El amplificador lock-in

14/10/2011

Práctica 3: El amplificador Lock-In
Sierra Tabla Mario Abraham, García Villarreal Luis Angel, Barojas Méndez Everardo Jorge
Seminario de Instrumentación, Maestría en Ingeniería Eléctrica (Instrumentación), Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad de México.
I. Resumen
En esta práctica se describen los procesos de funcionamiento básicos de un amplificador Lock-In, talescomo: el amplificador diferencial de bajo ruido, el oscilador de referencia, el circuito de sujeción de fase (PLL), el filtro de ranura (notch) y el oscilador interno de referencia. Por medio de un amplificador Lock-In, se midió el valor de capacitancia de dos capacitores hechos en circuitos impresos, cuyos valores se compara con los obtenidos por un puente digital LCR obteniendose los siguientesresultados para el puente LCR: capacitor1 = 2.36pF, capacitor2 = 1.62pF, en tanto que utilizando el amplificador lock-in: capacitor1 = 1.66pF, capacitor2 = 1.61pF. Se determinó un valor de ruido de entrada del amplificador para el capacitor1: R rms = 9.1 pA/Hz1/2, y para el capacitor2: Rrms = 8.6 pA/Hz1/2. potencia Wp (dada en Watts/Hz), de tensión Wv (dada en Volts2/Hz) o de corriente Wi (dada enA2/Hz). De acuerdo con la densidad espectral en función de la frecuencia, se habla de ruido blanco (de nivel constante en la banda de frecuencias), ruido rosa (de nivel decreciente con la frecuencia), o ruido azúl (de nivel creciente con la frecuencia). Debe tomarse en cuenta que un mismo ruido puede ser de un tipo en una banda de frecuencias y ser de otro tipo en una banda diferente. Por todo loanterior, el diseño de los equipos electronicos debe garantizar valores elevados de la relación señal a ruido, de modo que en todo momento sea posible discriminar a la señal del ruido sin dificultad. i-a. Fuentes de ruido en el análisis instrumental Las fuentes de ruido estan asociadas a dos grupos: 1) Ruido ambiental Este tipo de ruido es causado por fluctuaciones de temperatura, presión humedad,etc.. 2) Ruido instrumental Este tipo de ruido es instrínseco a los instrumentos de medición. Existen 3 tipos de ruido instrumental: 2.1 Ruido térmico (ruido de Johnson). Este tipo de ruido proviene de la agitación térmica de los electrones. Ocurre fundamentalmente en resistencias, detectores de radiación y demás elementos pasivos. Es dependiente de la temperatura y el ancho de banda, pero esindependiente de la frecuencia de trabajo (ruido blanco). Esta dado por la siguiente ecuación: V n(RMS )= √ 4KTRB (3.1) Donde el valor RMS depende directamente de la resistencia R, la temperatura T [°K], K es la constante de Boltzman y B el ancho de banda.

II. Introducción
i. Ruido de una señal
Se entiende por ruido eléctrico toda fluctuación aleatoria de una variable eléctrica (sea corriente,tensión, etc.), la cual inhibe la señal de interes. Una característica típica de la mayoria de los tipos de ruido es su naturaleza no determinista, es decir, la incapacidad de predecir su fase o forma de onda de manera exacta. Se puede medir el valor pico, el valor medio, el valor eficaz, etc. de los diferentes tipos de ruido pero no es posible determinar con exactitud su valor instantaneo, esdecir, su forma de onda. En un sentido menos estricto, podía admitirse también como ruido cualquier señal indeseada que pertubace la señal de interés. Si embargo en estos casos, se habla de señales interferentes y no de ruido. La presencia de ruido en un sistema electrónico es inevitable y puede provocar falsas respuestas en el sistema, degradar su comportamiento o hacerlo ineficaz para llevar a cabolas tareas para las cuales ha sido diseñado. El ruido puede caracterizarse en el dominio de la frecuencia, debido a su correspondiente densidad espectral, sea de

2.2 Ruido de disparo (cuántico) Este tipo de ruido proviene del movimiento de los electrones o fotones en los nodos o uniones semiconductoras. Es dependiente de la corriente y el ancho de banda, pero es independiente de la frecuencia...