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 régulateur de tension est un circuit intégré analogique chargé de maintenir une tension de sortie stable, même lorsque la tension d'alimentation ou la consommation du circuit varie.

La plupart des composants électroniques ont besoin d'une tension précise pour fonctionner correctement. Une tension trop faible peut provoquer des dysfonctionnements, tandis qu'une tension trop élevée risque d'endommager les circuits. Le régulateur assure donc une alimentation fiable et protège les appareils contre les variations de tension.

On trouve des régulateurs dans les alimentations de laboratoire, les ordinateurs, les téléviseurs, les téléphones, les chargeurs, les cartes électroniques, les véhicules, les satellites et pratiquement tous les appareils électroniques modernes.

Pourquoi réguler une tension ?

Une source d'alimentation ne fournit pas toujours une tension parfaitement constante.

Une batterie se décharge progressivement, un panneau solaire produit une tension qui dépend de l'ensoleillement, tandis qu'une alimentation reliée au secteur peut présenter de légères variations ou des parasites.

Sans régulation, ces variations seraient directement transmises aux composants électroniques, ce qui pourrait perturber leur fonctionnement.

Le régulateur agit comme un système de contrôle qui corrige en permanence la tension afin de conserver une valeur pratiquement constante en sortie.

Le principe de fonctionnement

Le régulateur compare continuellement la tension de sortie à une tension de référence interne très stable.

Si la tension de sortie devient trop faible, il laisse passer davantage d'énergie.

Au contraire, si la tension devient trop élevée, il limite automatiquement cette énergie afin de retrouver la valeur souhaitée.

Cette correction s'effectue en permanence et souvent plusieurs milliers ou millions de fois par seconde.

Les régulateurs linéaires

Les régulateurs linéaires sont les plus simples à utiliser.

Ils fonctionnent comme une résistance variable commandée automatiquement qui absorbe la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie.

Par exemple, si un circuit reçoit 12 V et doit fournir 5 V, le régulateur élimine les 7 V excédentaires sous forme de chaleur.

Cette technologie produit une tension très propre, avec très peu de parasites, mais son rendement diminue lorsque la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie devient importante.

Les régulateurs fixes

Les régulateurs fixes délivrent une tension déterminée dès leur fabrication.

Les séries les plus connues sont les 78xx, qui fournissent une tension positive, et les 79xx, destinées aux tensions négatives.

Le nombre placé après les deux premiers chiffres indique directement la tension de sortie.

• 7805 : 5 V
• 7809 : 9 V
• 7812 : 12 V
• 7815 : 15 V
• 7905 : −5 V
• 7912 : −12 V

Ces circuits possèdent généralement trois broches : l'entrée, la masse et la sortie.

Les régulateurs ajustables

Les régulateurs ajustables permettent de choisir la tension de sortie grâce à quelques composants externes.

Le plus célèbre est le LM317.

En utilisant deux résistances, il est possible d'obtenir une tension de sortie comprise approximativement entre 1,25 V et 37 V, selon la tension d'alimentation disponible.

Les alimentations de laboratoire utilisent très souvent ce type de régulateur afin de permettre le réglage de la tension de sortie.

La chute de tension

Pour fonctionner correctement, un régulateur linéaire doit recevoir une tension d'entrée supérieure à la tension qu'il doit fournir.

Cette différence minimale est appelée la chute de tension ou dropout voltage.

Par exemple, un régulateur 7805 nécessite généralement une tension d'entrée d'environ 7 V pour garantir une sortie stable de 5 V.

Si la tension d'entrée devient trop faible, la tension de sortie diminue également.

Les régulateurs LDO

Les régulateurs à faible chute de tension, appelés LDO (Low Drop-Out), fonctionnent avec une différence beaucoup plus faible entre la tension d'entrée et la tension de sortie.

Certains modèles peuvent continuer à réguler correctement avec seulement quelques centaines de millivolts d'écart.

Ils sont particulièrement utilisés dans les appareils alimentés par batterie, où chaque volt disponible est précieux.

La dissipation thermique

Lorsqu'un régulateur linéaire élimine une partie de la tension, cette énergie est transformée en chaleur.

P = (V_entrée - V_sortie) × I

où P est la puissance dissipée en watts, I le courant fourni par le régulateur.

Plus la différence de tension ou le courant sont importants, plus le régulateur chauffe.

Dans les applications de forte puissance, un radiateur métallique est souvent fixé au circuit intégré afin d'évacuer cette chaleur.

Les régulateurs à découpage

Lorsque le rendement devient prioritaire, on utilise des régulateurs à découpage, également appelés convertisseurs à découpage (Switching Regulators).

Au lieu de dissiper l'énergie excédentaire sous forme de chaleur, ils la transfèrent par impulsions à l'aide de transistors, d'inductances et de condensateurs.

Leur rendement dépasse souvent 90 %, ce qui réduit fortement les pertes d'énergie.

En contrepartie, leur fonctionnement est plus complexe et ils génèrent davantage de parasites électriques qu'un régulateur linéaire.

Les principaux convertisseurs à découpage

Les régulateurs à découpage peuvent modifier la tension de différentes manières.

• Le convertisseur Buck abaisse la tension.
• Le convertisseur Boost augmente la tension.
• Le convertisseur Buck-Boost peut aussi bien augmenter que diminuer la tension selon les besoins.

Ces convertisseurs alimentent les ordinateurs portables, les smartphones, les véhicules électriques, les panneaux solaires, les drones et de nombreux appareils électroniques modernes.

Les protections intégrées

La plupart des régulateurs modernes possèdent plusieurs systèmes de protection intégrés.

Ils limitent automatiquement le courant en cas de court-circuit, réduisent leur fonctionnement en cas de surchauffe et protègent parfois le circuit contre les inversions de polarité ou les surtensions.

Ces protections évitent la destruction du régulateur et augmentent considérablement la fiabilité des équipements électroniques.

Quelques régulateurs célèbres

Les séries 7805, 7809 et 7812 restent parmi les régulateurs fixes les plus connus.

Le LM317 est le régulateur ajustable le plus utilisé dans les montages électroniques.

Les familles LM1117, AMS1117 et de nombreux régulateurs LDO modernes sont très présentes sur les cartes électroniques fonctionnant sous 3,3 V ou 5 V.

Les convertisseurs à découpage, comme les circuits de la famille LM2596 ou les nombreux régulateurs synchrones actuels, sont devenus indispensables dans les appareils nécessitant un excellent rendement énergétique.