rumóre (elettronica)

Definizione

Fenomeno che si manifesta nei componenti e nei circuiti sotto forma di fluttuazioni casuali di tensione o di corrente che si sovrappongono al segnale utile mascherandolo e perciò fissando un limite di sensibilità nella rivelazione di segnali deboli. Negli amplificatori è in pratica il segnale che si può misurare all'uscita quando non sia presente all'ingresso alcun segnale utile e l'eventuale comando di sensibilità sia regolato per il massimo; si parla in tal caso anche di rumore di fondo.

Elettronica: le cause del rumore

Il rumore non può essere eliminato con alcun artificio poiché deriva dalla natura statistica di alcune grandezze fisiche a livello microscopico, quali per esempio la carica elettrica discreta e la distribuzione casuale dell'energia di agitazione termica. Alla prima di queste cause è dovuto il rumore granulare di corrente, associato a ogni corrente elettrica costituita da portatori di carica generati indipendentemente l'uno dall'altro, quali le correnti di emissione da catodi in regime di saturazione e le correnti inverse nei semiconduttori; l'analisi del meccanismo di raccolta casuale dei singoli portatori permette di calcolare il valore efficace I_r del rumore granulare sovrapposto alla corrente circolante

, dove e è la carica dell'elettrone e B la banda di frequenza della misura. Similmente, l'agitazione termica è responsabile del rumore Johnson o rumore termico presente ai terminali di qualsiasi resistore sotto forma di una fluttuazione di tensione dovuta all'induzione dei portatori di carica in movimento caotico, il cui valore efficace V_r risulta dato da:

, dove k è la costante di Boltzmann, T la temperatura assoluta del resistore, R il valore della resistenza. Caratteristica comune a questi due tipi di rumore è la proporzionalità tra il valore efficace e la radice quadrata della banda di frequenza: ciò indica una distribuzione costante in frequenza della densità spettrale di rumore, e lo spettro di rumore si dice perciò bianco. Un terzo tipo di rumore, ricorrente come i precedenti virtualmente in tutti i componenti elettronici, è il rumore di superficie, dovuto a effetti di diffusione termica della potenza dissipata, che producono un'ulteriore fluttuazione di tensione ai terminali di un resistore R percorso da una corrente continua I, con un valore efficace V_s dato dall'espressione:

dove α è una costante di proporzionalità, f la frequenza e Δf l'intervallo di frequenza di misura. Poiché la densità spettrale del rumore di superficie dipende dall'inverso della frequenza, tale rumore predomina sugli altri alle basse frequenze e costituisce un limite di accuratezza nelle misure con processi di media. Nei componenti elettronici attivi o passivi il rumore totale è dato dalla composizione dei valori efficaci dei rumori termici associati alle resistenze e dei rumori granulari e di superficie associati alle correnti circolanti. Riportando ai terminali di ingresso del componente i vari contributi, opportunamente pesati con le relative amplificazioni, è possibile parlare di rumore equivalente all'ingresso del componente, e perciò caratterizzarlo agli effetti del rumore con generatori di tensione e di corrente oppure con una resistenza equivalente di rumore il cui rumore termico eguagli quello totale di ingresso del componente. In alternativa a queste quantità, è spesso usata per i circuiti e specialmente per gli amplificatori la cifra di rumore NF (Noise Figure), definita come il numero di decibel di cui il rapporto segnale/rumore di ingresso (S_i/N_i) associato al segnale da amplificare è maggiore del rapporto segnale/rumore (S_u/N_u) all'uscita del circuito:

Per i rivelatori di radiazioni elettromagnetiche, dalle frequenze radio fino alle frequenze ottiche, si definisce infine una temperatura equivalente di rumore come quella temperatura cui si dovrebbe portare il fondo osservato dal rivelatore per produrre in questo un rumore granulare uguale a quello effettivamente posseduto dal rivelatore.

Telecomunicazioni

In radiotecnica si chiamano generatori di rumore dei dispositivi generalmente impiegati per misure elettroniche. Particolarmente importanti sono i cosiddetti generatori di rumore bianco che producono un segnale di ampiezza costante in un vastissimo spettro di frequenze. Questi strumenti sono adatti a paragonare tra loro la sensibilità di amplificatori o radioricevitori operanti in un ampio campo di frequenze.