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ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Ruído em Sistemas Eletrônicos
Conceitos Básicos
ENG04055 – Concepção de CI Analógicos – Eric Fabris
Definição
- Ruído é um sinal interferente de natureza aleatória que provoca a degradação de sinal durante seu processamento. - Este sinal pode ter diferentes origens - Gerados pelo homem - Intrínseco ou relacionado aos dispositivos eletrônicos
- O Ruído é quantificado através de sua potência
- A métrica de desempenho comumente utilizada é a RELAÇÃO SINAL-RUÍDO (SNR – signal to noise ratio)
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Tipos de Ruído
- Gerados pelo homem ou ruído interferente
- Acoplamento de sinal
- Acoplamento pelo substrato
- Rejeição do ruído da fonte de alimentação (PSRR) finito
- Possíveis soluções
- Blindagem e aterramento no caso de sistemas
- Circuitos diferencias completos (CMR)
- Entradas diferenciais
- Saídas diferenciais
- Técnicas de leiaute
- Ruído eletrônico ou de dispositivo
- Fundamental – ruído branco
- Ruído térmico causado pelo movimento randômico dos portadores
- Relacionado com a tecnologia do dispositivo
- Ruído flicker causado por defeitos no material e rugosidades de interface
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Fontes de Ruído
- Circuitos Digitais
- Fontes Chaveadas
- Descarga Eletrostática – ESD
- Motores, relés e contactoras
- Interferência Eletromagnética de transceptores
de rádio – EMI
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Ruído em Sistemas Eletrônicos
- Os circuitos tem muitas podem ter muitas fontes internas relevantes de ruído
- Normalmente, quantifica-se o efeito líquido do ruído de todas as fontes em ponto de referência - Estes pontos de referência são a entrada ou saída.
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Ruído em Sistemas Eletrônicos
- Referenciado a Saída
- Computa-se a influência de cada fonte interna até a saída.
- É exatamente como se mede em laboratório - Referenciado à Entrada - Representa-se o ruído total através de uma fonte fictícia de entrada. - É útil principalmente para componentes de propósito geral. - O ruído de saída depende de como o componente é utilizado.
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Ruído de Acoplamento
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Ruído de Acoplamento
- Formas de onda de sistemas digital
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Ruído de Acoplamento – Motores e Relés
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Ruído de Acoplamento – Descarga em Gases
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Ruído Intrínseco
- Ruído térmico
- Ruído de contato
- Ruído balístico – “shot”
- Ruído pipoca – “popcorn”
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Resistor Ideal
- Corrente constante ao longo do tempo
- Modelo não físico
- Em resistores reais, os portadores móveis colidem com os átomos da rede, dando origem a pequenas variações de corrente ao longo do tempo.
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Propriedades do Ruído Térmico
- Distribuição normal ou gaussiana
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Ruído térmico – Potência Média
- Potência média de um sinal determinístico com período T
- Pode-se estender esta definição para sinal randômico
- Assumindo um sinal real, estacionário e ergódico
- Por convenção, trabalha- se normalmente com o valor médio quadrático da corrente.
∫ −
/ 2
/ 2
T
T
av i tR dt T
P
∫ →∞ −
/ 2
/ 2
lim^12 ()
T
T
Pn (^) T T in tR dt
∫ →∞ −
/ 2
/ 2
(^2) lim^12 ()
T
T
in (^) T T in t dt
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Ruído Térmico - Espectro
- Utiliza-se a o conceito de densidade espectral de potência (PSD – power spectral density) - A PSD reflete quanta potência o sinal carrega em uma freqüência particular.
- No caso do ruído térmico, a densidade de potência se espalha uniformemente até freqüências muito altas (10% de queda em 2000GHz).
- A potência em uma faixa do espectro é dada por: ∫^
2
1
f
f
Pn PSD f df
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Ruído Térmico - Resistor
- Nyquist mostrou que a PSD de um resistor é
- k é a constante de Boltzmann e T é a temperatura
absoluta
- 4kT = 1,55x10-20^ Joules na temperatura ambiente
- A potência média total de ruído em um resistor é
dada por
PSD ( f)=n 0 = 4 kT
= ∫ ⋅ = − = ∆
2
1
f
f
Pn kT df kT f f kT f
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Conceito de Densidade Espectral de Potência – PSD
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Conceito de Conformação de Ruído
PSD de Ruído de Entrada (^) Freqüência do SistemaResposta em PSD de Ruído de Saída
Exemplo de conformação de Ruído em uma linha de Telefônica
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Ruído em um Filtro RC
= = ⇒ = ⇒
=
= =
=
∞ noutrms RMS nout noutrms kTC
R out R out
Rn
out
v V
C pF v C df kT RCf P kTR
RCf j kTR V Ruido PSD Ruido PSD V
V RCS
V
π^ μ
π ω
64 , 3
1 ( 2 ) 1
4
( 2 ) 1 _ _ ( ) 4 1
1
1
, , , , 0
, 2
2
2
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Importância do Ruído Térmico
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Ruído em TMOS e BJT
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Introdução – Tecnologia do Dispositivo
TMOS
BJT
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Comparação BJT x TMOS
- Quando o TMOS é comparado com o BJT,
temos que o BJT:
- tem variação paramétrica menor
- pode operar com excursões de tensão maiores
- tem ganho de tensão maior, rout maior
- mantém o ganho de corrente por décadas (4 – 5 dec)
- pode operar com densidade de correntes maiores, para uma dada corrente possui capacitâncias parasitas menores. Maior BW.
- Logo, comparando Amplificadores MOS x BJT,
os bipolares apresentam:
- menor tensão de offset
- suportam faixas dinâmicas maiores
- tem BW maior na presença de cargas resistivas
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CMOS x BJT
A tecnologia CMOS tende a exigir um processo litográfico mais fino quando comparado a uma tecnolgia BiCMOS de equivalente velocidade.
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Amplificador Inversor – Análise de Ruído I
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Amplificador Inversor – Análise de Ruído II
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Distorção - Definição
- Todo dispositivo ou sistema eletrônico apresenta algum grau de não linearidade - No modelo de pequenos sinais, podemos incorporar essa deformação – Expansão de Taylor
- Normalmente se caracteriza distorção considerando-se como entrada um sinal senoidal.
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Distorção - Impacto
- A presença de não linearidades em circuito leva que para uma entrada harmônica pura haverá um conjunto de harmônicas correlacionadas com a entrada.
- Tendo na entrada 2 tons próximos, haverá o surgimento de processo de “intermodulação” na saída.
Sistema Não Linear
A presença de dois tons de interferência próximos um canal de informação desejada leva um processo de degradação da informação desejada a ponto de não ser possível recuperá-la.
