Medições de baixo ruído, parte 1.

Bob Pease foi um dos génios da eletrônica analógica. A seguir a tradução da primeira parte de um artigo seu sobre a medição de ruído. O artigo original se encontra em http://electronicdesign.com/analog/what-s-all-noise-stuff-anyhow-part-1.

Recentemente me convidaram para uma reunião para ver os resultados do projeto de um novo transistor, de alta performance e baixo ruído. Vi o relatório técnico. Os novos transistores eram mesmo bem menos ruidosos que os antigos. De fato, seu ruído era de duas a três ordens de magnitude menor que os convencionais. Achei suspeito. Como mediram isso? Ah, aqui está o circuíto na figura ao lado.

Perguntei se os betas (ganho de corrente) eram baixos ou altos? Me informaram que eram relativamente baixos, mas seriam aumentados mais tarde. Expliquei que com betas baixos, se as correntes de base não estiverem muito bem equilibradas, a saída do circuito de teste pode saturar num dos barramentos + ou -. Naturalmente, nesse caso o ruído aparenta ser muito baixo.

Quando o circuito funciona bem, o ruído em corrente é amplificado por uma resistência grande: 1 MΩ * (N+1) onde N é o ganho em malha fechada (RF/R1). Assim, a saída é (1 + I_ruído de Q1A) + (I_ruído de Q1B) * 1000 MΩ. No entanto, a corrente de desequilibrio (I+) - (I-) tambem vai ser amplificada por 1000 MΩ. Basta 9 nA de desequilibrio  das correntes para que a saída do amplificador ir a +9 V. Se a alimentação não é suficiente para que o sistema se equilibre, o amplificador satura. Naturalmente a saída então se torna bem quieta, o circuito deixou de amplificar o ruído.

Apontei que o circuíto podia mesmo amplificar o ruído na corrente da base do transistor, ou o dispositivo sob teste (DUT). Mas que o layout do circuito é bastante sensível. Apenas 1 pF de capacitância (CF) entre a saída e a base de Q1B causa um atraso na resposta. 1000 MΩ * 1 pF = 1 ms, o ruído atenua acima de 160 Hz. É possível fazer um layout com menos de 0,1 pF, mas precisa ser bem pensado e bem montado.

Ao examinar o testador, o layout estava muito organizado, o fio da saída estava montado ao longo do fio do nó somador (base de Q1B), e a resposta em frequencia estava mesmo abaixo de 100Hz. Numa coluna futura falarei de como 1 pF se parece e como pode prejudicar. Assim, mesmo se a saída não estivesse saturada e se tentasse medir o ruído em 1 ou 10 kHz, este circuíto indicaria um resultado muito abaixo do mínimo teórico do transistor. É um bom lugar para verificar a correção do circuíto.

Não que seja impossível medir o ruído da corrente da base do transistor, mas o circuíto precisa ser adequado. Eu escrevi um artigo em 1968, e verificando hoje, a única coisa que mudou é o nome dos operacionais. Não se pode mais comprar estes operacionais de componentes discretos e encapsulados, mas a abordagem do teste tem a mesma validade. Talvez eu escreva uma versão atualizada. No caso presente, o problema foi que um resistor de 1 MΩ e a amplificação do ruído em 100 ou 1000 (por RF e R1) não foi uma boa idéia. As capacitâncias parasitas e o ruído do 1 MΩ prejudicam a precisão. É bem melhor usar resistores reais de 100 ou 1000 MΩ.

De fato, um resistor de 20 ou 5 MΩ se justifica pois dará uma boa relação sinal/ruído e boa largura de resposta. Mais sobre isso a seguir.

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O tradutor é técnico em eletrônica, tendo trabalhado com instrumentação industrial, automação e controle de processo, programação de computador e supervisão de equipe de montagem. Fora o português tem fluência total em inglês e sueco. Faz traduções técnicas desde 2005.

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