Bases de la réduction du bruit avec uSimmics : Source → Chemin → Victime

Quand on parle de lutte contre le bruit, on a vite tendance à faire “au moins, je mets un condensateur de découplage” ou “au moins, je mets une perle ferrite”. Bien sûr, ces solutions fonctionnent souvent, mais si on avance à l’intuition, on ne comprend pas pourquoi ça a marché — et on n’arrive pas à reproduire la même amélioration la fois suivante.

Dans cet article, je présente un cadre de base pour organiser les contre-mesures bruit. En parallèle, avec uSimmics (QucsStudio), nous construisons un petit modèle de circuit et j’explique, à partir des formes d’onde de simulation, comment des éléments “invisibles” (les parasites) peuvent modifier la forme d’onde.

Classer les problèmes de bruit en 3 types aide à s’y retrouver

Quand vous vous dites “c’est peut-être du bruit”, commencez par classer les symptômes en trois catégories. Ça clarifie tout de suite la situation.

• Dysfonctionnement : décisions H/L erronées en logique numérique, reset intempestif, perte de communication, interruptions fantômes
• Dégradation de performance : baisse de sensibilité RX, SNR dégradé, jitter augmenté, image/son perturbés
• Impact externe / non-conformité : dépassement EMI/EMC (rayonné/conduit), interférences avec des équipements voisins

Ces 3 catégories servent à organiser les symptômes. Mais la structure des causes est souvent commune, et elle se décrit très bien avec Source → Chemin → Victime (ex. en EMI rayonnée : “Source = commutation”, “Chemin = pistes/boîtier”, “Victime = appareils voisins”). On peut donc analyser un problème interne (dysfonctionnement/performance) et un problème externe (conformité EMI/EMC) avec le même cadre.

Cadre de base : Source → Chemin → Victime

Le bruit n’est pas un problème simplement parce qu’il “existe”. Il devient un problème lorsqu’il est généré, puis se propage / se couple, puis entre dans un point sensible.

• Source : commutation, horloges, DC/DC, fronts rapides d’E/S, moteurs/relais, etc.
• Chemin / Couplage : pistes, alimentation, masse (GND), câbles, espace (couplage C/L, réflexions, impédance commune)
• Victime : réception/RF, références de tension, ADC, entrées d’horloge, reset, lignes capteurs, etc.

Avec ces trois points, on voit plus facilement où agir pour obtenir un effet net.

Où agir en priorité ? (un ordre simple)

Pour limiter les allers-retours, cet ordre est un bon “réflexe” :

• Si vous pouvez affaiblir la source, c’est le plus efficace : ralentir le front, réduire le drive, décaler la fréquence, activer le spread spectrum, etc. (avec un compromis performance)
• Si la source ne peut pas être stoppée, contrôlez le chemin : assurer un bon chemin de retour, réduire la boucle, terminer, filtrer, blinder, etc.
• Enfin, rendre la victime plus robuste : même si du bruit entre, éviter les mauvaises décisions — ajouter de la marge, stabiliser l’entrée (hystérésis/RC), et si besoin ajouter des protections et améliorer le routage pour rendre l’entrée “moins facile / moins fragile”.

En pratique, le plus souvent, c’est le chemin (Path) qui donne le meilleur retour sur effort. Et sur PCB, ce chemin est fortement influencé par les éléments parasites qui ne figurent pas sur le schéma.

Les “coupables invisibles” : parasites (L/C/R)

Dans beaucoup de cas, l’essentiel n’est pas sur le schéma mais dans la réalité physique. Trois éléments reviennent très souvent.

Pistes et vias se comportent comme des inductances (L)

Les pistes, vias et chemins de retour de masse ont de l’inductance. Quand le courant varie très vite (di/dt élevé), cette inductance crée une chute de tension de L × di/dt.

Idéalement, la masse (GND) vaut 0 V partout. Mais en réalité, la masse est reliée par des conducteurs (pistes/vias), donc cette chute de tension fait bouger le potentiel de masse local. C’est ce qu’on appelle le ground bounce.

Quand la masse bouge, une broche reset ou une référence de tension semblent bouger “par rapport à la masse”, ce qui peut provoquer des resets intempestifs ou des erreurs de décision.

Pistes voisines : couplage capacitif (C)

Deux pistes proches ont une petite capacité de couplage. Même si ce n’est pas dessiné, elles se comportent comme si un “petit condensateur” existait entre elles.

Quand la tension d’une piste change très vite (dv/dt élevé), une brève impulsion de courant traverse cette capacité. Cette impulsion crée une petite variation de tension sur la piste voisine, qui apparaît souvent comme un pic sur la forme d’onde.

Ce phénomène — une variation sur une ligne qui “entre” dans une autre — s’appelle la diaphonie (crosstalk). Plus le front est rapide, plus le pic est marqué, et une ligne victime à forte impédance le rend souvent plus visible.

La “perte” (R) est aussi essentielle

Un L ou C idéal ne fait que stocker et restituer de l’énergie. Comme l’énergie ne se dissipe pas en chaleur, une fois que le ringing démarre, il peut durer longtemps.

Pour stopper le ringing, il faut un mécanisme pour évacuer l’énergie. C’est le rôle de la perte (R). R dissipe l’énergie sous forme de chaleur et amortit les oscillations.

On peut aussi expliquer l’efficacité d’une perle ferrite ainsi : à haute fréquence, elle présente souvent plus de pertes, ce qui aide à “éteindre” ringing et pics haute fréquence.

uSimmics : la masse n’est pas un 0 V idéal

Ici, on construit un modèle minimal dans uSimmics pour vérifier sur la forme d’onde que “s’il y a une inductance parasite, la masse peut bouger”. L’objectif est de comprendre où se crée le chemin (Path).

Schéma du circuit

• VPulse (impulsion 0 → 1 V)
• Rload (résistance de charge)
• GND
• Ajouter une petite L dans le chemin de retour de masse (ex. 5 nH) pour représenter l’inductance parasite des connexions

VPulse → Rload → node(out) → Lgnd(5nH) → GND

Points d’observation (sondes de tension)

• V(out) : sortie de Rload (nœud signal)
• V(gnd_local) : nœud au-dessus de Lgnd (masse côté circuit)

Si vous rendez le front de VPulse plus rapide (par ex. TR = 1 ns), vous verrez une petite impulsion sur V(gnd_local). C’est l’effet “la masse monte à cause de l’inductance du retour”.

Donc le problème n’est pas seulement “le signal est sale”. Parfois, c’est la référence (masse) qui bouge, et cela peut provoquer dysfonctionnements ou perte de performance.

Clarifier le sens des contre-mesures “classiques” (découplage, ferrite, plan de masse)

On peut maintenant résumer “ce que cherche à faire” chaque contre-mesure classique.

• Ajouter un condensateur de découplage : dériver le bruit haute fréquence au plus près de l’IC pour éviter que l’alimentation “vacille”. Point clé : le placer très près de la broche d’alimentation. S’il est loin, l’inductance parasite des pistes bloque le courant HF et l’efficacité chute.
• Ajouter une perle ferrite : rendre les composantes HF plus difficiles à faire passer afin que le bruit se propage moins. On la place souvent à la frontière entre une zone “bruyante” et une zone “propre” (ex. entre un DC/DC et un bloc RF). Le choix dépend de la bande de fréquence visée.
• Utiliser un plan de masse plein : offrir un chemin de retour proche pour que le courant ne fasse pas de détour. Un retour proche réduit la boucle (aller + retour), ce qui réduit le rayonnement et les couplages indésirables. Mais si la masse est découpée ou si un signal traverse une fente, le retour peut se dégrader : il faut penser à où circule le courant.

Résumé

Pour traiter le bruit, commencez par organiser l’analyse avec Source → Chemin → Victime. Sur PCB, les parasites (L/C/R) non dessinés sur le schéma créent souvent le “chemin”, et le bruit devient un problème lorsqu’il entre dans une victime.

Avec uSimmics, un modèle minimal et ses formes d’onde aident à comprendre “pourquoi ça marche”. Dans les prochains articles, avec le même cadre, nous aborderons la réflexion et le ringing (terminaison / lignes de transmission), les perles ferrite (pourquoi la perte aide), la diaphonie (couplage C/L) et le découplage + masse (impédance commune), pas à pas et par les formes d’onde.