a analizar el ruido térmico que se encuentra en las resistencias y otras fuentes de ruido. Esta calculadora encuentra el voltaje de ruido producido por cualquier dispositivo dada la densidad espectral del ruido blanco y la frecuencia de esquina 1/f. Puede ingresar o buscar cada parámetro. TNC también se puede ejecutar en una PC con Windows® usando el programa gratuito HPUserEdit 5.4 disponible en www.hpcalc.org o la página de la calculadora.
Puede ingresar o buscar los siete parámetros presentados en este artículo (Figura 6).
1. Voltaje de ruido (Vn) en µVP-P o µVRMS
2. Densidad espectral de ruido blanco (ND) (nV/√Hz)
3. Resistencia de Johnson (R) (Ω)
4. Temperatura (T) (°C)
5. Frecuencia límite superior (Fh) (Hz)
6. Baja frecuencia (Fl) (Hz)
7. Frecuencia de esquina 1/f (Fc) (Hz)