ruido en amplificadores
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Clase 2
07/02/2014
El ruido eléctrico es cualquier señal eléctrica que se suma a una señal existente, la
señal útil (música) que se pretende amplificar.
El nivel de ruido determina el límite inferior de una señal, por debajo de él la señal no
es válida. Se oye eso, ruido, en forma de silbidos o zumbidos, y enmascara a la señal
útil.
En el caso del audio puede ser permisible que exista un fondo de ruido, al fin y al
cabo somos capaces de distinguir esas señales, pero es sumamente molesto, y
como el objetivo es la máxima fidelidad al sonido original, hay que eliminarlo.
En el caso de los aparatos de medida, transmisión de datos, etc., el tema del ruido es
mucho menos inocuo. Un nivel de ruido demasiado alto da medidas imprecisas o
crea errores en la transmisión.
Un ruido eléctrico es muy diferente a un ruido ambiental. Los ejemplos más
conocidos en un equipo de audio son el silbido de fondo de las cintas y vinilos, y el
zumbido de 50 (interferencia), conocido como hum.
Un ruido eléctrico puede aparecer de dos maneras diferentes:
Por el exterior: Otra fuente de señal u otro circuito que cause cambios en una señal /línea de
potencia introduce su señal o sus cambios en nuestro circuito. Esto se llama interferencia.
Lo genera el propio circuito. A veces un amplificador produce un silbido en los altavoces sin que
tenga conectada ninguna entrada. Esos tipos de ruido se llaman ruidos aleatorios, y se dividen en:
Ruido térmico o de Johnson.
Ruido de disparo.
Ruido de baja frecuencia o Flicker noise
Una mala conexión a tierra es lo que genera zumbidos, ruidos, diafonía...
Primero definiremos las siguientes siglas:
EMI: ElectroMagnetic Interference.
EMC: ElectroMagnetic Compatibility.
EMS: ElectroMagnetic Susceptibility.
EMP: ElectroMagnetic Pulses.
NEMP: Nuclear ElectroMagnetic Pulses.
ESD. ElectroStatic Discharge.
RFI: Radio Frecuency Interference.
Entre estas siglas, explicaremos brevemente en qué consisten dos de ellas, las más
importantes:
EMC: Es la manera en la que emite EMI un equipo, y su habilidad para injerir en el
correcto funcionamiento de otro equipo. Ejemplo: Cuando enciendes el microondas
en la tele salen rayas.
Lógicamente un aparato debe producir poca EMI, es lógico que no se puede poner
un microondas en una sala de operaciones de un hospital, aunque el la película
"South Park" salga. No es compatible con los precisos y delicados aparatos de
medicina.
Como es lógico, esto es caro, si hasta la cafetera estuviese obligada a resistir un
ataque nuclear, nadie tendría una cafetera eléctrica.
En el estudio de EMI hay tres bloques básicos. Emisores de EMI, caminos de
acoplamiento y receptores de EMI.
Las maneras más obvias de luchar contra EMI son atajar cualquiera de estos tres
bloques.
Se puede aislar la fuente, se pueden poner pantallas electromagnéticas en los
emisores o receptores, o se pueden inmunizar los receptores, o varias de ellas.
Los efectos que produce la EMI en un receptor son muy variados, y la Unión Europea establece las
siguientes categorías.
0: El equipo no es afectado en absoluto. Un horno eléctrico. Siempre que halla tensión va a
funcionar.
A: El equipo se ve afectado pero funciona de manera aceptable: Ejemplo: un horno eléctrico.
Puede calentar más o menos, pero funciona.
B: El equipo se ve alterado temporalmente, pero vuelve a funcionar sin intervención técnica y sin
daños irreversibles: Ejemplo: Una televisión se ve con rayas y niebla al encender el microondas, y
cuando el microondas se apaga, sigue funcionando correctamente.
C: El equipo se ve afectado y requiere intervención técnica para volver a funcionar.
Ejemplo: Una subida de tensión o un EMP puede dañar componentes en un aparato.
Es necesario abrir y sustituir el componente dañado (hay otros ejemplo más
acertados, pero más complejos como un zener de protección entre Vcc y tierra).
D: El equipo se ve afectado de manera irreversible. Ejemplo: un transistor mosfet ve
perforada su puerta por un EMP o una ESD. Se inutiliza de manera definitiva.
Tampoco todas las formas de EMI son iguales: Se establecen las siguientes
categorías según su origen.
Naturales: Una bolsa de plástico, una alfombra, o cualquier objeto que pueda adquirir
carga eléctrica produce una EDS en un aparato. Ejemplo: cuando se va a encender
un aparato y se produce un chispazo. (nosotros también adquirimos carga).
Artificiales. Una fuente conmutada, un microondas, un motor...
Por el medio de propagación también se establecen las siguientes categorías:
Conducidas: Si el medio de propagación es un cable de alimentación, de señal, la
propia red de 220V o 127V... Ejemplo: una fuente conmutada mala de un ordenador
genera un ruido de 40kHz en un medidor (osciloscopio, etc...)
Radiadas: La propagación se realiza a través de campos eléctricos o
electromagnéticos. Ejemplo: el microondas y la tele.
Acopladas:
Acoplo inductivo: Un campo electromagnético afecta a otros dispositivos. Ejemplo: un
transformador, una bobina...
Acoplo capacitivo: Dos pistas de un circuito impreso sumamente próximas en un
circuito digital, con muy altas frecuencias y capacidad parásita de entre 10 y 100pF,
unido a muy altas impedancias hace que se acople capacitivamente una señal de
una pista a otra.
La principal diferencia entre EMI radiada y acoplada es la distancia. Las bandas de
frecuencias típicas que tiene cada tipo de EMI son:
Menores a 150kHz: EMI conducida, y a frecuencias altas, acoplada.
150kHz~30MHz: EMI acoplada y radiada.
Mayores a 30MHz: EMI radiada.
Sea el amplificador del tipo que sea (discreto, monolítico, un simple transistor) se
puede utilizar el siguiente
Esto se deduce de las leyes de Kirchoff y del circuito anterior, junto a la suma de
densidades de ruido
Ya hemos dicho antes que hay un fondo de ruido por debajo del cual no se puede
bajar. Habitualmente éste es el ruido de Johnson de la resistencia de la fuente.
Pero hay que estar seguro de que está optimizado de esa manera, y habitualmente
es muy difícil llegar a ese nivel tan bajo.
En un amplificador operacional se amplifica voltaje, por lo que lo más importante es
que el ruido de voltaje sea lo menor posible.
En el equivalente anterior hemos visto que hay dos fuentes de ruido.
Esto se puede calcular, y se puede ver qué interacciones tiene con el propio circuito.
Pero ahora imaginemos que esa pista no está en exclusiva para un sólo circuito, sino
que es compartida entre dos.
A continuación vemos esa pista (suponemos que mide 10cm). Es la tierra de entrada
de dos señales de audio, por ejemplo.
Al dividir la pista crítica en dos, ya no hay interacción de una pista con otra.
Lo mismo puede pasar entre las pistas de alimentación y señal, y
especialmente con las de alimentación, ya que son comunes a muchos
nodos. La tendencia habitual es unir todos los puntos seguidos, o utilizar al
estructura de peine( Vcc por arriba, GND por abajo), y se van entrecruzando.
Esto desde el punto de vista de bajo ruido, es terrible.
Ésta última técnica, la biblia del bajo ruido, se llama interconexión en estrella, porque
todas las tierras deben partir de un único punto y desde el dirigirse a todos los
demás.
Un punto muy importante de esta técnica es que el chasis sólo debe estar conectado
a éste punto, y no debe utilizarse como toma a tierra.
Esto es más grave en circuitos de señal mixta, DACs y ADCs. donde los veloces
circuitos Cmos hacen difícil el control de EMI, y a 16MHz todas las pistas tienen
alrededor de 1 Ohm o más de impedancia. El uso de condensadores cerámicos SMD
entre las patas de alimentación de los circuitos digitales es obligado.
Se pueden llegar a extremos mucho más drásticos, como hacer una alimentación
exclusiva para cada parte (digital y analógica), ponerlas con cables de red (de 220V o
127V) independientes, chasis independientes...
Ésto es símplemente una introducción, hay miles de técnicas para mantener a raya el
ruido, y eso que en esta sección no nos hemos ocupado de los acoplamientos de
EMI entre pistas, un tema bastante espinoso donde aislar la fuente de EMI (relojes,
CIs digitales en general, osciladores de HU, VHF o UHF) es crítico y para ello se
deben usar planos de tierra,anilos de ferrita, o incluso carcasas metálicas en PCB.
Éste es también un tema delicado. Incluso algo tan simple como dar la
vuelta al enchufe puede eliminar ruidos, y esto está certificado por
muchos fabricantes.
La alimentación de red no es limpia, lleva EMI conducida. Cuando dos
equipos tienen exactamente el mismo ruido de alimentación es como si
no tuviesen ruido, pero esto no es común. Normalmente hay
diferencias entre las alimentaciones, y por supuesto, entre las tierras.
Una hembra RCA de audiófilo (aislante de teflón y baño en oro de gran
espesor) cuesta mucho más que un conector XLR estándar, siendo que una
entrada XLR funciona mucho mejor a nivel de calidad, respeto a la señal,
capacidad parásita, aislamiento contra ruido, no se afloja con el uso y con el
tiempo, el contacto es bueno y soporta varios amperios, se queda
enganchado. En definitiva... todo es mejor.
Pero el tema del audio está anquilosado en los tiempos de los dinosaurios y
por eso se mantienen fósiles y errores, por mantener la compatibilidad.
Una posible solución al RCA (siguiendo con el RCA) es usar un
cable con dos hilos+ malla, o usar un transformador de entrada.
SOLUCIÓN 1
Se usa un cable con dos hilos + malla, y la malla sólo se conecta
en uno de los entremos, preferiblemente en el emisor de señal.
La circulación de corriente se produce por el cable interior y así la
malla funciona como pantalla eléctrica
SOLUCIÓN 2
Con un transformador de señal de relación 1:1, se conecta el
cable normal en el emisor, y lo más cerca posible del receptor
(dentro si es posible), se coloca un transformador de aislamiento.
De esta manera circula algo de corriente por la malla, pero el
ruido es común a las dos líneas, y con el altísimo CMRR de un
transformador se elimina.
Una señal balanceada es una señal que lleva dos veces la misma
señal, y permite eliminar el ruido de interferencia que recoge en
un cable largo, del estilo de 25 metros o 400m, que es mucho.
Una de las señales está invertida. La filosofía es que la dos
señales reciben la misma cantidad de ruido, y conociendo cómo
es el ruido, se puede eliminar de esta manera.
Señal B= -señal A ; A=-B
A y B reciben el mismo ruido r, por el camino del cable. Al final
del cable hay:
(A+r, B+r)=(A',B')
Si restamos una señal de la otra, tenemos:
A'-B'=A+r-B-r=A-B=A-(-A)=2A
Salida balanceada
Salida pseudobalanceada
Al final de la línea se requiere un circuito que "reste" las dos
señales, y así cancele el ruido.
En electrónica analógica, restar no es tan fácil como sumar, todo
depende de un parámetro llamado CMRR, rechazo al modo
común, que mide cuánto se amplifica la resta de dos señales
iguales respecto a cómo se amplificaría una sola. Debería ser 0
(infinitos dBs), pero esto no es posible.
Al final de la línea se requiere un circuito que "reste" las dos
señales, y así cancele el ruido.
En electrónica analógica, restar no es tan fácil como sumar, todo
depende de un parámetro llamado CMRR, rechazo al modo
común, que mide cuánto se amplifica la resta de dos señales
iguales respecto a cómo se amplificaría una sola. Debería ser 0
(infinitos dBs), pero esto no es posible.
En el caso de los transformadores, es algo parecido.
En el campo de las señales balanceadas, el uso de
transformadores está muy extendido, y dan un buen
resultado (122dB CMRR @ 50Hz), aunque los precios son
caros.
Existen unos circuitos integrados llamados receptores de línea que se
encargan de hacer los mismo que un transformador de gama media-
baja por un precio bastante menor (90db CMRR @ 50Hz), por menos
de 100 pesos.
Es el caso del INA134 de Burr-Brown. Esta es la versión simple, existe
una versión doble, el INA 2134, y una versión algo más barata, con
ganancia +-6dB, al INA137 e INA2137, y alguno específico para
micrófono con ganancia +40dB.
La etapa diferencial de entrada es el bloque básico de la interconexión.
Los cables que van en pares trenzados reciben exactamente la misma
cantidad de ruido externo (de interferencia), y esta es la explicación de
porqué ahora la tierra es una señal más: porque lleva la información del
ruido. Sin ésta información el ruido no se puede eliminar, así que hay
que guardarla y sobre todo: USARLA para reducir el ruido.
Hay dos claves: no conducir corriente por la malla y recoger la
información de ruido para restarla, de la manera que sea.
Hay otras maneras de eliminar el ruido común a las dos líneas, con anillos de ferrita o
transformadores. A continuación se ven dos ejemplos de uso.
Éstas técnicas son semejantes a otras usadas en el control de EMI, como los anillos
de ferrita alrededor de un cable, pero no están pensadas para lo mismo.
Éstas tratan de eliminar el ruido común, los anillos de ferrita alrededor de un cable lo
único que hacen es aumentar la inductancia del cable para que no emita armónicos
de muy alto orden, y además formar un circuito magnético que recoge la EMI y evita
que se disperse.
La solución de usar una ferrita es básicamente una solución parcial, se basa en que
los ruidos comunes se induzcan en la otra línea pero en fase inversa y así se
cancelen. Los problemas de esta técnica son obvios, el resultado es que algo hacen,
pero en todo caso no llegan a dar cifras de rechazo al ruido buenas.
El uso de transformadores de señal encarece el producto porque los que son buenos,
son caros. Tienen el problema de que pueden no tener respuesta plana en la banda
deseada, ya que el acoplamiento magnético entre los bobinados se comporta como
un paso banda.
El primer fenómeno asociado es el comportamiento paso alto, que se produce por la
imposibilidad del primario de inducir al secundario. que en audio deben tener el punto e
-3dB al menos a 20Hz y para trabajar con calidad, como mínimo, a 5 Hz. Y luego está el
comportamiento paso bajo, producido por la inductancia del primario, -3dB como mínimo
debe estar a 20kHz y es aconsejable que esté a 100kHz o más.
Aparte de esto, se puede producir un pico en la respuesta al final de la banda, por la
capacidad parásita entre los bobinados, lo cual es muy pernicioso ya que el CMRR
disminuye de manera crítica. Para solucionar este problema los buenos transformadores
llevan una pantalla eléctrica que se conecta a tierra, así la capacidad parásita no afecta al
secundario.
Hay otro caso, más crítico que los anteriores. Es el caso de una salida de alta
impedancia (un micrófono, una cápsula fonocaptora, una cabeza magnética...). Aquí
el uso de una pantalla eléctrica es crítico, ya que además, éstas fuentes suelen dar
señales muy bajas y la relación señal-ruido empeora.
En muchos casos es imposible añadir una etapa amplificadora a la mínima distancia
posible, debe haber un cable en medio. La degradación que produce el cable, por su
capacidad unida a una alta impedancia de salida (limitan el ancho de banda), es muy alta,
La solución para estos casos donde hay que tener una porción de cable entre la fuente y
el receptor es el circuito de guarda. Se trata de poner un cable con dos pantallas. La
exterior va conectada a tierra en uno sólo de los extremos, como es habitual, pero la
interior va conectada a la salida de un buffer rápido. De esta manera sigue habiendo
capacidad entre la señal y la malla, pero están las dos al mismo voltaje, con lo cual no
pasa nada. Con la pantalla exterior también hay capacidad, pero como está atacada
desde la baja impedancia de salida del buffer, no hay problemas.
La malla exterior se encarga de actuar como pantalla electromagnética, y a eso
también le ayuda la pantalla interior.