Bruit (Cours de Base) [PDF]

Zitiervorschau

2éme Année BTS Systèmes Électroniques

Notes de cours :

Le bruit dans les montages électroniques

Réalisé par : Prof : A. EL FARNANE

Travaux d’atelier

2014/2015

Le bruit dans les montages électroniques

I.

Généralités:

1- Définition On nomme perturbation un signal électrique parasite qui vient se superposer à un signal utile. Les perturbations sont d’autant plus gênantes qu’on travaille avec des signaux utiles de faible niveau. Un signal sans bruit n’existe pas.

2- Exemples : On peut citer comme exemples :  Le bruit dans un récepteur radio entre deux stations.  Le bruit de souffle à la sortie d’un amplificateur.  La « neige » sur l’écran d’un téléviseur qui n’est pas réglé sur une station.

3- Sources de bruit : Le bruit a deux sources bien distinctes:  une origine externe à la chaine: Ce bruit affecte déjà le signal d’entrée et est amplifié et filtré avec le signal. Ce bruit provient des parasites industriels et domestiques (réfrigérateur, aspirateurs, …) et du bruit de fond cosmique (tous les astres qui rayonnent des ondes électromagnétiques et surtout le soleil lorsqu’il est dans l’axe de l’antenne). Ces parasites possèdent un spectre très étendu. Pour réduire leur importance, on peut réduire la bande passante du système de réception et orienter l’antenne vers l’émetteur (comme en TV).  une origine interne à la chaine : L’agitation thermique des électrons provoque des fluctuations aléatoires de la tension en tout point d’un circuit appelées bruit thermique. Dans un récepteur, tous les étages (amplificateurs, mélangeurs…) rajoutent leur bruit propre au bruit capté par l’antenne. Pour diminuer ces bruits, il faut choisir des composants à faible bruit.

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II.

Caractéristiques du bruit : 1- Valeur moyenne :

Les fluctuations du bruit étant aléatoires, la tension b(t) est aussi souvent positive que négative. Si nous regardons, avec un oscilloscope très sensible et de grande bande passante la tension b(t) aux bornes d’une résistance R, nous voyons ceci :

Bruit thermique produit par l’agitation thermique des électrons

Nous en déduisons un premier résultat important, La valeur moyenne d’une tension de bruit est nulle :

= Bmoy = 0

2- Valeur efficace: Le bruit est caractérisé par sa valeur efficace Beff   b(t ) 2  La mesure de la valeur efficace du bruit se fait avec un voltmètre, mais la mesure est délicate car les tensions de bruit sont très faibles et les voltmètres utilisés doivent avoir un bruit propre très faible et une bande passante large.

3- La valeur crête à crête : La valeur crête à crête est difficile à estimer car elle dépend de l’intensité du spot. Dans la pratique la tension de bruit crête à crête est définie par : Bcc  6  Beff

4- Puissance de bruit : Un bruit de valeur efficace Beff, appliqué à un étage de résistance d’entrée R, correspond à une P

puissance P :

Beff

2

R

5- La Densité spectrale d’un bruit : Comme le bruit dépend de la bande B0, il est plus pratique de le caractériser à la fréquence f0 par sa densité spectrale D qui est la tension de bruit qu’on aurait dans une bande de B0 autour de f0 D

Beff B0

Exprimée en

V Hz

La valeur efficace d’un bruit de densité spectrale D donnée dépend donc de la bande B0, ce qui entraîne un certain nombre de conséquences pratiques qu’il ne faut pas perdre de vue :  on peut diminuer une tension de bruit en filtrant le signal 2BTS –SE

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Le bruit dans les montages électroniques  pour minimiser le bruit, on travaillera avec une bande passante juste égale à la largeur du spectre du signal.  Quand on mesure un bruit, la bande passante de l’appareil de mesure peut le filtrer et donc modifier sa valeur: c’est pourquoi la mesure d’un bruit est délicate. Exemple : Bruit de bande B0 = 1 MHz filtré par un passe-bas coupant à 10 kHz → bruit non filtré de valeur crête-crête BCC = 1,5 V. soit Beff = 0,25 V → Densité spectrale : D = 0,25 mV → Valeur efficace du bruit filtré : B’eff = 0,025V, Valeur crête-crête : B’CC = 0,15 V

6- Distribution en amplitude de bruit : La tension de bruit b(t) a une allure désordonnée, il est donc impossible de prévoir la valeur qu’aura b(t) à un instant t donné: La tension b(t) a souvent une valeur nulle ou très faible, mais beaucoup plus rarement une valeur élevée. Pour la grande majorité des bruits, la courbe de probabilité est une courbe gaussienne ; la valeur moyenne, du bruit étant nulle, il s’agit d’une répartition centrée réduite.

 La courbe donne la probabilité que b(t) soit égale à une valeur donnée à un instant donné.  par exemple, la probabilité pour que b(t) = 0 à un instant t donné est de p = 40 %.

7- Rapport signal-bruit : Pour caractériser l’importance du bruit qui affecte un signal, on définit le rapport signal-bruit :  

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le signal a une valeur efficace S le bruit a une valeur efficace B

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Le bruit dans les montages électroniques Le rapport signal-bruit est le rapport des puissances (ou des tensions) de signal et de bruit :

Exemple: signal sinusoïdal affecté de bruit  

le signal a une valeur crête-crête de 4V, il a donc une valeur efficace S = 1,41 V. le bruit a une valeur crête-crête d’environ 1V, sa valeur efficace est donc B = 1V/6 = 0,17V. S  1.41     20 log   18.4dB  B  dB  0.17 

8- Facteur de bruit d’un quadripôle: Chaque quadripôle rajoute son propre bruit et dégrade le rapport signal-bruit. Le facteur de bruit F d’un quadripôle caractérise cette dégradation et se définit par :

F toujours supérieur à 1 car le bruit en sortie est toujours supérieur au bruit en entrée. Exemple : facteur de bruit d’un amplificateur Le signal sinusoïdal mesuré à l’entrée vaut Se = 50mV Le rapport S/B à l’entrée vaut Se / Be = 50 dB = 316 L’amplificateur rajoute un bruit propre Bp = 0,4mV On détermine F : Le bruit à l’entrée s’écrit : Be= 50mV/316 = 0,16 mV Le bruit total de sortie vaut : Bs =10 Be+ Bp= 1,6 + 0.4 = 2mV Le rapport S/B en sortie vaut Ss / Bs = 10.50/2 = 250 soit 48 dB D’où F = 316/250 = 1,26

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III.

Le bruit dans les composants et montages électroniques: 1- Le bruit dans la résistance :

Tension de bruit aux bornes d’une résistance : Beff  4kTRB0   

k : constante de Boltzmann, k = 1,4.10-23 T : température absolue en Kelvin, T = 𝞱 + 273 B0: bande de fréquence utile. une résistance R = 100 kΩ à la température ambiante de 20°C produit dans une bande

Exemple :

B0= 1MHz un bruit blanc (bruit de spectre très étendu) de valeur efficace Beff. 

Beff  4kTRB0 = 40 µV



Sa densité spectrale de bruit vaut D 

Beff B0

 40nV / Hz

2- bruit dans une diode : Courant de bruit dans une diode : I eff  2qIB0   

q : charge de l’électron, q = 1,6.10-19 C I : courant continu dans la diode B0: bande de fréquence utile.

Exemple : Pour une diode traversée par un courant de I = 1 mA, la valeur efficace du courant de bruit vaux Ieff = 18 nA pour une bande B0= 1 MHz.

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3- bruit blanc et bruit coloré : La lumière blanche est composée de radiations de toutes longueurs d’onde entre 400 et 800 nm.

Lorsque la lumière contient davantage de radiations d’une certaine longueur d’onde, elle est colorée devient rouge si elle contient de grandes longueurs d’onde (fréquences basses) ou bleue si elle contient des radiations de longueur d’onde basse (fréquences élevées). De la même façon et par analogie avec la lumière, lorsqu’un bruit traverse un filtre, certaines composantes sont atténuées. Le spectre n’est donc plus constant et on dit que le bruit est coloré.  si les basses fréquences prédominent, on a un bruit rose.  si les fréquences élevées prédominent, on a un bruit bleu.

Spectre d’un bruit blanc et d’un bruit rose dans la bande audio.

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4- Les porteurs dans un semi-conducteur Le nombre n(t) des porteurs (électrons et trous) présents dans le barreau n’est pas constant, mais fluctue autour d’une valeur moyenne et cette fluctuation est à l’origine d’une variation aléatoire de la tension b(t).  La b(t) fluctue en fonction de la production et de la disparition de paires électron-trou : c’est le bruit de génération-recombinaison. Ce bruit existe même en l’absence de courant (i(t)=0).  à cause du mouvement brownien (agitation thermique), les porteurs de charges s’entrechoquent et leur vitesse varie en permanence. La tension b(t) fluctue en fonction de ces variations de vitesse : c’est le bruit thermique. Ce bruit existe même en l’absence de courant (i(t)=0).  en présence de courant (i(t)≠0), b(t) fluctue parce que le courant est constitué par une superposition de courants impulsionnels correspondant à la charge de l’électron : c’est le bruit de grenaille. La valeur efficace de ce bruit en courant est donnée par la formule de Schottky :

I eff  2qIf Le courant dans une jonction est lié à la circulation des porteurs (électrons et trous). Le courant électrique, qui paraît continu à l’échelle macroscopique, est donc au niveau microscopique constitué par un grand nombre d’impulsions de courant.

5- Bruit dans les composants actifs: Tous les composants actifs produisent leur bruit propre et on peut définir pour chacun d’eux un schéma équivalent pour le bruit qu’il faut utiliser si on veut calculer le niveau de bruit en sortie d’un étage. Les logiciels de simulation actuels intègrent les paramètres de bruit dans les modèles et permettent donc d’avoir une idée précise du comportement d’un étage par rapport au bruit. Pour un transistor, les sources de bruit correspondent aux bruits thermiques des différentes résistances du schéma équivalent et aux bruits de grenaille des différentes jonctions.

Les sources de bruit sont les sources de bruit de grenaille ib et ic, la source de bruit thermique eb liée à la résistance de base rbb

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Le bruit dans les montages électroniques Pour un amplificateur opérationnel, les sources de bruit sont très nombreuses puisque chaque composant résistif ou actif est à l’origine d’une ou de plusieurs sources de bruit. Le fabricant spécifie donc son composant en donnant les densités spectrales de bruit de 2 sources de bruit placées à l’entrée qui remplacent la totalité des sources de bruit internes au composant. Lorsqu’on désire concevoir un étage à faible bruit, on choisira donc un amplificateur opérationnel dit « à faible bruit ».

6- Bruit dans un récepteur FM : Pour calculer le bruit en sortie d’un récepteur FM à changement de fréquence, on admet pour simplifier que :   

l’environnement électromagnétique est calme et le seul bruit à l’entrée est le bruit thermique de l’antenne 50 ohms. l’amplification du préampli RF est suffisante pour que les bruits thermiques des étages suivants soient négligeables le signal reçu a une amplitude de Seff = 0,01 mV et l’indice de modulation est de m = 5.

Les bruits de l’antenne et de l’ampli RF étant filtrés par le filtre fi, on calcule ces bruits dans la bande Bo qui est plus large qu’en AM :

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IV.

La mesure du bruit:

Lorsqu’un mesure une valeur efficace de bruit à l’aide d’un voltmètre, il faut veiller à la bande passante de l’appareil. En effet, il faut que la bande passante B de l’appareil soit supérieure à la bande passante du bruit à mesurer si on veut éviter un filtrage du bruit et donc une diminution de sa valeur efficace mesurée. Sa sensibilité aussi doit être suffisante pour pouvoir mesurer des tensions faibles.

1- montage de mesure du bruit global: La mesure du bruit généré par un dipôle se fait en utilisant une source de bruit blanc de niveau Eg connu. La source Em représente le bruit propre de la chaîne de mesure.

La mesure se fait en 3 étapes : K en 0 : on mesure une tension :

V1  A.Em

K en 1, Eg =0 :

V2  A. Em2  E x2

K en 1, Eg≠0 :

V3  A. Em2  E x2  E g2

V2  V12 2

On démontre aisément que :

Ex  Eg .

V32  V2

2

2- La mesure oscilloscopique tangentielle: Le mode opératoire est particulièrement facile: il suffit d'appliquer le signal de bruit aux deux canaux YA et YB d'un oscilloscope double trace à large bande fonctionnant dans le mode balayage alterné.

de

Les sensibilités des deux canaux étant supposées identiques.

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Deux oscillogrammes de bruit apparaissent alors sur l'écran séparés par une « bande noire ». Il suffit de réaliser le déplacement vertical des deux oscillogrammes jusqu'à leur recouvrement tel que la « bande noire » entre les deux disparaît tout juste.

On déconnecte ensuite le signal de bruit : la distance A entre les deux traces est égale au double de la valeur efficace du signal de bruit. Beff = A/2

En utilisant cette méthode particulièrement simple, l’erreur de mesure ne dépasse pas 10%, et cette technique est indépendante du réglage de luminosité se l’oscilloscope.

V.

Générateur de bruit blanc numérique:

Une technique souvent utilisée pour produire un bruit est de fabriquer une séquence binaire pseudo-aléatoire de « 1 » et de « 0 » : Un registre à décalage est composé de N bascules mises en cascade, la sortie de la dernière bascule est "multipliée" (ou-exclusif) par la sortie de la m-ième bascule, le résultat de cette multiplication logique est réinjecté à l'entrée de la première bascule, la séquence binaire est filtrée par un passe-bas pour obtenir un signal pseudo-aléatoire.

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Le bruit dans les montages électroniques Exemple :     

N = 15 horloge fh = 22 kHz la périodicité de la séquence sortie est de 32767.Th = 1,5 s le spectre est un spectre de espacées de 1/1,5 = 0,66 Hz l’enveloppe est en sin(X)/X

VI.

Exemple d’application : mesure de température

Les thermomètres sans contact utilisent le rayonnement infrarouge pour mesurer sans contact la température de surface d'objets. Tout corps ayant une température supérieure au zéro absolu (-273°C) rayonne de l'énergie due au mouvement des électrons, ce bruit thermique électromagnétique augmente avec la température du corps et son spectre est large avec un maximum dans l’infrarouge, voire dans le visible pour des températures très élevées (soleil, ampoule électrique …). Le capteur d'un thermomètre infrarouge détecte ce rayonnement dans une certaine bande de fréquences et un convertisseur les transforme en signaux électriques, qui sont alors retransmis sur un indicateur numérique. La difficulté de cette mesure provient du fait que l’énergie émise dépend aussi de l’état de surface du corps émetteur.

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Le bruit dans les montages électroniques

Bibliographie : Ce support de cours est un extrait des cours de M. jean-philippe muller. Pour consulter la version complète et d’autres cours, vous pouvez accéder au site suivant : http://www.ta-formation.com/

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