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 temporisateur est un circuit électronique capable de produire un délai, une impulsion ou un signal périodique. Il permet de contrôler la durée d'une action, de créer une temporisation ou de générer des oscillations utilisées dans de nombreux appareils électroniques.

Les temporisateurs sont présents dans les systèmes d'alarme, les feux de signalisation, les jouets électroniques, les appareils ménagers, les systèmes automobiles, les montages de laboratoire et de nombreux circuits numériques.

Le circuit intégré le plus célèbre est le NE555, souvent appelé simplement 555. Créé en 1971, il est devenu l'un des circuits intégrés les plus utilisés au monde grâce à sa simplicité, sa fiabilité et son faible coût.

Le principe de fonctionnement

Le NE555 mesure en permanence la tension présente sur un condensateur. En fonction de cette tension, il commande automatiquement sa sortie afin de produire un délai ou un signal périodique.

À l'intérieur du circuit se trouvent plusieurs éléments électroniques travaillant ensemble :

• deux comparateurs de tension ;
• une bascule mémoire (flip-flop) ;
• un transistor de décharge ;
• un étage de sortie capable de commander différents circuits.

Les comparateurs surveillent la charge et la décharge du condensateur. Lorsque certains seuils sont atteints, ils modifient automatiquement l'état de la sortie.

Les broches du NE555

Le NE555 est généralement présenté dans un boîtier à huit broches.

• 1 : masse (GND) ;
• 2 : déclenchement (Trigger) ;
• 3 : sortie ;
• 4 : remise à zéro (Reset) ;
• 5 : tension de contrôle (Control Voltage) ;
• 6 : seuil (Threshold) ;
• 7 : décharge (Discharge) ;
• 8 : alimentation positive (VCC).

Dans de nombreux montages, la broche de contrôle est simplement reliée à la masse par un petit condensateur afin d'améliorer la stabilité du circuit.

La charge et la décharge du condensateur

Le fonctionnement du temporisateur repose principalement sur un condensateur et une ou plusieurs résistances.

Lorsque le condensateur se charge à travers une résistance, sa tension augmente progressivement.

Lorsqu'il se décharge, cette tension diminue progressivement.

Le NE555 surveille continuellement cette évolution et change automatiquement l'état de sa sortie lorsque certains seuils sont atteints.

La durée de la temporisation dépend principalement des valeurs des résistances et du condensateur utilisés.

Le mode monostable

En mode monostable, le temporisateur possède un seul état stable.

Lorsqu'une impulsion est appliquée sur l'entrée de déclenchement, la sortie passe immédiatement à l'état haut pendant une durée déterminée.

Une fois cette durée écoulée, la sortie revient automatiquement à son état initial.

Ce fonctionnement permet par exemple d'allumer automatiquement un éclairage pendant quelques minutes après l'appui sur un bouton, de produire une impulsion de durée précise ou d'éviter les rebonds d'un interrupteur mécanique.

T ≈ 1,1 × R × C

où T est la durée en secondes, R la résistance en ohms et C la capacité du condensateur en farads.

Le mode astable

En mode astable, le temporisateur ne possède aucun état stable.

Le condensateur se charge puis se décharge continuellement. La sortie bascule automatiquement entre l'état haut et l'état bas, produisant ainsi un signal périodique de forme rectangulaire.

Ce montage est utilisé pour faire clignoter une LED, produire une horloge électronique, générer une tonalité sonore ou créer des impulsions destinées à d'autres circuits.

La fréquence obtenue dépend des résistances et du condensateur utilisés.

Le mode bistable

Le mode bistable permet au temporisateur de fonctionner comme une mémoire simple.

Deux commandes distinctes permettent de faire passer la sortie d'un état à l'autre, où elle reste jusqu'à la commande suivante.

Ce fonctionnement est utilisé pour réaliser un interrupteur électronique commandé par un simple bouton poussoir ou pour mémoriser temporairement un état logique.

Le rapport cyclique

En mode astable, la sortie reste une partie du temps à l'état haut et une autre partie à l'état bas.

Le rapport cyclique correspond au pourcentage de temps pendant lequel la sortie reste à l'état haut durant une période complète.

En modifiant les résistances du montage, il est possible de produire des impulsions très courtes, des impulsions longues ou un signal presque parfaitement symétrique.

Le rapport cyclique est notamment utilisé pour commander la luminosité des LED, la vitesse des moteurs électriques ou la puissance transmise à certains appareils électroniques.

La modulation de largeur d'impulsion

La modulation de largeur d'impulsion, souvent appelée PWM (Pulse Width Modulation), consiste à faire varier le rapport cyclique d'un signal tout en conservant une fréquence presque constante.

Lorsque le rapport cyclique augmente, la puissance moyenne transmise au récepteur augmente également.

Cette technique est largement utilisée pour régler la vitesse des moteurs à courant continu, faire varier l'intensité lumineuse des LED ou contrôler certains systèmes de chauffage.

Les applications des temporisateurs

Les temporisateurs sont employés dans une grande variété de circuits électroniques.

Ils permettent de créer des délais d'allumage, des minuteries, des alarmes, des clignotants, des générateurs d'horloge, des avertisseurs sonores, des commandes automatiques, des détecteurs de présence ou encore des systèmes de contrôle industriels.

Dans certains montages, plusieurs temporisateurs sont associés afin d'obtenir des séquences de fonctionnement plus complexes.

Les différentes versions du 555

Le NE555 est la version bipolaire historique, capable de fournir un courant relativement important en sortie.

Les versions TLC555, LMC555 et d'autres modèles CMOS consomment beaucoup moins d'énergie, fonctionnent avec des tensions plus faibles et sont particulièrement adaptées aux appareils alimentés par batterie.

Il existe également des circuits regroupant deux temporisateurs (556) ou quatre temporisateurs dans un même boîtier afin de réduire l'encombrement des montages électroniques.