(ruido eléctrico) (Véase NOISE, ELECTRICAL).

Fuentes de ruido en circuitos electrónicos

El ruido eléctrico puede definirse como cualquier tipo de energía eléctrica no deseada presente dentro de la banda de paso de una señal útil. En otras palabras, es una señal aleatoria, o un conjunto de señales aleatorias, que se suma a la señal de información y altera su transmisión, su recepción o su procesamiento. En los sistemas de comunicaciones y en los circuitos electrónicos, el ruido puede degradar la calidad de la señal recibida, producir errores y, en casos extremos, impedir que la información llegue correctamente a destino.

Figura : Ejemplo de señal senoidal sin ruido (izquierda) y con ruido (derecha).

Desde el punto de vista práctico, el ruido debe entenderse como una perturbación que acompaña inevitablemente al funcionamiento de todo sistema real. Ningún circuito es perfecto, ningún medio de transmisión está completamente libre de interferencias y ningún componente puede evitar por completo la aparición de fenómenos aleatorios. Por ello, el estudio del ruido resulta esencial en electrónica, telecomunicaciones, instrumentación y sistemas de control.

En una primera aproximación, el ruido puede clasificarse según exista o no una relación entre la señal y la fuente que lo genera. Así, se distinguen dos grandes grupos: el ruido correlacionado y el ruido no correlacionado.

Ruido correlacionado

El ruido correlacionado es aquel que guarda una cierta relación con la señal. Solo puede manifestarse cuando la señal está presente, ya que su origen depende de la forma en que el circuito procesa dicha señal. Es típico de sistemas no lineales, especialmente en etapas de amplificación, donde aparecen componentes no deseados como resultado de la propia señal aplicada.

Ruido no correlacionado

El ruido no correlacionado es independiente de la señal. Puede existir en el sistema aunque no haya señal de entrada, ya que su origen no depende de la información transmitida sino de fenómenos internos del dispositivo o de perturbaciones externas al sistema. Este tipo de ruido se divide, a su vez, en ruido externo y ruido interno.

Ruido externo

El ruido externo es aquel cuya fuente de origen se encuentra fuera del medio, circuito o dispositivo de tratamiento de la señal. Puede ingresar al sistema por radiación, acoplamiento inductivo, acoplamiento capacitivo o conducción a través de líneas y conexiones. Entre sus formas más importantes se encuentran las siguientes:

Ruido atmosférico

El ruido atmosférico, también conocido como electricidad estática, se produce por perturbaciones eléctricas naturales de la atmósfera terrestre. Un ejemplo característico es el de las tormentas eléctricas, que generan impulsos electromagnéticos capaces de propagarse en un amplio rango de frecuencias. Este ruido suele tener mayor magnitud en bajas frecuencias y decrece a medida que la frecuencia aumenta, motivo por el cual en sistemas de comunicaciones por encima de aproximadamente 30 MHz su influencia resulta mucho menor.

Ruido extraterrestre

El ruido extraterrestre tiene su origen fuera de la atmósfera terrestre, por lo que también recibe el nombre de ruido de espacio profundo. Se debe principalmente a la influencia del Sol, de la Vía Láctea y de otras galaxias. Se divide en dos formas principales:

Ruido solar. Se produce por la radiación emitida por el Sol. Cuando la actividad solar es estable, genera una radiación relativamente constante; sin embargo, durante perturbaciones solares puede producir emisiones intensas y de corta duración que afectan significativamente la recepción de señales.

Ruido cósmico. Se distribuye de manera bastante uniforme por el cielo, ya que sus fuentes están repartidas entre galaxias y otros cuerpos celestes. Su intensidad suele ser menor que la del ruido solar, aunque puede tener importancia en sistemas muy sensibles, especialmente en radiocomunicaciones y radioastronomía.

Ruido de origen humano

El ruido de origen humano, también llamado con frecuencia ruido industrial, es producido por la actividad humana. Tiene su origen en chispas, conmutaciones y descargas generadas por motores eléctricos, variadores de velocidad, relés, contactores, interruptores, generadores, líneas de distribución, sistemas de encendido de vehículos, lámparas y muchos otros equipos eléctricos o electrónicos. Es un ruido que ocupa un amplio rango de frecuencias y que se propaga tanto por radiación como por conducción, afectando de manera importante a numerosos sistemas de comunicaciones y control.

Ruido interno

El ruido interno se genera en el interior mismo del dispositivo, componente o circuito electrónico. Está asociado a fenómenos físicos propios de los materiales y del movimiento de las cargas eléctricas. A diferencia del ruido externo, no proviene del entorno, sino del funcionamiento íntimo del propio sistema. Entre las formas principales de ruido interno se encuentran el ruido de disparo, el ruido de tránsito y el ruido térmico.

Ruido de disparo

El ruido de disparo, descrito matemáticamente por W. Schottky en 1918, aparece en componentes como diodos, transistores y válvulas de vacío. Se debe a la naturaleza discreta de la carga eléctrica: los electrones y huecos no llegan de forma perfectamente continua, sino de manera aleatoria. Como consecuencia, la corriente presenta pequeñas fluctuaciones irregulares que se superponen a la señal útil. A este ruido también se lo conoce como ruido de transistor en ciertos contextos, sobre todo cuando se lo percibe amplificado en etapas de audio.

Ruido de tránsito

El ruido de tránsito aparece cuando existen variaciones aleatorias en la corriente de electrones y huecos que atraviesan determinadas regiones del dispositivo semiconductor. Se vuelve apreciable cuando el tiempo de propagación de los portadores por el circuito representa una fracción significativa del período de la señal. Por ello, adquiere mayor importancia en dispositivos de alta frecuencia y en circuitos que operan a velocidades elevadas.

Ruido térmico

El ruido térmico se debe a la agitación térmica de los electrones presentes en la materia. Está presente en todos los conductores, medios, circuitos y dispositivos, incluso aunque no circule corriente. Se trata de un ruido aleatorio, continuo y aditivo. Además, recibe el nombre de ruido blanco porque, dentro de un amplio intervalo de frecuencias, su densidad espectral de potencia se mantiene aproximadamente constante.

Matemáticamente, la densidad de potencia del ruido térmico por unidad de ancho de banda se expresa como:

$$N_0 = kT \; [W/Hz]$$

donde $$k$$ es la constante de Boltzmann y $$T$$ es la temperatura absoluta expresada en kelvin.

Si el circuito posee un ancho de banda $$B$$, la potencia total de ruido térmico puede expresarse como:

$$N = kTB \; [W]$$

Estas expresiones muestran que la potencia de ruido térmico aumenta con la temperatura y también con el ancho de banda. Esto tiene gran importancia práctica: cuanto mayor sea el rango de frecuencias que se permite pasar en un circuito, mayor será también la cantidad de ruido térmico presente.

Ruido correlacionado y no linealidades

El ruido correlacionado no puede existir a menos que haya una señal de entrada, ya que surge como consecuencia de la interacción entre la señal y las no linealidades del circuito. Este comportamiento es muy común en amplificadores, mezcladores, moduladores y otros bloques electrónicos que no responden de forma perfectamente proporcional a la señal aplicada. Las no linealidades generan principalmente dos efectos: la distorsión armónica y la distorsión por intermodulación.

Distorsión armónica

La distorsión armónica consiste en la aparición de armónicos no deseados de una señal. Los armónicos son frecuencias que corresponden a múltiplos enteros de la frecuencia fundamental. Si una señal de entrada tiene frecuencia $$f$$, los armónicos aparecerán en $$2f$$, $$3f$$, $$4f$$, etcétera. Este fenómeno se produce cuando el circuito trabaja de manera no lineal y modifica la forma de onda original.

La señal original deseada se denomina frecuencia fundamental o primer armónico. Los demás componentes representan contenido espurio introducido por el propio circuito. La distorsión armónica altera la fidelidad de la señal y puede ser especialmente crítica en audio, instrumentación y sistemas de comunicaciones analógicas.

Para evaluar cuantitativamente la distorsión armónica se utiliza la distorsión armónica total o THD (Total Harmonic Distortion), que expresa la relación entre el valor eficaz de los armónicos superiores y el valor eficaz de la componente fundamental:

$$THD = \frac{V_{rms}^{a}}{V_{rms}^{f}} \cdot 100 \; [\%]$$

donde $$V_{rms}^{a}$$ representa la suma cuadrática de los voltajes eficaces de los armónicos superiores y $$V_{rms}^{f}$$ corresponde al voltaje eficaz de la frecuencia fundamental.

En forma desarrollada:

$$V_{rms}^{a} = \sqrt{V_{rms1}^{2} + V_{rms2}^{2} + V_{rms3}^{2} + \cdots}$$

Cuanto mayor sea el valor de THD, mayor será la deformación introducida por el circuito. En aplicaciones de alta fidelidad o precisión, se busca que este valor sea lo más pequeño posible.

Distorsión por intermodulación

La distorsión por intermodulación se produce cuando dos o más señales atraviesan simultáneamente un circuito no lineal. En estas condiciones aparecen nuevas frecuencias no deseadas, llamadas productos cruzados, que corresponden a sumas y restas de múltiplos de las frecuencias originales.

De forma general, estas frecuencias pueden expresarse como:

$$f = a \cdot f_1 \pm b \cdot f_2$$

donde $$f_1$$ y $$f_2$$ son las frecuencias fundamentales de las señales de entrada, y $$a$$ y $$b$$ son números naturales distintos de cero.

Este fenómeno resulta especialmente perjudicial porque los productos de intermodulación pueden caer dentro de la banda útil del sistema y confundirse con señales reales. A diferencia de la distorsión armónica, que se relaciona con una sola señal, la intermodulación requiere la presencia de al menos dos señales de entrada. Es un problema de gran importancia en receptores, transmisores, amplificadores multicanal y sistemas de radiofrecuencia.

Influencia del ruido sobre la señal

La presencia de ruido altera la forma de la señal. Una onda senoidal ideal, al ser afectada por ruido, deja de ser perfectamente suave y presenta irregularidades, deformaciones o fluctuaciones en amplitud. Esto puede provocar errores de interpretación, falsas detecciones, pérdida de fidelidad o reducción de la inteligibilidad.

En sistemas analógicos, el ruido suele manifestarse como zumbidos, siseos, crepitaciones o distorsiones visibles en la forma de onda. En sistemas digitales, en cambio, puede ocasionar errores de bit, inestabilidad en los niveles lógicos o fallas en la recuperación de la información. En ambos casos, el efecto final consiste en una disminución de la calidad del sistema.

Relación entre ruido, temperatura y ancho de banda

Uno de los aspectos más importantes del análisis del ruido es que no depende solamente de la naturaleza del circuito, sino también de condiciones físicas como la temperatura y parámetros de diseño como el ancho de banda. La ecuación:

$$N = kTB$$

muestra claramente que la potencia de ruido térmico aumenta de forma directamente proporcional con el ancho de banda $$B$$ y con la temperatura absoluta $$T$$. Esto significa que un sistema que opere en un rango de frecuencias muy amplio captará más ruido que otro más selectivo.

Por esta razón, en electrónica de comunicaciones se procura limitar el ancho de banda al mínimo necesario para transmitir la información útil. Los filtros eléctricos y electrónicos cumplen precisamente esta función: atenuar señales no deseadas y reducir la cantidad total de ruido que llega a etapas posteriores.

Relación señal/ruido

Para evaluar la calidad de una transmisión se utiliza con frecuencia la relación señal/ruido, conocida como SNR (Signal-to-Noise Ratio). Este parámetro compara la potencia de la señal útil con la potencia del ruido presente en el sistema. Una relación señal/ruido elevada indica que la señal domina claramente sobre el ruido y, por tanto, la calidad de la transmisión será mejor. Por el contrario, una relación baja significa que el ruido tiene una influencia importante y la información puede degradarse seriamente.

En la práctica, mejorar la relación señal/ruido implica aumentar la potencia útil sin introducir distorsión, reducir las fuentes de ruido o limitar el ancho de banda para impedir el ingreso de perturbaciones innecesarias.

Importancia del estudio del ruido en electrónica

El análisis de las fuentes de ruido no es solamente una cuestión teórica. Tiene enorme importancia práctica en el diseño de equipos de audio, sistemas de radio, enlaces de telecomunicaciones, instrumentos de medición, circuitos digitales, sensores y sistemas de adquisición de datos. Un diseñador electrónico debe conocer tanto el origen como el comportamiento del ruido para poder minimizar sus efectos.

En etapas de entrada de amplificadores, por ejemplo, suele seleccionarse componentes de bajo ruido y configuraciones de polarización adecuadas. En radiofrecuencia, se cuida la linealidad para evitar distorsión por intermodulación. En instrumentación, se emplean blindajes, filtros y técnicas de puesta a tierra para impedir que el ruido externo degrade las mediciones. En sistemas digitales, además, se usan márgenes de inmunidad y técnicas de corrección de errores para hacer frente a perturbaciones inevitables.

INFLUENCIA DE LOS RUIDOS INDUSTRIALES EN LA RECEPCIÓN DE LAS ONDAS RADIOELÉCTRICAS

La elevada electrificación de nuestra sociedad produce un gran número de parásitos o radiaciones radioeléctricas incontroladas que pueden llegar a ser muy molestas en la recepción de señales radioeléctricas. Los interruptores, los motores eléctricos y de explosión, etc. producen chispas eléctricas, debidas a corrientes de autoinducción en los bobinados, que se traducen en armónicos de la frecuencia de red y que pueden llegar a alcanzar valores significativos dentro de la gama de las ondas radioeléctricas. Estos parásitos no suelen tener gran alcance, pero pueden llevar al traste cualquier instalación de antena receptora que se monte con el mayor de los cuidados.

Evitar los parásitos industriales puede resultar laborioso si se desconoce el punto de origen de los mismos, e incluso imposible si su eliminación cae fuera de nuestras posibilidades, como sucede con las perturbaciones debidas a los motores de explosión de los automóviles y motocicletas. Para evitarlos, o al menos reducirlos a niveles aceptables, se disponen filtros adecuados en todos aquellos aparatos y motores en los que se sospeche la generación de parásitos, así como filtros y limitadores en la entrada de antena de los receptores, además de dirigir la antena de forma que evite la captación de estas perturbaciones.

Términos relacionados :

• Ruido eléctrico. (Electrical noise — electronics, telecommunications)
• Señal de información. (Information signal — telecommunications, signal processing)
• Banda de paso. (Bandwidth — electronics, telecommunications)
• Relación señal/ruido. (Signal-to-noise ratio, SNR — electronics, telecommunications)
• Ruido correlacionado. (Correlated noise — electronics, signal processing)
• Ruido no correlacionado. (Uncorrelated noise — electronics, signal processing)
• Ruido externo. (External noise — telecommunications, electromagnetic compatibility)
• Ruido interno. (Internal noise — electronics, semiconductor physics)
• Ruido atmosférico. (Atmospheric noise — telecommunications, radio communications)
• Electricidad estática. (Static electricity — physics, electromagnetism)
• Ruido extraterrestre. (Extraterrestrial noise — radio astronomy, telecommunications)
• Ruido solar. (Solar noise — radio communications, astrophysics)
• Ruido cósmico. (Cosmic noise — radio astronomy, astrophysics)
• Ruido de origen humano. (Man-made noise — electromagnetic compatibility, telecommunications)
• Ruido industrial. (Industrial noise — electrical engineering, electromagnetic interference)
• Ruido de disparo. (Shot noise — electronics, semiconductor physics)
• Ruido de transistor. (Transistor noise — electronics, semiconductor devices)
• Ruido de tránsito. (Transit-time noise — high-frequency electronics, semiconductor physics)
• Ruido térmico. (Thermal noise — electronics, statistical physics)
• Ruido blanco. (White noise — signal processing, communications)
• Constante de Boltzmann. (Boltzmann constant — physics, thermodynamics)
• Temperatura absoluta. (Absolute temperature — physics, thermodynamics)
• Densidad espectral de potencia. (Power spectral density — signal processing, electronics)
• Distorsión armónica. (Harmonic distortion — electronics, signal processing)
• Frecuencia fundamental. (Fundamental frequency — signal processing, physics)
• Armónicos. (Harmonics — signal processing, acoustics, electronics)
• Distorsión armónica total. (Total Harmonic Distortion, THD — electronics, audio engineering)
• Distorsión por intermodulación. (Intermodulation distortion — telecommunications, RF engineering)
• Productos cruzados. (Cross products — signal processing, RF engineering)
• No linealidad. (Nonlinearity — electronics, system theory)

Conclusión

El ruido en circuitos electrónicos es una manifestación inevitable de fenómenos físicos internos y perturbaciones externas que afectan el tratamiento de la información. Puede clasificarse en ruido no correlacionado, cuando es independiente de la señal, y ruido correlacionado, cuando aparece asociado al procesamiento de la señal en circuitos no lineales.

Dentro del ruido no correlacionado se distinguen el ruido externo, originado en la atmósfera, el espacio o la actividad humana, y el ruido interno, producido por fenómenos como el movimiento aleatorio de cargas y la agitación térmica de los electrones. Entre estos últimos, el ruido térmico ocupa un lugar central por estar presente en todos los circuitos reales. Por otra parte, el ruido correlacionado se manifiesta principalmente en forma de distorsión armónica y distorsión por intermodulación, ambas debidas a no linealidades del sistema.

Comprender estas fuentes de ruido y sus efectos permite diseñar circuitos más confiables, mejorar la calidad de las comunicaciones y optimizar el comportamiento de los sistemas electrónicos. En definitiva, el estudio del ruido constituye una parte esencial de la electrónica moderna, ya que todo sistema real debe convivir con él y, en la medida de lo posible, aprender a reducirlo.