Principios de análisis instrumental

100 Capítulo 5 Señales y ruido «< En la sección 3B.4 se analiza la relación entre el tiempo de subida t, y el ancho de banda !1f de un amplificador operacional. Estas variables se usan también para caracterizar la capacidad de instrumentos completos para transducir y transmitir informa– ción, porque !1f = __!___ 3t, (5.4) El tiempo de subida de un instrumento es su tiempo de respuesta en segundos a un cambio abrupto en la entrada y por lo regular se toma como el tiempo que se requiere para que la salida aumente de lO a 90% de su valor final. Así, si el tiempo de subida es 0.01 s, el ancho de banda l1.f es 33 Hz. La ecuación 5.3 hace pensar que el ruido térmico se puede disminuir al reducir el ancho de banda. Sin embargo, cuando se reduce el ancho de banda, el instrumento se vuelve más lento para responder a un cambio de señal y se requiere más tiempo para hacer una medición confiable. / EJEMPLO s·:·i ·'_.-. ·.--5~- -···· Ji:~;'~~~<• \ ',.,: ' .1 ,_r&~ --~~·~ ::..,: ,, ~· . ' ¿Cómo afecta al ruido térmico la disminución del tiempo de respuesta de un instrumento de l s a l ¡.¡s? }Solución Si se asume que el tiempo de respuesta es casi igual al tiempo de subida, se tiene que el ancho de banda cambió de 0.3 Hz a 3.3 X 10 5 Hz, o por un factor de 10 6 • De acuerdo con la ecua– ción 5.3, tal cambio causará un incremento en el ruido de (10 6 ) 112 o de 1000 veces. Como se ilustra en la ecuación 5.3, el ruido térmico se puede reducir también si se disminuye la resistencia eléctrica de los cir– cuitos del instrumento y si se reduce la temperatura de los com– ponentes del instrumento. El ruido térmico en los transductores se reduce a menudo mediante enfriamiento. Por ejemplo, al dis– minuir la temperatura de un sistema de fotodiodos de luz ultra– violeta (UV) visible desde la temperatura ambiente (298 K) hasta la temperatura del nitrógeno líquido (77 K) el ruido térmico se reducirá a la mitad. Es importante notar que el ruido térmico, aunque depen– diente del ancho de banda de la frecuencia, es independiente de la frecuencia misma. Por esta razón, a veces se le denomina ruido blanco por analogía con la luz blanca, que contiene las frecuencias visibles. Observe también que el ruido térmico en elementos de circuito resistivos es independiente del tamaño físico del resistor. Ruido de disparo El ruido de disparo se encuentra siempre que los electrones u otras partículas cargadas cruzan una unión. En los circuitos elec– trónicos típicos, estas uniones se encuentran en las interfases pn; en las fotoceldas y los tubos de vacío la unión es el espacio eva– cuado entre el ánodo y el cátodo. Las corrientes comprenden una serie de eventos cuantizados, la transferencia de electrones indivi– duales a través de la unión. Estos eventos ocurren al azar, y la tasa a la cual se presentan está sujeta a fluctuaciones estadísticas que se describen mediante la ecuación (5.5) donde Írms es la raíz cuadrática media de la fluctuación de la corriente relacionada con la corriente directa promedio, 1; e es la carga del electrón de 1.60 X 10- 19 C y !1f es de nuevo el ancho de banda de las frecuencias en cuestión. Como el ruido térmico, el ruido de disparo es ruido blanco y, por tanto, es el mismo a cualquier frecuencia. La ecuación 5.5 hace pensar que el ruido de disparo en una medición de corriente se puede reducir solo disminuyendo el ancho de banda. Ruido fluctuante El ruido fluctuante se caracteriza por tener una magnitud que es inversamente proporcional a la frecuencia de la señal observada; a veces se denomina ruido 1/f(uno sobre j) como una consecuencia de lo anterior. La causa del ruido fluctuante no se entiende del todo; es ubicuo y es reconocible porque depende de la frecuencia. El ruido fluctuante se vuelve insignificante a frecuencias menores a l 00 Hz. La deriva de largo plazo observada en amplificadores cd, fuentes de luz, voltímetros y medidores de corriente son un ejemplo de ruido fluctuante. El ruido fluctuante se puede reducir de manera significativa en algunos casos por medio de resistores enrollados con alambre o de película metálica en vez de los más comunes del tipo de carbono compuesto. Ruido ambiental El ruido ambiental está compuesto de varias formas de ruido que surgen de los alrededores. Hay mucho ruido ambiental porque cada conductor de un instrumento es potencialmente una antena capaz de captar radia– ción electromagnética y convertirla en una señal eléctrica. Hay numerosas fuentes de radiación electromagnética en el ambiente, incluso las líneas de energía eléctrica ca, las estaciones de radio y TV, los sistemas de ignición de motores a gasolina, los interrupto– res de arco, las escobillas en motores eléctricos, la iluminación y las perturbaciones ionosféricas. Tenga en cuenta que algunas de estas fuentes, como las líneas de energía eléctrica y las estaciones de radio, causan ruido con anchos de banda de frecuencia relati– vamente estrechos. Si se grafica la potencia del ruido externo versus la frecuen– cia, a esto se le conoce como espectro de ruido. Este ruido aparece como un "parpadeo" o flicker y sus fuen– tes no son completamente conocidas pero dentro de ellas se pue– den considerar a las frecuencias de radio y televisión, variaciones de temperatura e incluso percibirse zonas de frecuencia quieta donde el ruido se hace mínimo, la figura 5.5 muestra parte de este comportamiento. SC INTENSIFICACIÓN DE LA RELACIÓN SEÑAL/RUIDO Muchas mediciones de laboratorio requieren un esfuerzo mínimo para mantener la relación señal/ruido en un nivel aceptable. Entre los ejemplos se encuentran las determinaciones de peso