Les circuits intégrés analogiques sont des puces électroniques conçues pour traiter des signaux analogiques, c'est-à-dire des tensions ou des courants qui peuvent prendre une infinité de valeurs. Contrairement aux circuits numériques, qui manipulent uniquement des niveaux logiques comme 0 et 1, les circuits analogiques travaillent avec des grandeurs qui varient de façon continue.

Ils permettent de mesurer, amplifier, filtrer, comparer, stabiliser ou transformer des signaux électriques. Ils sont présents dans presque tous les appareils électroniques, où ils assurent souvent l'interface entre le monde réel et les circuits numériques.

Les signaux analogiques

Un signal analogique évolue de manière continue au cours du temps. Sa tension peut augmenter, diminuer ou varier progressivement selon le phénomène observé.

La tension délivrée par un microphone, une sonde de température, un capteur de pression ou une cellule photovoltaïque est un signal analogique. Chaque variation du phénomène physique provoque une variation correspondante de la tension électrique.

Les circuits intégrés analogiques doivent donc être capables de traiter ces faibles variations avec une très grande précision, sans les déformer.

Le fonctionnement

À l'intérieur d'un circuit intégré analogique, les signaux circulent entre de nombreux transistors, résistances, condensateurs et parfois diodes, tous fabriqués directement sur la même puce de silicium.

Ces composants sont organisés de manière à réaliser une fonction électronique précise. Selon leur conception, ils peuvent amplifier une tension, stabiliser une alimentation, générer une oscillation, comparer deux tensions ou encore filtrer certaines fréquences.

Le traitement est continu : la sortie suit en permanence les variations du signal d'entrée.

La précision

La qualité d'un circuit analogique dépend fortement de sa précision.

Les ingénieurs cherchent à obtenir des tensions très stables, des amplifications parfaitement maîtrisées et un fonctionnement identique malgré les variations de température, de tension d'alimentation ou le vieillissement des composants.

Pour cela, les composants internes sont soigneusement dimensionnés et répartis de façon symétrique afin de limiter les écarts de fabrication.

Le bruit électronique

Tous les composants électroniques produisent naturellement de très faibles perturbations électriques appelées bruit électronique.

Ce bruit peut masquer les signaux les plus faibles ou diminuer la précision des mesures.

La conception des circuits intégrés analogiques consiste donc également à réduire au maximum ces perturbations grâce à des architectures adaptées et à des techniques de filtrage.

La stabilité thermique

Les caractéristiques électriques des semi-conducteurs varient avec la température.

Sans précaution, un circuit analogique pourrait voir son fonctionnement évoluer lorsque sa température augmente ou diminue.

Les concepteurs utilisent différentes techniques de compensation afin que les performances restent aussi constantes que possible dans une large plage de températures.

Les tensions d'alimentation

Les circuits intégrés analogiques fonctionnent avec une ou plusieurs tensions d'alimentation.

Selon les applications, ils peuvent être alimentés par une tension unique ou par une alimentation symétrique comportant une tension positive, une tension négative et une masse commune.

Le choix de l'alimentation influence directement les amplitudes maximales que pourront atteindre les signaux traités.

Les technologies de fabrication

Les circuits intégrés analogiques sont fabriqués à partir des mêmes procédés que les autres circuits intégrés, mais leur architecture est différente.

Les dimensions des transistors ne sont pas toujours recherchées aussi petites que possible. Les ingénieurs privilégient souvent la stabilité, la précision, le faible bruit et la bonne dissipation thermique plutôt que la densité maximale de composants.

Certaines technologies, comme le BiCMOS, associent des transistors bipolaires et des transistors MOS afin de bénéficier des avantages de chaque famille.

Les limites des circuits analogiques

Les signaux analogiques sont sensibles aux parasites électriques, aux variations de température et aux imperfections des composants.

Lorsque les distances deviennent importantes, les perturbations peuvent modifier le signal transmis.

Pour cette raison, de nombreux appareils convertissent aujourd'hui les informations analogiques en données numériques dès que possible afin de faciliter leur traitement et leur transmission.

Les circuits mixtes

La plupart des systèmes électroniques modernes associent des circuits analogiques et numériques.

Les circuits analogiques reçoivent les signaux provenant des capteurs, les adaptent et les conditionnent avant qu'ils ne soient convertis en données numériques par un convertisseur analogique-numérique.

À l'inverse, lorsqu'un appareil doit produire un son, une image ou piloter un moteur, un convertisseur numérique-analogique permet de retrouver un signal analogique exploitable par le monde réel.

Les applications

Les circuits intégrés analogiques sont utilisés dans les alimentations électriques, les systèmes audio, les instruments de mesure, les appareils médicaux, les télécommunications, les capteurs, les systèmes automobiles, les équipements industriels et de nombreux appareils électroniques du quotidien.

Ils constituent le lien indispensable entre les phénomènes physiques, qui sont généralement analogiques, et les circuits numériques chargés de traiter les informations.

Un comparateur est un circuit intégré analogique capable de comparer deux tensions électriques et d'indiquer laquelle est la plus élevée. Contrairement à un amplificateur opérationnel, dont la sortie peut prendre de nombreuses valeurs, un comparateur fonctionne généralement selon le principe du tout ou rien : sa sortie prend l'un de ses deux états possibles selon le résultat de la comparaison.

Le principe de fonctionnement

Comme un amplificateur opérationnel, un comparateur possède deux entrées :

• une entrée non inverseuse, notée + ;
• une entrée inverseuse, notée −.

Le comparateur mesure en permanence la différence entre ces deux tensions.

Si la tension appliquée sur l'entrée + est supérieure à celle de l'entrée −, la sortie bascule vers son niveau haut.

Si la tension appliquée sur l'entrée − devient supérieure, la sortie bascule vers son niveau bas.

Le changement d'état est généralement très rapide, ce qui permet de détecter immédiatement le franchissement d'un seuil.

Le symbole électronique

Le symbole d'un comparateur ressemble beaucoup à celui d'un amplificateur opérationnel.

Il est représenté par un triangle comportant deux entrées à gauche et une sortie à droite.

Sur certains schémas, la sortie est représentée différemment afin de rappeler qu'elle fonctionne principalement selon deux états logiques.

La tension de référence

Pour réaliser une comparaison, l'une des deux entrées reçoit généralement une tension de référence.

Cette tension constitue le seuil de déclenchement.

L'autre entrée reçoit le signal à surveiller.

Tant que ce signal reste inférieur au seuil, la sortie conserve un état. Dès que le seuil est dépassé, la sortie change instantanément d'état.

Par exemple, une batterie peut être surveillée en comparant sa tension à une valeur de référence de 10,5 V. Lorsque la batterie se décharge sous cette valeur, le comparateur peut allumer un voyant d'alerte.

La sortie du comparateur

Selon le modèle utilisé, la sortie peut fonctionner de différentes façons.

Certains comparateurs possèdent une sortie capable de fournir directement une tension haute ou basse.

D'autres utilisent une sortie à collecteur ouvert (open collector) ou à drain ouvert (open drain).

Dans ce cas, une résistance de rappel (pull-up) est nécessaire pour obtenir le niveau haut de sortie.

Cette solution permet de relier facilement plusieurs comparateurs sur une même ligne ou de commander des tensions différentes de celle de leur alimentation.

Les comparateurs avec hystérésis

Lorsque le signal d'entrée est proche du seuil, de très faibles variations peuvent provoquer des commutations rapides et répétées de la sortie.

Pour éviter ce phénomène, on ajoute souvent une hystérésis.

Le seuil utilisé lorsque la tension augmente devient alors légèrement différent du seuil utilisé lorsqu'elle diminue.

Ainsi, un thermostat ne met pas son chauffage en marche puis à l'arrêt plusieurs dizaines de fois par minute lorsque la température est proche de la valeur demandée.

Le circuit qui met en œuvre cette hystérésis est appelé un déclencheur de Schmitt.

Les comparateurs de fenêtre

Il est parfois nécessaire de vérifier qu'une tension reste comprise entre deux limites.

On utilise alors un comparateur de fenêtre, constitué de deux comparateurs travaillant simultanément.

Le premier détecte si la tension dépasse la limite supérieure, tandis que le second vérifie qu'elle reste au-dessus de la limite inférieure.

Ce type de montage est utilisé pour surveiller les alimentations électriques, les capteurs industriels ou les batteries rechargeables.

La comparaison de signaux

Les comparateurs ne servent pas uniquement à comparer une tension avec une valeur fixe.

Ils peuvent également comparer deux signaux variables.

Par exemple, un système de commande peut comparer en permanence la tension mesurée par un capteur avec la tension correspondant à la valeur souhaitée. Si les deux valeurs deviennent différentes, le système peut corriger automatiquement son fonctionnement.

Les applications des comparateurs

Les comparateurs interviennent dans un très grand nombre de montages électroniques.

Ils permettent notamment de détecter l'appui sur un bouton analogique, de surveiller la tension d'une batterie, de mesurer le niveau d'un réservoir grâce à un capteur, de commander automatiquement un ventilateur en fonction de la température ou d'allumer un éclairage lorsque la luminosité devient insuffisante.

Dans les oscilloscopes, ils servent à déclencher l'affichage lorsque le signal atteint un certain niveau. Dans les alimentations électroniques, ils détectent les surtensions ou les sous-tensions afin de protéger les circuits.

Les convertisseurs analogique-numérique utilisent également un grand nombre de comparateurs pour transformer une tension analogique en une valeur numérique.

Les principaux circuits intégrés

Parmi les comparateurs les plus utilisés, on trouve le LM311, qui possède une sortie à collecteur ouvert et peut fonctionner avec une large plage de tensions.

Les circuits LM393 et LM2903 contiennent deux comparateurs indépendants dans un même boîtier, tandis que le LM339 en regroupe quatre.

Il existe aujourd'hui des centaines de comparateurs spécialisés, capables de fonctionner avec des tensions très faibles, des vitesses très élevées ou une consommation extrêmement réduite pour les appareils portables.