Comprendre la conception électronique d’aujourd’hui

Aujourd’hui les appareils électroniques sont omniprésents autour de nous (Smartphone, ordinateurs, systèmes d’alarme, …). Beaucoup de personnes que je rencontre ont des idées d’appareils qui peuvent faciliter ou changer leur vie ou celle des autres. Cependant elles ne savent pas comment les mettre en œuvre et ne se lance pas par manque de connaissance en conception électronique.

Cet article vous fait comprendre la conception électronique d’aujourd’hui au travers de termes simples. Il vous apporte les bases nécessaires à la concrétisation de votre projet.

L’électronique est une science qui étudie et met en œuvre des systèmes utilisant l’électricité pour manipuler des informations.

L’électricité est le phénomène physique décrivant le déplacement de charges électriques (le plus souvent des électrons). Le phénomène naturel le plus visible est la foudre.

En d’autres termes, l’électronique permet de manipuler l’électricité de manière intelligente.

L’application évidente de l’utilisation de l’électricité est de s’en servir comme source d’énergie. Il s’agit surtout de convertir l’énergie électrique en une autre forme d’énergie :

• Energie Lumineuse : lampe à incandescence puis Diode Electro-Luminescente (LED)
• Energie Thermique : Chauffage électrique
• Energie Mécanique : Moteurs électriques

Ce sont les applications les plus fondamentales de l’électronique qui sont à la base de notre société moderne depuis plus d’un siècle.

Mais l’électricité possède une autre propriété très intéressante : elle peut porter de l’information.

Faisons une analogie avec le son. Deux personnes se parlent entre elles. Les sons transitent de l’une à l’autre avec différentes caractéristiques variant dans le temps : niveau fort ou faible, grave ou aigue. Ces caractéristiques génèrent des syllabes puis des mots et des phrases avec un sens et donc une information.

L’électronique a le même principe. Un signal électrique peut transiter d’un émetteur à un récepteur avec différentes caractéristiques variant dans le temps qui sont principalement la tension et le courant. Les variations de tension/courant permettent de faire transiter une information.

Il s’agit là de la deuxième application de l’électronique : le transport et le traitement de l’information. Elle se développe de façon majeure depuis le début des années 60 et a permis à l’électronique de devenir intelligente via l’invention des ordinateurs.

L’association de ces deux applications constitue l’électronique moderne au sens large. Tellement large que la conception électronique s’est spontanément séparée en 3 grands domaines :

• L’électronique de puissance
• L’électronique analogique
• L’électronique numérique

L’électronique de puissance s’intéresse à l’énergie contenue dans les signaux électriques. Elle s’applique aussi bien aux signaux à forte puissance qu’aux signaux de très faible puissance (milli-watt).

L’électronique analogique et numérique s’intéressent à l’information contenue dans les signaux électriques.

L’électronique analogique traite les signaux qui peuvent prendre une infinité d’états alors que l’électronique numérique traite les signaux à seulement deux états (0 ou 1).

L’électronique analogique était majoritairement (voir exclusivement) étudiée avant l’avènement des premiers microprocesseurs. Elle est toujours très utilisée aujourd’hui mais est de plus en plus remplacée par l’électronique numérique. Celle-ci s’est fortement développés depuis l’invention des premiers ordinateurs. Elle a résolu beaucoup de problèmes liés à l’utilisation des technologies analogiques et notamment la sensibilité au bruit. Le grand public a pu, il y a quelques années, en faire l’expérience par l’apparition de la télévision numérique terrestre. La qualité des images des chaines numériques était bien meilleure que celle des chaines analogiques.

La puissance des systèmes électroniques actuels en font des systèmes très complexes faisant appel aux 3 domaines. La complexité est telle que les ingénieurs de conception électroniques sont maintenant spécialisés dans un seul des trois domaines de l’électronique. Chaque domaine utilise des méthodologies, outils et règles différentes.

Cependant cette complexité de prime abord déconcertante a obligé les ingénieurs à s’organiser pour que les nouveaux concepteurs puissent concevoir un système électronique complexe simplement.

Les début de l’électronique utilisait exclusivement des composants de base de l’électronique qui était assemblés entre eux. Il sont nommé : composants discrets. Ils réalisent chacun une fonction élémentaire et sont regroupés en 2 catégories : les passifs et les actifs.

Les composants passifs ne peuvent pas apporter d’énergie à un signal. Ce sont les résistances, condensateurs, inductances.

Les composants actifs ont eux la capacité d’apporter de l’énergie à un signal. Ce sont essentiellement des composants semi-conducteur. Ils utilisent les propriétés physiques de matériaux comme le silicium. Il s’agit principalement des diodes et transistors.

L’assemblage intelligent de composants discrets dans un circuit permet de réaliser des fonctions électroniques plus ou moins complexes.

Cependant, au fur et à mesure de l’évolution des besoins et des conceptions, les circuits électroniques se sont enrichis et sont devenus de plus en plus complexes et grands.

Une des méthodes des ingénieurs est d’utiliser des circuits « types » qui sont assemblés entre eux.

La réduction de la taille des composants permet d’augmenter le nombre de composants discrets sur une carte électronique de taille donnée. En conséquent, cela autorise la conception de fonctions plus complexes.

Cependant une contrainte majeure existe : la taille requise pour connecter le composants à la carte électronique. Pour comprendre cela, voyons comment est fait un composant :

Un composant est vu de l’extérieur comme un petit boitier plastique avec de petits fils ou pattes métalliques qui en sortent. Il cache une puce à l’intérieur du boitier. La puce, fait d’un matériau électronique (assemblage de silicium, carbone, cuivre, or ou autres) réalise une fonction. Elle est reliée à l’extérieur du boitier par de petits fils (appelé fils de bonding).

Ces boîtiers sont connectés à un circuit imprimé (à ne pas confondre avec circuit intégré). Celui-ci comporte des emplacements pour les composants et des pistes de cuivre pour connecter les circuits entre eux ; un peu comme des routes qui relient des villes entre eux.

A l’époque de l’électronique des composants discrets, la distance minimale entre chaque connexion sur une carte électronique étaient normalisée à 2.54mm. Les boîtiers étaient donc (et sont toujours) dimensionnés en conséquent.

Il n’était donc pas possible de réduire la taille des boîtiers afin d’augmenter le nombre de composants sur une carte.

Cependant mettre plusieurs composants dans un seul boitier ou plus exactement sur la même puce du boitier était possibles. Ceci permet donc de diminuer le nombre de composants sur une carte.

Est donc apparu le circuit intégré. Il s’agit d’un assemblage de composants discrets sur une même puce réalisant des fonctions plus ou moins complexes.

Un circuit électronique est plus ou moins un assemblage de circuits types entre eux. Ceux-ci ont donc été regroupés dans des boîtiers afin de libérer de la place sur les cartes électroniques. Des composants discrets externes leur sont très souvent associés afin de les configurer, mais la taille de la fonction reste considérablement réduite.

Un exemple de circuit intégré est celui de l’amplificateur opérationnel (LM741).

L’utilisation de circuit intégré permet d’augmenter la capacité fonctionnelle des cartes électroniques en augmentant le nombre de composants. Cependant, l’utilisation de signaux essentiellement analogiques a commencé à poser problème.

Imaginons qu’un émetteur doit fournir une information à 4 états à un récepteur. En électronique analogique, une solution est de transmettre une tension. Si elle est à :

• 1V : état A
• 2V : état B
• 3V : état C
• 4V : état D

Dans un système idéal sans perturbation, cela fonctionne bien. Cependant le monde idéal n’existe pas et les signaux analogiques peuvent être bruités surtout s’il sont transmis sur une longue distance.

Imaginons qu’un fort bruit vient s’ajouter au signal.

Dans ce cas il n’est plus possible de déterminer l’état du signal. Surtout si le bruit est aléatoire et qu’il ne peut pas être filtré. Cela est d’autant plus vrai si la quantité d’information à transmettre sur un signal est grande. Imaginez un cas réaliste d’un signal à 100 états. La moindre perturbation entraîne des erreurs.

L’électronique numérique apporte une solution à ce problème. Pour limiter l’effet du bruit, au lieu de séparer le signal en un nombre important d’états, on le sépare en seulement deux états nommés 0 (0 Volt) ou 1 (5 Volts par exemple).

Pour transmettre nos 4 états nous utilisons 2 signaux au lieu d’1 seul :

• Signal X à 0V et signal Y à 0V : état A
• Signal X à 5V et signal Y à 0V : état B
• Signal X à 0V et signal Y à 5V : état C
• Signal X à 5V et signal Y à 5V : état D

Si le signal est en dessous de 2.5V il est considéré à l’état 0. Si il est au dessus de 2.5V il est considéré à 1. En ajoutant le même bruit que sur le signal analogique on obtient ceci :

Dans ce cas, le bruit n’a pas d’effet. Le récepteur comprend toujours l’information reçue sans erreur.

Ce cas d’exemple volontairement très simplifié ne prend pas en compte plusieurs autres phénomènes. Mais le principe reste vrai. La transmission d’information sous un format numérique est beaucoup plus efficace que sous un format analogique.

L’électronique numérique a également un énorme avantage sur l’électronique analogique. Sa mise en œuvre en composants discrets est beaucoup plus simple et fiable que l’électronique analogique. En effet, elle consiste à faire commuter simplement les signaux alors que l’électronique analogique doit amplifier ou atténuer finement les signaux grâce à des valeurs de gains difficilement maîtrisables.

L’utilisation de circuit numérique dans les circuits intégrés rend leur conception plus facile et moins coûteuse par rapport aux circuits intégrés analogiques.

L’électronique numérique manipule donc des 0 et des 1. Elle fait appel à une branche des mathématiques appelée : algèbre de Boole. Derrière ce terme qui peut paraître barbare se cache des principes assez simples (voir plus simples que les opérations mathématiques utilisées dans le calcul des circuits analogiques).

Les informations traitées ou transmisses sont constituées d’une suite de 0 ou de 1. Par exemple le nombre 54 est codé : 00110110.

A partir d’opérations de base nommées NON, ET, OU, OU_EXCLUSIF, on peut réaliser énormément d’opérations communes sur les nombres : addition, soustraction, multiplication, division. Mais on peut également réaliser des mémoires, c’est à dire des composants capables de retenir une information. Et tout ceci est réalisé beaucoup plus simplement et de façon plus fiable qu’en électronique analogique.

Les opérations de base NON, ET, OU, OU_EXCLUSIF sont facilement réalisables avec un assemblage de transistors. Ils ont été très rapidement intégré dans des circuits intégrés pour réaliser des portes logiques. Ils sont tellement fondamentaux que des symboles leurs ont été attribué comme pour les autres composants électroniques de base.

La bascule D permet de réaliser des mémoires unitaires sur un signal. Elle est conçue avec un assemblage de portes logiques entre elles.

La bascule D transmet à la sortie S la valeur numérique présente sur l’entrée D à chaque changement d’état de 0 à 1 du signal CK (front montant par exemple). Sans changement d’état sur l’entrée CK, la sortie S garde sa valeur en mémoire quelque soit la valeur de l’entrée D.

Etant un élément de base, la bascule D est bien évidemment disponible en circuit intégré.

Les bascules D peuvent être associées en parallèle pour constituer des mots binaires entiers. Par exemple 16 bascules D en parallèle permettent de garder en mémoire un mot de 16 signaux ou 16bits (terme utilisé en électronique numérique). Ce mot peut prendre 65536 valeurs différentes. On appelle cela un registre 16bits.

Enfin la bascule D introduit la notion de logique synchrone à comparer avec la logique combinatoire. En logique combinatoire, plusieurs portes logiques sont combinées entre elles et mises en série. Un signal numérique va mettre un certain temps à traverser cet assemblage de portes.

Imaginons un circuit qui doit réaliser un traitement sur 2 signaux A et B. Les signaux A et B sont injectés en même temps. Le signal traverse son premier étage de logique en 2µs et le signal B en 7us. Sans les bascules D, les signaux A et B arriveront sur leur deuxième étage de logique à deux instants différents et la sortie du circuit passera par des états instables avant l’état final stable. Ce n’est généralement pas souhaitable.

Les bascules D insérées après chaque étage de traitement permettent de garder les signaux au chaud le temps que tout le monde arrive avant de continuer la suite du traitement. Le signal CK commun à toutes les bascules est en général une horloge avec une période fixe. Il synchronise les signaux entre eux. On parle ici donc de logique synchrone.

Cela permet de maîtriser parfaitement dans le temps l’état logique (et donc électrique) du circuit complexe. La logique synchrone est présente dans tous les circuits numériques complexes et est donc associé à une horloge qui définit généralement sa performance.

Les assemblages de portes et bascules logiques dans les composants ont mené à l’apparition du microprocesseur. En électronique un processeur est un élément capable d’exécuter des instructions.

L’assemblage de portes logiques entre elles permet de réaliser un type d’opération, par exemple une addition. Cependant si on veut réaliser une soustraction, il faut créer un autre assemblage de portes logiques.

Le processeur est un élément intelligent capable de réaliser sur un unique circuit plusieurs opérations logiques différentes.

L’élément central du processeur est l’unité arithmétique et logique (ALU). Constitué de logique combinatoire, il permet d’exécuter des instructions élémentaires. Le séquenceur donne le tempo du circuit grâce à son association à une horloge (logique synchrone). Les instructions (mots stockées en mémoire) sont lues les une à la suite des autres et envoyées via des registres (mémoire d’un seul mot) vers l’ALU. L’ALU réalise l’opération demandée et sort un résultat. Ce résultat peut être envoyé sur une mémoire ou alors être utilisé pour un autre calcul. Dans ce cas le résultat de l’ALU est renvoyé sur son entrée.

Le processeur n’est capable d’exécuter que des opérations très élémentaires. Cependant, l’assemblage d’opérations élémentaires permet de réaliser des opérations complexes.

Un seul circuit électronique peut donc réaliser des opérations différentes sans devoir concevoir une carte électronique dédié pour chaque application. La puissance de l’électronique moderne réside dans ce principe : Pouvoir réaliser plusieurs fonctions électroniques différentes avec un même circuit.

Le processeur étant donc un circuit électronique de base, il a été intégré un circuit intégré sur une seule puce. Dès lors, les processeurs sont devenus des microprocesseurs.

Un microprocesseur ne peut pas fonctionner seul. Il doit être associé à d’autres éléments électroniques tel que :

• La mémoire vive (RAM)
• La mémoire de stockage (ROM)
• L’horloge
• Les périphériques d’entrée sortie

Les mémoires stockent les instructions à exécuter, les résultats intermédiaires ou finaux de calcul.

L’horloge, indispensable à tout système logique synchrone, donne le tempo des opérations.

Les périphériques d’entrée sortie apportent au processeur un lien avec son environnement. En effet un processeur ne sert à rien s’il ne peut pas recevoir et fournir des informations à l’extérieur. Le processeur reçois les informations qu’il doit traiter par les périphériques d’entrée. Ensuite, les périphériques de sortie renvoient les résultats des traitement provenant du processeur.

Les ordinateurs d’aujourd’hui sont fait comme cela. Le processeur et son horloge sont montés sur la carte mère. Les barrettes de « RAM » constituent la mémoire vive (en partie). Le disque dur est la mémoire de stockage contenant les instructions à exécuter (programmes) et les périphériques d’entrée sortie sont tout le reste : clavier, souris, écran (via la carte graphique), lecteur USB, …

Cependant, les ordinateurs sont gros et l’électronique qu’ils contiennent reste compliquée. Cette approche n’est pas compatible avec les appareils portables que l’on connait aujourd’hui.

La miniaturisation des composants électronique à permis d’embarquer sur une seul puce tous les éléments d’un mini-ordinateur: le processeur, la mémoire, l’horloge et les périphériques d’entrée sortie. Ce composant s’appelle un microcontrôleur. Il est présent dans la quasi-totalité des appareils électroniques modernes. Le microcontrôleur regroupe toute l’intelligence d’une carte électronique dans un seul composant central. L’électronique à l’extérieur du microcontrôleur est donc minimisée. Cela permet de diminuer le nombre de composants nécessaires sur une carte et donc son coût. La consommation électrique de la carte est également fortement réduite permettant au système de fonctionner sur des batteries dont la capacité est limitée.

Cependant un microcontrôleur possède une puissance et une quantité de mémoire beaucoup plus faible qu’un système à microprocesseur. Cependant cette puissance n’est souvent pas nécessaire pour des applications basiques. Les microcontrôleurs modernes sont capables de réaliser la très grande majorité des traitements numériques nécessaires et même certaines fonctions analogiques comme les convertisseurs Analogique Numérique et les comparaison de tension.

Les microprocesseurs et microcontrôleurs sont capables d’exécuter des opérations unitaires qui sont elles-mêmes regroupées dans une mémoire et constituent un programme informatique. On le nomme également logiciel.

Le programme informatique intégré dans un microcontrôleur définit en grande partie la fonctionnalité de la carte. Une modification de fonctionnalité de la carte peut être obtenue simplement en modifiant le programme du microcontrôleur sans toucher aux composants électroniques. Ceci n’est pas possible sur une carte sans microcontrôleur. Cette souplesse apportée par les microcontrôleurs a révolutionné l’électronique d’aujourd’hui et a intégré une nouvelle discipline à l’électronique : l’informatique embarqué.

L’informatique une discipline consistant à créer des programmes informatiques exécutés par des machines à base de processeurs tel que les PC personnels. L’informatique embarquée est une spécialisation de l’informatique s’appliquant à la programmation des microcontrôleurs et prenant en compte certaines contraintes telles que :

• La puissance de calcul limitée
• La taille limitée de la mémoire disponible
• Les contraintes temps réels : besoin de réagir à un événement dans un temps imparti
• La limitation nécessaire de la consommation électrique

Le rôle central des microcontrôleurs dans une carte électrique fait du développement du logiciel embarqué un élément aussi (voir plus) important que le développement électronique.

Cependant le microcontrôleur ne remplace pas tous les éléments électroniques et certains circuit électroniques numériques ou analogiques restent indispensables.

Par exemple, les circuits gérant de la puissance (commande de moteur, amplificateur sonore, …) ne peuvent être intégré à une puce généraliste du faite de la nécessité de dissiper la chaleur provoquée par la conversion de puissance. Dans les applications numériques, il est parfois nécessaire d’ajouter des composants externes apportant des fonctionnalités supplémentaires aux microcontrôleurs tel que les capteurs, les mémoires externe, les horloges très précises.

Le schéma ci-dessous montre l’architecture classique d’une carte électronique.

Le microcontrôleur joue le rôle central. Tous les éléments de la carte y sont connectés.

Il reçoit son alimentation depuis un bloc analogique de gestion d’alimentation. Il existe plusieurs types d’alimentation : secteur, tension continue, pile sans circuit de charge, batterie avec circuit de charge.

Si besoin et afin d’améliorer ses performances, le microcontrôleur peut être associé à des éléments numériques externes tels que des mémoires ou horloges.

La carte électronique peut interagir avec son environnement physique. Les capteurs transforment des grandeurs physiques (température, humidité, …) en grandeurs électriques analogiques puis numériques et les envoient vers le microcontrôleur. Les actuateurs agissent sur l’environnement en transformant des grandeurs électriques (numérique puis analogique) en grandeurs physiques comme les moteurs (grandeur mécanique) ou les chauffages (grandeur thermique).

Les cartes électroniques sont généralement pilotées par 2 moyens : un moyen de communication de machine à machine (réseau Ethernet, Wifi par exemple) ou un moyen de communication humain par des écrans simples ou tactiles et des boutons.

Tout ceci est l’architecture classique d’une carte électronique moderne. Bien évidemment, en fonction des applications, les éléments présentés ci-dessus peuvent ne pas être présents. Il peut y avoir également plusieurs microcontrôleurs ou aucun. Tout dépend des applications.

La conception réussie d’une carte électronique requière un grand nombre de compétences et une certaine expérience.

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