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 convertisseur analogique-numérique, souvent appelé CAN ou ADC (Analog to Digital Converter), est un circuit intégré capable de transformer une grandeur analogique, généralement une tension électrique, en une valeur numérique que peut traiter un circuit numérique.

Les convertisseurs analogique-numérique assurent le lien entre le monde physique et les systèmes numériques. Ils permettent à un microcontrôleur, un ordinateur ou un processeur de mesurer une température, une pression, une intensité lumineuse, un son ou toute autre grandeur fournie par un capteur.

Ils sont présents dans les smartphones, les appareils photo numériques, les systèmes automobiles, les équipements médicaux, les instruments de mesure, les objets connectés, les robots et la plupart des appareils électroniques modernes.

Pourquoi convertir un signal ?

La plupart des phénomènes physiques évoluent de manière continue.

La température d'une pièce, la tension délivrée par une cellule solaire ou le signal provenant d'un microphone peuvent prendre une infinité de valeurs comprises dans une certaine plage.

À l'inverse, un circuit numérique ne manipule que des nombres représentés sous forme de bits. Pour qu'un processeur puisse exploiter ces informations, il faut donc convertir le signal analogique en une suite de valeurs numériques.

Le principe de fonctionnement

Le convertisseur mesure régulièrement la tension présente sur son entrée.

À chaque mesure, il compare cette tension à une tension de référence, puis lui associe un nombre binaire représentant sa valeur.

Plus la tension mesurée est élevée, plus le nombre obtenu est grand.

Cette opération est répétée des centaines, des milliers ou des millions de fois par seconde selon les applications.

La tension de référence

La tension de référence, souvent notée V_REF, fixe la plage de mesure du convertisseur.

Si un convertisseur est réglé avec une tension de référence de 5 V, il peut mesurer des tensions comprises entre 0 V et 5 V.

Une tension supérieure à cette valeur ne pourra plus être distinguée : le convertisseur fournira sa valeur maximale.

La stabilité de cette tension de référence est essentielle pour obtenir des mesures précises.

La résolution

La résolution indique le nombre de valeurs différentes que peut distinguer le convertisseur.

Elle est exprimée en bits.

Un convertisseur de 8 bits peut produire 2⁸ = 256 valeurs différentes, numérotées de 0 à 255.

Un convertisseur de 10 bits fournit 1 024 valeurs, un modèle de 12 bits en fournit 4 096, tandis qu'un convertisseur de 16 bits distingue 65 536 niveaux différents.

Plus la résolution est élevée, plus les variations de tension peuvent être mesurées avec précision.

Le pas de conversion

La plus petite variation de tension que peut distinguer un convertisseur est appelée le pas de conversion ou quantum.

Il dépend de la tension de référence et de la résolution.

Pas = V_REF / (2ⁿ - 1)

où n représente le nombre de bits du convertisseur.

Un convertisseur de 10 bits utilisant une tension de référence de 5 V possède 1 024 niveaux de mesure. Chaque niveau correspond donc à environ 4,9 mV.

La quantification

Comme un convertisseur ne peut produire qu'un nombre limité de valeurs, chaque tension mesurée est remplacée par le niveau disponible le plus proche.

Cette approximation est appelée la quantification.

Elle introduit une très faible erreur, appelée erreur de quantification, qui diminue lorsque la résolution augmente.

L'échantillonnage

Pour mesurer un signal qui varie dans le temps, le convertisseur effectue des mesures successives appelées échantillons.

Le nombre de mesures réalisées chaque seconde constitue la fréquence d'échantillonnage.

Un thermomètre électronique peut ne réaliser que quelques mesures par seconde, tandis qu'un enregistreur audio effectue plusieurs dizaines de milliers de mesures chaque seconde.

Les CD audio utilisent par exemple une fréquence d'échantillonnage de 44,1 kHz, ce qui correspond à 44 100 mesures par seconde.

Le théorème de Nyquist-Shannon

Pour reproduire correctement un signal, la fréquence d'échantillonnage doit être suffisamment élevée.

Le théorème de Nyquist-Shannon indique qu'elle doit être au moins égale au double de la fréquence maximale présente dans le signal.

Ainsi, pour enregistrer des sons audibles jusqu'à environ 20 kHz, une fréquence supérieure à 40 kHz est nécessaire. La fréquence de 44,1 kHz utilisée sur les CD respecte cette condition.

Les principales architectures

Il existe plusieurs familles de convertisseurs analogique-numérique, chacune adaptée à des besoins différents.

Les convertisseurs à approximation successive (SAR) offrent un excellent compromis entre vitesse, précision et consommation. Ils sont largement utilisés dans les microcontrôleurs et les appareils de mesure.

Les convertisseurs Flash sont extrêmement rapides grâce à un grand nombre de comparateurs fonctionnant en parallèle. Ils sont utilisés dans les oscilloscopes rapides et certaines liaisons de télécommunication.

Les convertisseurs Sigma-Delta privilégient une très grande précision au détriment de la vitesse. Ils équipent notamment les balances électroniques, les appareils de mesure de précision et de nombreux systèmes audio.

Les convertisseurs à double rampe sont plus lents mais offrent une excellente stabilité. Ils sont utilisés dans de nombreux multimètres numériques.

Les applications

Les convertisseurs analogique-numérique permettent de numériser les signaux provenant des capteurs afin qu'ils puissent être traités par un système numérique.

Ils convertissent le signal d'un microphone avant son enregistrement, la lumière captée par les pixels d'un appareil photo numérique, la température mesurée par une sonde, la pression relevée par un capteur industriel, la position d'un joystick ou encore la tension délivrée par une batterie afin qu'un microcontrôleur puisse en surveiller l'état.

Les convertisseurs intégrés

De nombreux microcontrôleurs possèdent aujourd'hui un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique directement intégrés sur la même puce.

Les cartes de développement, comme celles utilisant des microcontrôleurs AVR, PIC, STM32 ou ESP32, disposent généralement de plusieurs entrées analogiques permettant de connecter directement des capteurs sans ajouter de circuit spécialisé.

Pour les applications nécessitant une très grande précision ou une vitesse élevée, on utilise des convertisseurs externes spécialisés offrant davantage de bits, une meilleure stabilité ou une fréquence d'échantillonnage plus importante.