Quels genres de bruit est-ce que nous rencontrons dans les circuits électroniques ?

Un circuit électronique est un maillage de composants électroniques connectés par des conducteurs.  Les quantités physiques qui jouent un rôle (la raison pour laquelle le circuit a été conçu en premier lieu) sont des courants et des tensions.  Comme nous considérons des systèmes d'information, la fonction de ces courants et tensions est de servir comme source d'informations.  Il y a bien sûr toute une branche de l'électronique qui s'intéresse dans les effets énergétiques de ces courants et ces tensions - l'électronique de puissance - mais ce n'est pas ce type d'électronique que nous considérons ici.  Ce qui nous intéresse, c'est le contenu en information des courants et des tensions d'un circuit, et non leurs effets énergétiques que nous considérons comme un effet indésirable dans la plupart des cas.  Ainsi, il y a un fonctionnement idéal du circuit qui résulte en certains tensions et courants ; en suite il y a le comportement réel du circuit qui aura des courants et tensions légèrement différents des formes idéales.  Une partie de la différence est systématique, et due aux approximations pendant la conception, les tolérances des composants et le comportement non-idéal des composants.  Mais une partie de la différence sera aléatoire.  Cette partie aléatoire est ce que nous appelons "bruit électronique".

Avec des signaux d'entrée identiques, et un état de départ  identique, un circuit réel aura des tensions et des courants différents des valeurs idéalement attendus.  Une partie de ces déviations est systématique, mais une partie est aléatoire.  Cette partie aléatoire est ce que nous appelons "bruit électronique".  Ce que nous voulons dire par cela, est: si nous considérons un ensemble de répétitions d'appliquer des signaux d'entrée identiques à notre circuit à partir d'un état initial du circuit identique, les déviations du comportement idéal auront une moyenne (la partie "systématique") et une variabilité autour de cette moyenne.  Ce dernier ensemble, de moyenne zéro, est ce que nous appelons le bruit du circuit.

Le bruit étant un phénomène aléatoire, il a une description par un ensemble, qui est donc la description statistique des fluctuations des courants et tensions.

Il y a essentiellement 3 contributions potentielles à ce bruit:

  1. des perturbations électromagnétiques
  2. du bruit technologique
  3. du bruit fondamental

Sources de bruit externe et interne.

Le bruit dû aux perturbations électromagnétiques trouve son origine à l'extérieur du circuit.  Le bruit technologique et le bruit fondamental trouve son origine à l'intérieur.  Cet aspect fait que les techniques et considérations d'ingénieur concernant les perturbations sont totalement différentes que celles qui ont affaire de bruit interne.

Le bruit dû aux perturbations est souvent appelé "compatibilité électromagnétique" (C.E.M.).  Les perturbations sont l'effet de phénomènes électromagnétiques proches qui n'ont rien à voir avec le fonctionnement local du circuit en question.  Par exemple, si vous allumez la lumière dans la salle, le courant soudainement établi dans les fils peut causer une onde électromagnétique qui peut induire des courants et tensions dans le circuit ; ou il peut y avoir une fluctuation dans le réseau électrique qui se propage dans la partie alimentation et influence le circuit.  Ou il peut y avoir une fluctuation dans les potentiels de masse des circuits branchés sur le nôtre.  La description statistique des perturbations électromagnétiques est très difficile.  Par contre, des bonnes pratiques peuvent fortement diminuer leur ampleur.  Des protections supplémentaires et des blindages peuvent aussi diminuer leur magnitude.  Des perturbations électromagnétiques ne devraient jamais être un problème dans un produit final.  Il se peut qu'éliminer des perturbations tard dans le processus de conception peut être couteux.  Normalement il est toujours possible de réduire l'effet de perturbations en-dessous de n'importe quel seul, sauf dans quelques cas exceptionnels où l'on est obligé d'avoir des circuits très sensibles dans des environnements très perturbateur d'une façon où on serait limité dans ses possibilités de blindage.

Cela dit, il se peut que le choix économique préfère d'accepter les perturbations et d'accepter leur conséquences.  Un exemple est: des lignes aériennes de haute tension, exposées à la foudre.  On accepte les perturbations dû à la foudre car les frais de blindage seraient trop chers.   Mais c'est une situation exceptionnelle.  Presque dans tous les cas de systèmes de traitement d'information, les frais pour éviter des perturbations est quasiment toujours très inférieur au prix d'accepter ces perturbations.  Les pratiques de conception et de protection contre ces perturbations sont un domaine d'expertise particulier.

Le bruit fondamental correspond aux fluctuations statistiques de courant et de tension inhérent à la physique du composant, et est donc inévitable.  Les deux principaux bruits fondamentaux sont le bruit Johnson (bruit de résistance thermique) et le bruit de grenaille (d'une jonction pn).  Ces deux sources de bruit sont en plus des sources de "pure entropie", dans le sens qu'elles sont thermodynamiquement imprévisibles.  Le bruit Johnson est directement lié à la deuxième loi de la thermodynamique.  Le bruit de grenaille est un effet quantique inévitable.  Le bruit fondamental ne dépend que de quelques paramètres physiques et non aux caractéristiques technologiques multiples du composant.

Le bruit technologique est du bruit qui apparaît à cause d'imperfections technologiques des composants.  Il y a du bruit en créneaux et du bruit de scintillation.  Ce sont des bruits plutôt basse fréquence.  Les origines de ces bruits sont des imperfections comme des ions prises dans des couches isolantes qui bougent sous l'influence des champs électriques, des imperfections cristallines.  L'amplitude de ces bruits peut être réduite par l'avancement de l'état de la technologie de fabrication.

Finalement il y a des genres de bruit qui sont un mélange de bruit fondamental et technologique: le bruit Zener et le bruit avalanche.  Ces bruits ont un aspect fondamental.  Le bruit Zener et le bruit avalanche ont à l'origine des fluctuations statistiques inévitables ; d'un autre coté, leur ampleur est liée à la technologie.  L'état de la technologie n'éliminera jamais le bruit Zener ou le bruit avalanche, mais peut sérieusement le réduire.

Bruit ou signal ?

Il y a deux cas dans lesquels ce que nous avons appelé bruit, est en fait utile.  Dans ce cas, parler du phénomène comme "bruit" est un abus de langage, car en fait le phénomène est le signal que nous voulons obtenir comme source d'information.  Ces deux applications sont:

  1. capteur électromagnétique
  2. générateur de bruit

Le bruit de perturbation étant un couplage à un phénomène électromagnétique externe de notre circuit, si c'est cette influence que nous voulons capter, alors ce "bruit" devient le signal utile.  Si ce phénomène est une onde électromagnétique, alors notre circuit est une antenne.  Mais le bruit de perturbation peut aussi avoir d'autres influences électromagnétiques, comme des différences de potentiel, des champs quasi-statiques électriques ou magnétiques etc.  Même si nous construisons un circuit sensible au phénomène voulu, par exemple des ondes radio, notre circuit peut aussi être perturbé par d'autres influences non-désirés.  Dans ce cas, les perturbations auront un aspect signal, et un aspect bruit.

Les sources internes de bruit peuvent aussi être considérés comme un signal utile.  Deux aspects de ce signal qui peuvent nous intéresser sont:

  1. les propriétés statistiques
  2. leur aspect "aléatoire et imprévisible"

L'application déterminera si c'est un aspect ou l'autre qui est recherché.  Les propriétés statistiques du signal-bruit peut être intéressant, par exemple dans des systèmes de mesure.  Si nous avons une source de signal-bruit avec un spectre blanc, appliquer ce signal à un circuit linéaire peut nous permettre de faire une estimation spectrale de la sortie et donc de la bande passante du circuit.  En ajoutant du bruit à un système, nous pouvons déterminer sa robustesse contre le bruit.  Du bruit peut être utilisé dans une technique appelée du dithering.  Il y a beaucoup d'applications des propriétés statistiques d'un signal bruit.  Dans beaucoup de cas, nous pouvons remplacer le bruit physique par un équivalent appelé un générateur pseudo-aléatoire.  Mais à des fréquences élevés, une version numérique peut être très chère comparée à une source de signal-bruit bien maîtrisée.

 L'aspect "imprévisible" d'un signal-bruit électronique peut aussi avoir plusieurs applications.  La propriété du bruit électronique fondamental est que c'est une vraie source d'entropie.   Le résultat du "prochain essai" d'un bruit fondamental est parfaitement imprévisible à part sa description statistique, car ce bruit trouve son origine dans une vraie source d'entropie physique, thermodynamique ou quantique.  L'application principale est cryptographique, mais nous pouvons aussi considérer deux autres applications: tirer un lot au hasard ("la main innocente") et limiter la capacité d'un canal de communication en le bruitant.

Comment traiter le bruit électronique ?

Dans la plupart des applications, le bruit électronique est vraiment du bruit, c'est à dire, un phénomène nuisible qui limite la performance d'un circuit électronique, ou le rend carrément inopérationnel.  La maîtrise du bruit est donc un aspect essentiel de l'ingénierie électronique.  Souvent cet aspect est négligé dans les phases de conception et ce n'est que pendant la phase de test, ou pire, chez le client que le problème se manifeste.  Ainsi, l'expertise en bruit peut vous sauver beaucoup de frais, de délais, de difficultés, et de perte de réputation si inclus dans le processus de conception à une phase initiale.

Comme nous avons vu, les différences entre bruit externe et bruit interne sont tels, que se sont en fait deux différents domaines d'expertise.  Il est absolument essentiel de déterminer si nous sommes confrontés à du bruit de perturbation ou à du bruit interne, car les façons d'y remédier sont totalement différentes.  Combattre du bruit de perturbations n'aidera en rien si les sources sont internes, et travailler sur le bruit interne ne résoudra pas la difficulté si le problème est une perturbation.  C'est d'ailleurs souvent le dernier cas que l'on rencontre.

Dans tous les cas, il faut avoir une bonne estimation du bruit interne d'un circuit.  Les calculs et simulations du bruit interne sont plutôt bien maîtrisés si on a suffisamment d'expertise dans le domaine.  Dans ce cas où le bruit interne est le signal, bien sûr une estimation correcte de ce bruit est essentiel, car c'est la fonction du circuit.  Dans le cas d'un circuit sensible, on pourrait croire qu'une grossière limite supérieure du bruit interne, afin de démontrer la compatibilité avec la fonction du circuit, serait suffisante.  Mais il est en fait beaucoup plus utile d'avoir une estimation correcte du niveau du bruit, car cela nous permet de constater expérimentalement si le bruit observé correspond bien au bruit interne, ou s'il y a une source inconnue dans le jeu, comme du bruit de perturbation.  Ce dernier cas est en tout cas problématique, car même si dans le cas expérimental, le circuit fonctionne bien, le circuit est vulnérable à une source non contrôlée

Du bruit de perturbation, par contre, est beaucoup, beaucoup plus difficile à estimer.  Pour un capteur comme une antenne, on peut faire des calculs à éléments finis des champs électromagnétiques.  Mais pour des perturbations, la plupart du temps, ces calculs difficiles sont inutiles, car nous ne pouvons pas modéliser la source inconnue, externe, de perturbations.  Dans la plupart des cas, il faut maîtriser les perturbations par de bonnes pratiques de conception, parfois un sur-investissement dans des protections et par des tests.  La plupart du temps, le surinvestissement est petit comparé au coût potentiel d'un problème de perturbation, sauf si on joue dans des marchés extrêmement compétitifs où toute petite réduction de coût de production est capitale.  Si vous concevez un produit relativement cher de qualité, demandez-vous ce qui est le plus coûteux: le prix de quelques composants de blindage et de protection inutiles, ou des clients non-satisfaits d'un produit "de qualité" qui est devenu sous-performant ou inutilisable à cause de perturbations ?