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 puces de communication, également appelées RFIC (Radio Frequency Integrated Circuits), sont des circuits intégrés spécialisés dans la production, la transmission, la réception et le traitement des signaux radio. Elles permettent aux appareils électroniques de communiquer sans liaison filaire en utilisant des ondes électromagnétiques.

On les retrouve dans les téléphones mobiles, les routeurs Wi-Fi, les télécommandes, les objets connectés, les satellites, les véhicules, les drones, les systèmes GPS, les équipements industriels et de nombreux appareils domestiques.

Le principe de fonctionnement

Une puce de communication transforme les informations numériques provenant d'un microcontrôleur ou d'un processeur en un signal radio pouvant être transmis par une antenne.

À la réception, elle effectue l'opération inverse : elle capte les ondes radio reçues par l'antenne, les amplifie, les filtre, puis les convertit en données numériques exploitables par le reste du système.

La même puce peut souvent assurer simultanément l'émission et la réception des signaux.

Les ondes radio

Les RFIC utilisent des ondes électromagnétiques appartenant au domaine des radiofréquences.

Selon les applications, les fréquences utilisées vont de quelques dizaines de kilohertz jusqu'à plusieurs dizaines de gigahertz.

Chaque système de communication utilise des bandes de fréquences qui lui sont attribuées afin de limiter les interférences avec les autres services radio.

L'émetteur radio

Lorsqu'un appareil doit transmettre des informations, la puce génère un signal de radiofréquence appelé porteuse.

Les données à transmettre modifient ensuite cette porteuse selon différentes techniques de modulation.

Le signal obtenu est amplifié avant d'être envoyé vers l'antenne, qui le rayonne sous forme d'ondes électromagnétiques.

Par exemple, lorsqu'un smartphone envoie un message, les données sont transformées en un signal radio transmis vers l'antenne-relais la plus proche.

Le récepteur radio

Lorsqu'une onde radio atteint l'antenne, celle-ci la convertit en un très faible signal électrique.

La puce RF commence par amplifier ce signal, puis élimine les fréquences indésirables grâce à différents filtres.

Elle extrait ensuite les informations utiles avant de les convertir en données numériques destinées au processeur.

Cette opération doit être réalisée avec une très grande sensibilité afin de détecter des signaux parfois extrêmement faibles.

La modulation

Pour transmettre des informations, il est nécessaire de modifier une onde porteuse.

Cette opération est appelée la modulation.

Selon les applications, la puce peut faire varier l'amplitude, la fréquence ou la phase de la porteuse.

Les systèmes modernes utilisent souvent des modulations numériques complexes permettant de transmettre un très grand nombre d'informations tout en limitant les erreurs de transmission.

Les oscillateurs et les synthétiseurs de fréquence

Les RFIC contiennent un ou plusieurs oscillateurs produisant les fréquences de référence nécessaires au fonctionnement du circuit.

Ces oscillateurs sont généralement associés à un quartz garantissant une excellente stabilité.

Un synthétiseur de fréquence permet ensuite de générer précisément les différentes fréquences utilisées pour l'émission et la réception.

Cette technique permet à un appareil de changer rapidement de canal radio.

Les amplificateurs radio

Les puces de communication comportent plusieurs amplificateurs spécialisés.

L'amplificateur faible bruit (LNA pour Low Noise Amplifier) amplifie les signaux reçus tout en ajoutant le moins de bruit possible.

L'amplificateur de puissance (PA pour Power Amplifier) augmente l'énergie du signal avant son émission afin qu'il puisse être reçu à grande distance.

Les filtres radio

Les signaux radio sont souvent mélangés à de nombreuses autres émissions.

Des filtres très sélectifs permettent d'éliminer les fréquences indésirables avant leur traitement.

Ils améliorent la qualité de réception et réduisent les interférences provenant des autres systèmes de communication.

Les protocoles de communication

Une même puce peut être compatible avec différents protocoles radio.

Le Bluetooth permet de relier des écouteurs, des claviers, des montres connectées ou des capteurs à courte distance.

Le Wi-Fi assure des communications rapides entre les appareils et les réseaux informatiques.

Les réseaux 4G et 5G permettent aux téléphones mobiles d'accéder aux réseaux cellulaires sur de longues distances.

Le NFC est utilisé pour les paiements sans contact, les badges électroniques et certaines communications de proximité.

Les protocoles Zigbee, Thread ou LoRa sont largement employés dans les objets connectés et les réseaux de capteurs.

Les systèmes GPS

Certaines puces RF sont spécialisées dans la réception des signaux de navigation par satellite.

Elles reçoivent simultanément les signaux provenant de plusieurs satellites et calculent très précisément la position de l'appareil.

Les récepteurs modernes sont souvent compatibles avec plusieurs constellations, comme GPS, Galileo, GLONASS ou BeiDou.

Les systèmes SoC radio

Les circuits modernes regroupent souvent plusieurs fonctions dans une seule puce.

Un même composant peut intégrer un microcontrôleur, une mémoire, un convertisseur analogique-numérique, un convertisseur numérique-analogique et plusieurs modules de communication radio.

Ces systèmes sur puce (SoC) réduisent la consommation électrique, l'encombrement et le coût des appareils électroniques.

Quelques puces célèbres

Les modules ESP8266 et ESP32 intègrent un microcontrôleur ainsi qu'une interface Wi-Fi, et pour l'ESP32, une interface Bluetooth. Ils sont très utilisés dans les projets d'objets connectés.

Les circuits nRF52 de Nordic Semiconductor sont spécialisés dans les communications Bluetooth Low Energy.

Les familles CC1101 et CC2500 de Texas Instruments sont utilisées pour les liaisons radio à courte distance.

Les puces SX1276 et SX1262 de Semtech équipent de nombreux systèmes LoRa destinés aux communications longue portée à faible consommation.

Les smartphones modernes utilisent enfin des circuits RF extrêmement complexes regroupant plusieurs dizaines de fonctions afin de gérer simultanément les réseaux cellulaires, le Wi-Fi, le Bluetooth, le GPS et parfois même les communications par satellite.