Já a algum tempo os problemas relacionados com o ruído gerado pelo próprio sistema não se limitam às aplicações industriais e científicas. Aquisições de dados com alta resolução e medições de precisão já fazem parte de equipamentos de uso geral e, em especial, a aplicações portáteis alimentadas a bateria. Nestes casos o desafio é maior devido às tensões baixas encontradas em equipamentos alimentados por baterias. A precisão do sistema depende totalmente do nível de ruído de fundo. Para obter o melhor desempenho de um circuito de condicionamento de sinais deve-se levar em conta todas as fontes de ruído, mesmo no nível de componentes, e entender sua contribuição no nível de ruído geral do sistema.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 431 de novembro de 2008.
Alguns acreditam que escolher componentes com os mais baixos níveis de ruído irá garantir a operação otimizada de um circuito de condicionamento de sinais. Isto não é verdade embora seja um bom ponto de partida.
O problema é que os datasheets fornecem informações muito limitadas, sem especificar a origem do ruído, como o ruído varia com o tempo, temperatura e configuração do circuito, para citar apenas alguns exemplos de fatores que possuem influência no desempenho de um circuito em relação ao ruído. O desenvolvimento de projetos com baixo ruído é fundamental para os dispositivos atuais, sejam portáteis ou não.
Com a redução do valor da tensão de alimentação das aplicações atuais (devido à necessária redução de consumo e para operação eficiente com baterias) os sinais a serem medidos ou monitorados possuem valor semelhante ao dos níveis de ruído.
Devido à redução da alimentação, ocorre uma redução no valor do LSB (Least Significant Bit) ou bit menos significativo. Por exemplo, imagine um sensor que gere uma saída de 30 mV máximo. Para um sistema de 12 bits, 1/2 LSB irá representar um sinal de 3,5 µV. Qualquer ruído referenciado a entrada com valor de 1 µV irá afetar significativamente a medição. Qualquer circuito analógico que irá alimentar um conversor analógico-digital, deve possuir ruído baixo para evitar a redução da relação sinal-ruído (SNR).
A perda na relação sinal ruído, em dB, devido a um amplificador será dada pela equação:
Um sistema mal projetado irá degradar a relação sinal/ruído desperdiçando a precisão de um sistema com conversores analógico/digitais de alta resolução. A obtenção de medições precisas em circuitos de alta resolução depende do nível de ruído do sistema. O máximo valor que pode ser obtido na relação sinal/ruído será:
Ruídos relacionados com os componentes
Vários fatores devem ser considerados durante o desenvolvimento de amplificadores de baixo ruído utilizando amplificadores operacionais, principalmente cada tipo de ruído, seu comportamento e sua contribuição no desempenho geral do sistema.
Ruído Johnson ou Térmico
Um resistor qualquer solto sobre uma mesa terá uma quantidade própria de ruído associada a ele. Esse tipo de ruído, conhecido como Ruído Johnson, não está relacionado à qualidade do resistor e sua tensão será igual a
Dessa forma, um resistor de 100 kohms apresentará um ruído igual a 40nV rms para uma largura de banda de 1 Hz e temperatura de 25 °C (298 kelvin). Este tipo de ruído é aleatório, mas possui uma distribuição gaussiana, o que fornece um espectro de frequência plano. O ruído Johnson é independente e sempre presente.
Em circuitos de baixo ruído, o ruído Johnson gerado por um resistor externo será, geralmente, o fator limitante e que não pode ser facilmente reduzido.
Ruído Schottky ou Shot
O ruído Schottky está associado com a corrente que circula em uma junção PN, ocorre devido às flutuações dessa corrente. Quanto menor a corrente, mais dominante será o ruído Schottky, e seu valor é dado por:
Da mesma forma que o ruído Johnson, o ruído Schottky é aleatório e possui distribuição gaussiana.
Ruído Flicker ou 1/f
Tanto os amplificadores operacionais como os resistores apresentam características de ruído diferentes do que seria esperado a partir do cálculo do ruído Johnson. Em baixas frequências o ruído é significativamente ampliado e segue uma característica 1/f, isto é, o espectro de ruído apresenta uma quantidade igual de potência por década de frequência. Este ruído conhecido como Flicker é altamente dependente da qualidade de ambos, amplificador operacional e resistores. Um resistor de fio irá apresentar menos ruído do que um resistor equivalente de carbono.
No caso dos amplificadores operacionais, o ruído Flicker depende da qualidade e do nível de cuidado empregado em seu projeto, além do processo de fabricação utilizado.
Ruído Popcorn
Este tipo de ruído recebe esse nome porque, quando reproduzido em um alto-falante, soa como pequenos estouros. É caracterizado por variar entre diferentes níveis de ruído e pode durar entre milissegundos até segundos. Bons componentes de baixo ruído não apresentam esse tipo de ruído.
Somatório das fontes de ruído
Podemos ver na figura 1 o diagrama de um amplificador com a indicação das diversas fontes de ruído do sistema. As fontes de ruído são aleatórias e dessa forma devem somadas geometricamente (RMS). A fórmula mais reconhecida para obtenção do ruído total de um circuito com amplificador operacional que inclui os diferentes tipos de ruído é:
Ruído relacionado com um amplificador operacional
É importante conhecer os compromissos que deverão ser assumidos durante o projeto do amplificador. Como eles afetam o desempenho da aplicação, é importante saber como o componente foi projetado e qual o processo utilizado na sua fabricação. As informações contidas em um datasheet não são suficientes para uma escolha efetiva.
A característica de ruído de um amplificador bipolar é dependente da corrente quiescente (polarização DC). O que funciona para minimizar Vn, isto é, baixa resistência de base rb e alta corrente de coletor Tc, é o oposto do necessário para minimizar In. Este é o maior compromisso a ser assumido em projetos com amplificadores bipolares. Componentes que apresentam circuitos de cancelamento de Ib introduzem ruído correlacionado, que deve ser levado em conta na análise de ruído do circuito. Componentes com compensação de polarização possuem corrente de ruído maior do que a prevista pela corrente de polarização Ib. Componentes CMOS apresentam ruído de contribuintes diferentes em diferentes regiões de operação. Ajustes podem ser feitos para se obter melhor desempenho em ruído, mas sempre terão implicações na aplicação final. O ruído Flicker (1/f) é inversamente proporcional à largura e comprimento do transistor, então para reduzir o ruído, projetistas utilizam transistores com maior geometria nos estágios de entrada. Essa escolha provoca o aparecimento de capacitâncias de entrada maiores que podem se tornar fatores limitantes para a aplicação. Componentes CMOS possuem corrente de ruído muito menor quando comparada com componentes bipolares. A corrente de ruído pode ser desprezada em temperatura ambiente, mas poderá ser um problema com o aumento de temperatura.
Comparado aos componentes bipolares, os que utilizam JFETs, que possuem baixo gm, tendem a apresentar tensões de ruído maiores para condições de operação similares. Sua tensão de ruído também contém ruído Flicker, mas apresentam melhores correntes de ruído do que os bipolares. Sua corrente de ruído In pode ser desprezada em temperatura ambiente, mas com o aumento de temperatura começa a ser um problema e irá dobrar para cada aumento de 20°C, já que a corrente de polarização IB irá dobrar a cada 10°C. Muitos amplificadores operacionais JFET optaram por trocar tensão de ruído por maiores capacitâncias de entrada. Uma simples comparação entre três tecnologias pode ser vista na tabela 1.
Após a escolha do sensor e amplificador a ser utilizado, deve-se escolher os outros componentes que irão formar o circuito. A melhor escolha é, geralmente, utilizar resistores de pequeno valor que irão reduzir o efeito da corrente de ruído do amplificador operacional. Os resistores irão introduzir sua parcela própria de ruído que irá elevar o nível mínimo de ruído do sistema.
O ruído introduzido pelos resistores não deve dominar o ruído do sistema. Reduzir a largura de banda da medição é uma boa prática no projeto de circuitos de condicionamento de sinais de baixo ruído. Isso pode ser obtido com circuitos simples de um polo ou com filtros ativos complexos de ordem mais elevada.
Como pode ser visto nas equações apresentadas, a largura de banda é um item crítico no cálculo do ruído de um sistema. Quanto maior for a frequência de operação, maior será a quantidade de ruído presente. Um circuito de baixo ruído deverá possuir a máxima limitação possível em sua largura de banda.
A largura de banda de ruído em um amplificador operacional é normalmente limitada por uma rede RC. Mas é importante lembrar que a largura de banda de ruído não é igual à largura de banda da rede RC. Se o filtro possuir uma baixa taxa de corte (rol off) a contribuição de sinais com frequências maiores do que a frequência de corte do par RC pode ser muito maior do que o esperado.
A largura de banda de ruído de um filtro passa baixas, do tipo Butterworth, de 1° ordem será igual a 1,57 x f-3dB do filtro. Isso representa mais de 50% de aumento. Um filtro de 2' ordem, pelo menos, é recomendável. Na tabela 2 podemos ver a contribuição na largura de banda de ruído de filtros de diversas ordens.
Um método para projeto
Iniciando com a escolha de um sensor e suas características, ruído, impedância, resposta de frequência e nível de sinal, obter o menor ruído referenciado à entrada (RTI) irá otimizar a relação sinal/ruído (SNR).
Em vez de lidar com as necessidades de ganho e potência primeiro e, aí, lutar com os problemas de ruído, pode ser mais interessante iniciar o projeto focando no baixo ruído. Como o processo é iterativo, inicie considerando se o amplificador irá operar com banda larga ou na região 1/f.
Em seguida selecione os componentes ativos para o melhor desempenho em relação ao ruído. Escolha os componentes passivos e limite a largura de banda. Analise as características que não são relacionadas com o ruído, como impedância de entrada, consumo de corrente e ganho em malha aberta.
Continue este processo até que se encontre uma solução que atenda todas as necessidades do sistema de forma satisfatória. Utilizando o circuito da figura 2 e substituindo o amplificador operacional por unidades com diferentes níveis de ruído interno, podemos verificar sua influência no ruído de saída.
A densidade de ruído de um amplificador possui muita influência no nível de ruído na saída do amplificador, como pode ser observado na figura 3. Onde são mostrados os níveis de ruído na saída para vários dispositivos, todos configurados para um ganho de 1000.
É possível que, em alguns casos, um amplificador operacional com uma densidade de ruído de banda larga maior seja mais adequado que outro com especificação menor. Se o sensor operar em frequências muito baixas, um amplificador com baixo ruído 1/f será melhor opção. Amplificadores operacionais tipo Auto zero corrigem erros que aparecem na entrada continuamente. Como o ruído 1/f se aproxima assintoticamente do nível DC, ele também será corrigido. Esses amplificadores são indicados para condicionamento de sinal de sensores de baixa frequência.
Para projetos de baixa tensão de alimentação, saídas e entradas do tipo Rail-to-Rail (RR) podem ser mais apropriados. Como a tensão de modo comum vai de um extremo da alimentação até o outro, um par diferencial de entrada opera quando o outro par para de trabalhar. Variações bruscas de tensões de offset e corrente de polarização de entrada podem causar distorção.
Para lidar com esse problema, alguns amplificadores operacionais utilizam circuitos do tipo charge pump internos para eliminar distorção de crossover na tensão de entrada. Dependendo do projeto, o circuito charge pump pode produzir ruído que irá aparecer na saída do amplificador causando problema se o ruído estiver dentro da banda de interesse. Neste caso é aconselhável ouso de um analisador de espectro para verificar se a amplitude e frequência forem muito menores do que a do sinal. Amplificadores operacionais bipolares mais novos utilizam técnicas para cancelar parcialmente a corrente de polarização de entrada. Essa técnica pode adicionar correntes de ruído.
É recomendável a escolha de três ou quatro dispositivos de baixo ruído. Leve em conta suas tecnologias. Verifique se técnicas especiais de projeto, como auto zero, cancelamento de corrente de polarização ou amplificadores rail-to-rail, por exemplo, são adequadas para seu circuito. Procure fotos da pastilha semicondutora mostrando a área dos transistores de entrada, lembrando que transistores maiores apresentam menor ruído mas capacitância maior.
Projetos de baixo ruído devem utilizar resistores de baixo valor, portanto os estágios de saída devem ser capazes de suportar cargas maiores. Após a escolha do amplificador operacional, devem ser escolhidos os resistores e capacitores. A escolha inadequada de resistores irá aumentar muito o ruído do sistema. Além dos resistores, capacitores também devem ser utilizados para compensação e redução de ruído. Componentes reativos não adicionam qualquer ruído, mas corrente de ruído circulando neles provocam o aparecimento de tensões de ruído que irão entrar no sistema.
Conclusão
Projetos de amplificadores de baixo ruído para condicionamento de sinais de sensores com baixo nível de saída necessitam que se fique atento a diversas características que normalmente são desprezadas em outros tipos de aplicação.
Todas as considerações a respeito das fontes de ruído, intrínsecas aos componentes utilizados, devem ser levadas em consideração. A tecnologia e processo de fabricação dos amplificadores operacionais são importantes no desempenho final do circuito.
E por fim, é extremamente importante que baixas impedâncias sejam utilizadas ao redor do amplificador para minimizar os efeitos das correntes de ruído, do ruído térmico e captação de ruídos através de interferência eletromagnética (EMI).
