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.

Les capteurs intégrés sont des circuits électroniques capables de mesurer une grandeur physique et de la transformer en un signal électrique exploitable par un appareil électronique. Ils permettent à un système de connaître son environnement, de prendre des décisions automatiques ou de surveiller son fonctionnement.

Contrairement à un simple composant sensible, un capteur intégré regroupe généralement sur une même puce l'élément de mesure, des circuits d'amplification, de filtrage, de compensation et parfois même un convertisseur analogique-numérique ainsi qu'une interface de communication.

Les capteurs intégrés sont présents dans les smartphones, les automobiles, les robots, les appareils médicaux, les stations météorologiques, les drones, les montres connectées et la plupart des objets électroniques modernes.

Le principe de fonctionnement

Chaque capteur est conçu pour réagir à une grandeur physique particulière, comme la température, la lumière, la pression ou un champ magnétique.

Cette grandeur provoque une modification des propriétés électriques d'un matériau. Le circuit intégré mesure cette variation, la traite puis fournit une information directement utilisable par le reste du système électronique.

Selon les modèles, la sortie peut être une tension analogique, un courant, une fréquence, un signal logique ou une valeur numérique.

Les capteurs de température

Les capteurs de température mesurent la température d'un objet ou de l'air ambiant.

Ils sont utilisés dans les thermostats, les réfrigérateurs, les ordinateurs, les climatiseurs, les véhicules et de nombreux appareils industriels.

Les modèles analogiques, comme le LM35, délivrent une tension proportionnelle à la température.

Les capteurs numériques, comme les DS18B20, transmettent directement la température sous forme numérique avec une excellente précision.

Les capteurs de lumière

Les capteurs de lumière mesurent l'intensité lumineuse reçue.

Ils permettent d'allumer automatiquement un éclairage à la tombée de la nuit, d'ajuster la luminosité d'un écran ou de réaliser des mesures en photographie.

Selon les applications, ils utilisent des photodiodes, des phototransistors ou des cellules spécialement conçues pour reproduire la sensibilité de l'œil humain.

Les capteurs de pression

Les capteurs de pression détectent la pression exercée par un gaz ou un liquide.

Ils équipent les stations météorologiques, les systèmes hydrauliques, les pneus automobiles, les appareils médicaux et les altimètres électroniques.

Dans un smartphone, un capteur barométrique permet par exemple d'estimer l'altitude en mesurant la pression atmosphérique.

Les capteurs d'humidité

Les capteurs d'humidité mesurent la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air.

Ils sont utilisés dans les stations météo, les serres, les climatiseurs, les déshumidificateurs et les systèmes de surveillance de l'environnement.

Certains modèles mesurent simultanément la température et l'humidité afin de fournir des informations plus complètes.

Les capteurs de proximité

Les capteurs de proximité détectent la présence d'un objet sans qu'il soit nécessaire de le toucher.

Selon leur principe de fonctionnement, ils utilisent des ondes infrarouges, des ultrasons, des champs magnétiques ou des effets capacitifs.

Ils permettent par exemple d'éteindre automatiquement l'écran d'un smartphone lorsqu'il est porté à l'oreille, de détecter un obstacle devant un robot ou de commander une porte automatique.

Les capteurs à effet Hall

Les capteurs à effet Hall détectent la présence ou l'intensité d'un champ magnétique.

Ils exploitent l'effet Hall, découvert en 1879 par Edwin Hall. Lorsqu'un courant électrique circule dans un matériau soumis à un champ magnétique, une faible tension apparaît perpendiculairement au courant.

Cette propriété permet de détecter un aimant ou de mesurer sa position.

Les capteurs à effet Hall sont utilisés dans les moteurs électriques, les compteurs de vitesse, les ventilateurs, les systèmes ABS, les détecteurs de position, les joysticks et les compteurs de vélo.

Les accéléromètres

Les accéléromètres mesurent les accélérations subies par un objet.

Ils sont fabriqués grâce aux technologies MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) qui permettent de réaliser de minuscules structures mécaniques directement sur une puce de silicium.

Les accéléromètres détectent les mouvements, les vibrations ou l'inclinaison d'un appareil.

Ils permettent notamment à un smartphone de faire pivoter automatiquement son écran, à une montre connectée de compter les pas ou à un véhicule de déclencher ses airbags lors d'un choc.

Les gyroscopes

Les gyroscopes mesurent les vitesses de rotation autour d'un ou de plusieurs axes.

Eux aussi utilisent généralement la technologie MEMS.

Associés aux accéléromètres, ils permettent de connaître très précisément l'orientation d'un appareil.

Ils sont indispensables dans les drones, les smartphones, les consoles de jeux, les systèmes de navigation et les stabilisateurs d'image.

Les magnétomètres

Les magnétomètres mesurent le champ magnétique terrestre.

Ils fonctionnent comme une boussole électronique et permettent de déterminer la direction du nord magnétique.

Ils sont souvent associés aux accéléromètres et aux gyroscopes afin d'améliorer les systèmes de navigation.

Les capteurs de gaz

Les capteurs de gaz détectent la présence ou la concentration de certaines substances dans l'air.

Ils peuvent mesurer le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone, le méthane, l'hydrogène, les composés organiques volatils ou d'autres gaz.

Ils sont utilisés dans les détecteurs de fumée, les alarmes domestiques, les systèmes industriels, les laboratoires et les dispositifs de surveillance de la qualité de l'air.

Les capteurs d'image

Les capteurs d'image convertissent la lumière en signaux électriques.

Ils sont constitués de millions de minuscules cellules sensibles à la lumière appelées pixels.

Chaque pixel mesure la quantité de lumière qu'il reçoit. L'ensemble de ces mesures permet de reconstituer une image numérique.

Les technologies CCD et surtout CMOS équipent aujourd'hui les appareils photo, les webcams, les smartphones, les caméras de surveillance et les télescopes.

Les interfaces de communication

Les capteurs intégrés modernes transmettent souvent leurs mesures sous forme numérique.

Les interfaces les plus courantes sont I²C, SPI, UART ou 1-Wire.

Ces liaisons permettent à un microcontrôleur de communiquer facilement avec plusieurs capteurs tout en limitant le nombre de connexions électriques.

Les capteurs intelligents

De nombreux capteurs actuels intègrent directement un microcontrôleur chargé de corriger les erreurs de mesure, de compenser les effets de la température, de filtrer les parasites et d'effectuer certains calculs avant de transmettre les résultats.

Ces capteurs intelligents fournissent des mesures plus précises et simplifient considérablement la conception des systèmes électroniques modernes.