Bruit produit par l'agitation thermique des électrons dans une résistance. La valeur quadratique moyenne de la tension vaut 4kTRΔf, proportionnelle à la température, à la résistance et à la bande passante.
Nom japonais: 熱雑音(ジョンソン雑音)
« Bruit thermique (bruit de Johnson) » apparaît dans 6 questions d'entraînement réparties sur 4 thèmes, dont Circuits analogiques et électroniques, Conversion A/N et N/A, Capteurs d'images et composants optiques.
Dans toute résistance, les électrons s'agitent aléatoirement sous l'effet de l'énergie thermique, ce qui produit une minuscule tension fluctuante à ses bornes, même en l'absence de courant. Ce bruit thermique, aussi appelé bruit de Johnson-Nyquist, est blanc, c'est-à-dire que sa densité spectrale de puissance est plate sur les fréquences d'intérêt, et son amplitude suit une distribution gaussienne. Sa tension quadratique moyenne vaut 4kTRΔf, où k est la constante de Boltzmann, T la température absolue, R la résistance et Δf la bande passante. De façon équivalente, on peut le modéliser par un courant de bruit de valeur quadratique moyenne 4kTΔf/R en parallèle avec la résistance.
Une résistance de 1 kΩ à température ambiante produit environ 4 nV/√Hz, soit environ 0,57 µVrms sur une bande audio de 20 kHz ; comme la tension de bruit varie comme la racine carrée de la résistance, 100 kΩ donnent environ 40 nV/√Hz. Lorsqu'une tension est échantillonnée sur un condensateur à travers un interrupteur, la densité de bruit de la résistance et la bande passante RC se compensent, laissant √(kT/C) quelle que soit la résistance de l'interrupteur, soit environ 64 µVrms pour 1 pF. Diviser par deux le bruit kT/C exige quatre fois plus de capacité, ce qui coûte de la surface et de la puissance dans les ADC haute résolution et les capteurs d'image.
Le bruit thermique existe dans toute résistance à l'équilibre. Le bruit de grenaille (shot noise), au contraire, provient de charges discrètes franchissant une barrière comme une jonction PN et nécessite un courant, avec un courant quadratique moyen de 2qIΔf. Le bruit de scintillation, ou bruit en 1/f, augmente aux basses fréquences ; dans les MOSFET, il provient principalement de pièges à l'interface du diélectrique de grille, et sa fréquence de coin, où il égale le bruit thermique, va du kHz au MHz. Le bruit spatial fixe des capteurs d'image n'est pas du tout un bruit temporel, mais une variation reproductible d'un pixel à l'autre.
Comme le bruit thermique dépend de R, de T et de la bande passante, les concepteurs utilisent des résistances plus faibles lorsque c'est possible, limitent la bande passante à ce que demande le signal et, en radioastronomie ou pour la lecture des ordinateurs quantiques, refroidissent les amplificateurs à des températures cryogéniques. Les capteurs d'image éliminent le bruit de réinitialisation kT/C par double échantillonnage corrélé, et les concepteurs d'ADC répartissent le budget de bruit thermique face au SNR idéal limité par la quantification, de 6,02N + 1,76 dB. Le bruit thermique peut aussi être utile : son imprévisibilité en fait une source d'entropie physique pour les générateurs de nombres véritablement aléatoires intégrés sur puce.
Réponse : A. Une valeur de résistance élevée, une température élevée et une bande passante large
La tension de bruit thermique vaut √(4kTRB) : elle croît avec la résistance, la température et la bande passante. À titre indicatif, une résistance de 1 kΩ produit environ 4 nV/√Hz à température ambiante, soit environ 0,57 µVrms sur une bande de 20 kHz. Les parades de base consistent à réduire la valeur des résistances et à limiter la bande au strict nécessaire ; pour les radiotélescopes ou la lecture des ordinateurs quantiques, les amplificateurs sont refroidis à très basse température. Ce bruit existe même sans circulation de courant.
Réponse : B. Elle vaut √(kT/C) et ne dépend pas de la résistance de l'interrupteur
Plus la résistance de l'interrupteur est élevée, plus la densité de bruit thermique est grande, mais la bande du circuit RC se rétrécit d'autant ; les deux effets se compensent et la valeur efficace du bruit restant sur le condensateur vaut √(kT/C) (bruit kT/C). À température ambiante, 1 pF donne environ 64 µVrms. Diviser le bruit par deux exige de quadrupler la capacité, ce qui augmente surface et consommation ; c'est une contrainte majeure de la conception des CAN haute résolution et des capteurs d'image. Dans les capteurs, il est éliminé par double échantillonnage corrélé.
La tension de bruit thermique efficace d'une résistance vaut √(4kTRΔf), où k est la constante de Boltzmann, T la température absolue, R la résistance et Δf la bande passante. À température ambiante, 1 kΩ donne environ 4 nV/√Hz.
Oui. Le bruit thermique provient du mouvement thermique aléatoire des porteurs et existe dans toute résistance à une température supérieure au zéro absolu, même sans courant appliqué, contrairement au bruit de grenaille.
C'est le bruit thermique qui subsiste sur un condensateur après un échantillonnage à travers un interrupteur, de valeur efficace √(kT/C) indépendante de la résistance de l'interrupteur. Pour 1 pF à température ambiante, il vaut environ 64 µV.
La tension de bruit thermique vaut √(4kTRB) : elle croît avec la résistance, la température et la bande passante.
Quels facteurs augmentent la tension de bruit thermique (br…Plus la résistance de l'interrupteur est élevée, plus la densité de bruit thermique est grande, mais la bande du circuit RC se rétrécit d'autant ; les deux effets se compensent et la valeur efficace du bruit restant sur le condensateur vaut √(kT/C) (bruit kT/C).
Quelle affirmation sur la tension de bruit thermique (valeu…La fréquence où il égale le bruit thermique (fréquence de coin) peut aller de quelques kHz à quelques MHz.
Quel bruit, particulièrement marqué dans les MOSFET, augmen…Dans un CAN réel, le bruit thermique, la distorsion et la gigue d'horloge abaissent cette valeur ; les performances se comparent donc au moyen du nombre de bits effectifs (ENOB) calculé à partir des mesures.
Quelle est l'expression approchée du rapport signal sur bru…Il se distingue du bruit de grenaille et du bruit thermique, qui varient dans le temps.
Comment appelle-t-on le bruit dû aux dispersions de caracté…Double échantillonnage corrélé (CDS) Gigue (jitter) Bruit en 1/f (bruit de scintillation) ENOB (nombre effectif de bits) Courant d'obscurité Bruit de grenaille (shot noise) Amplificateur à transimpédance Amplificateur d'instrumentation Amplificateur différentiel Amplificateur opérationnel (ampli-op)