Architectures Analogiques Systemes Embarques - Semestre 7

Annee Universitaire : 2023-2024
Semestre : 7
Credits : 2.5 ECTS
Specialite : Electronique Analogique et Systemes Embarques

PART A - Presentation Generale du Module

Vue d'ensemble

Ce cours traite des architectures analogiques specifiques aux systemes embarques : amplificateurs commandes en tension, filtres a frequence de coupure variable, modulateurs, et circuits de conditionnement de signaux. L'accent est mis sur les circuits programmables et adaptatifs essentiels pour les systemes intelligents et reconfigurables.

Objectifs pedagogiques :

• Concevoir des amplificateurs a gain commande en tension (VCA)
• Maitriser les filtres actifs commandes en tension
• Comprendre les modulateurs et leurs applications
• Simuler et dimensionner des circuits analogiques complexes
• Realiser des PCB pour circuits analogiques
• Utiliser des composants specialises (transconductance amplifiers)

Position dans le cursus

Ce module s'appuie sur :

• Electronique Fonctions Analogiques (S6) : AOPs, filtres actifs
• Projet PCB (S6) : conception de cartes electroniques
• Circuits et Filtres analogiques (S5) : filtres, fonction de transfert

Il prepare a :

• Systemes embarques : conditionnement de signaux, interfaces analogiques
• Instrumentation : circuits a gain programmable
• Audio professionnel : mixeurs, egaliseurs, effets
• Telecommunications : controle automatique de gain (AGC)

PART B - Experience Personnelle et Contexte d'Apprentissage

Organisation et ressources

Le module etait organise en travaux diriges et bureau d'etudes pratique :

Travaux diriges (12h) :

• TD1 : Amplificateur a gain commande en tension
• TD2 : Filtre passe-bas ordre 1 a frequence de coupure commandee en tension

Bureau d'etudes (16h) :

Projet complet de conception d'un modulateur :

• Partie 1 : Amplificateur a gain commande en tension
• Partie 2 : Filtre ordre 1 commande en tension
• Projet final : Modulateur complet avec PCB sur Altium Designer

Supports pedagogiques :

• Enonces de TD en PDF
• Documentation composant LM13700 (transconductance amplifier)
• Simulations TINA-TI (logiciel de simulation analogique Texas Instruments)
• Projet Altium Designer pour realisation PCB

Contenu du projet

Projet modulateur :

Le projet consistait a concevoir un modulateur complet integrant :

• Amplificateur a gain variable
• Filtre passe-bas a frequence de coupure variable
• Circuit de modulation
• Design PCB complet avec Altium Designer

Librairies creees :

• 4AE_LM.SCHLIB : symboles schematiques
• LIB_V2.SCHLIB : bibliotheque de composants version 2
• ACT.PcbLib : empreintes PCB
• PRINT_V2.PcbLib : empreintes d'impression version 2

Simulations TINA :

• AOP_non_inverseur.TSC : amplificateur non inverseur de base
• Passe_bas.TSC : filtre passe-bas simple
• Filtre_Com_Tension.TSC : filtre commande en tension
• Modulateur.TSC : circuit modulateur complet

Methode de travail

Phase 1 : Etude theorique :

Analyse des circuits dans les TD, calculs de fonctions de transfert, dimensionnement des composants.

Phase 2 : Simulations :

Validation des circuits sous TINA-TI avant realisation. Ajustement des parametres pour obtenir les performances souhaitees.

Phase 3 : Conception PCB :

Creation des schemas sous Altium Designer, routage du PCB, verifications DRC/ERC, generation des fichiers de fabrication.

Difficultes rencontrees

Composant LM13700 :

L'amplificateur de transconductance LM13700 est un composant specialise. Comprendre son fonctionnement et dimensionner les resistances externes demande une bonne comprehension de la transconductance.

Stabilite des circuits :

Les circuits commandes en tension peuvent presenter des instabilites si mal dimensionnes. Importance de la compensation et des condensateurs de stabilisation.

Routage PCB :

Pour des circuits analogiques precis, le routage est critique (decouplage, pistes courtes, plan de masse).

PART C - Aspects Techniques Detailles

1. Amplificateurs de transconductance

Definition :

Un amplificateur de transconductance convertit une tension d'entree en un courant de sortie proportionnel.

I_sortie = gm x V_entree

ou gm est la transconductance (en Siemens ou mho).

LM13700 - Operational Transconductance Amplifier (OTA) :

Circuit integre contenant deux OTA independants.

Principe :

• La transconductance gm est commandee par un courant de polarisation I_abc (amplifier bias current)
• gm = 19,2 x I_abc (approximation)
• Permet de commander le gain en ajustant I_abc

Avantages :

• Gain programmable electroniquement
• Large plage de variation
• Linearite acceptable

Applications :

• VCA (Voltage Controlled Amplifier)
• VCF (Voltage Controlled Filter)
• Modulateurs
• AGC (Automatic Gain Control)

2. Amplificateur a gain commande en tension (VCA)

Principe :

Un VCA est un amplificateur dont le gain est controle par une tension externe.

V_sortie = A(V_controle) x V_entree

Realisation avec LM13700 :

Circuit de base :

• OTA du LM13700
• Resistance de charge en sortie
• Tension de commande convertie en courant I_abc via une resistance

Calcul du gain :

Gain = gm x R_charge = (19,2 x I_abc) x R_charge

Pour commander le gain par une tension V_ctrl :

I_abc = V_ctrl / R_ctrl

Donc : Gain = (19,2 x V_ctrl x R_charge) / R_ctrl

Plage de gain :

Typiquement de -40 dB a +40 dB en variant V_ctrl.

Linearisation :

Pour ameliorer la linearite, on peut utiliser :

• Diodes de linearisation (incluses dans le LM13700)
• Resistances d'emetteur
• Contre-reaction

Applications :

3. Filtres commandes en tension

Filtre passe-bas du premier ordre commande :

Principe :

Utiliser un OTA pour creer une resistance equivalente variable.

Fonction de transfert :

H(jw) = 1 / (1 + jw / wc)

avec wc = 2pi fc (pulsation de coupure)

Frequence de coupure commandee :

En utilisant un OTA, on peut faire varier fc proportionnellement a la tension de commande.

fc = gm / (2pi C) = (19,2 x I_abc) / (2pi C)

Si I_abc = V_ctrl / R_ctrl :

fc = (19,2 x V_ctrl) / (2pi C x R_ctrl)

Plage de frequence :

Typiquement de quelques Hz a plusieurs dizaines de kHz selon V_ctrl.

Filtre passe-bas ordre 2 (Sallen-Key commande) :

En cascadant deux cellules du premier ordre ou en utilisant une structure Sallen-Key avec OTA.

Meilleure selectivite (-40 dB/decade).

Applications :

4. Modulateurs

Definition :

Circuit qui realise la multiplication de deux signaux.

Modulation d'amplitude :

s(t) = [A + m(t)] x cos(wp t)

ou m(t) est le signal modulant, cos(wp t) la porteuse.

Realisation avec OTA :

L'OTA peut servir de multiplieur car :

I_sortie = gm x V_entree

Si gm est proportionnel a un signal (via I_abc), on obtient une multiplication.

Circuit modulateur :

Entrees :

• Signal porteur : applique a l'entree de l'OTA
• Signal modulant : commande la transconductance gm (via I_abc)

Sortie :

Signal module en amplitude.

Modulateur en anneau (ring modulator) :

Utilise 4 OTA ou diodes en pont pour realiser une multiplication exacte.

Sortie : s(t) = m1(t) x m2(t)

Applications :

• Modulation AM
• Melangeur de frequences (heterodynage)
• Effets audio (tremolo, chorus)
• Demodulation synchrone

5. Circuits de conditionnement

Conditionnement de capteurs :

Les signaux issus de capteurs necessitent souvent un traitement avant numerisation.

Etapes typiques :

1. Amplification : VCA pour adapter le niveau
2. Filtrage : Eliminer le bruit et les frequences indesirables
3. Offset : Ajuster le niveau DC
4. Protection : Ecretage, limitation

Amplificateur d'instrumentation :

Circuit specialise pour amplifier les signaux differentiels de faible amplitude.

Caracteristiques :

• Tres haute impedance d'entree
• Gain precis et stable
• CMRR eleve (> 100 dB)
• Faible bruit

Applications :

• Jauges de contrainte
• Thermocouples
• Ponts de Wheatstone
• Mesures biomedicales (ECG, EMG)

Filtre anti-aliasing :

Filtre passe-bas place avant un ADC pour eviter le repliement spectral (aliasing).

Regle :

fc < fs / 2 (frequence d'echantillonnage / 2)

Typiquement : fc = 0,4 x fs

6. Controle automatique de gain (AGC)

Principe :

Circuit qui ajuste automatiquement le gain pour maintenir un niveau de sortie constant malgre les variations de l'entree.

Boucle de regulation :

1. Detecteur d'amplitude : Mesure le niveau de sortie (detecteur de crete ou RMS)
2. Comparateur : Compare au niveau de reference
3. Integrateur : Filtre la tension d'erreur (temps de reponse)
4. VCA : Ajuste le gain selon la tension de commande

Parametres :

• Temps d'attaque : Rapidite de reduction du gain (signal fort)
• Temps de relachement : Rapidite d'augmentation du gain (signal faible)
• Seuil : Niveau a partir duquel l'AGC agit

Applications :

7. Techniques de simulation

TINA-TI :

Logiciel de simulation analogique gratuit de Texas Instruments.

Fonctionnalites :

• Simulation temporelle (transitoire)
• Analyse frequentielle (AC)
• Analyse de bruit
• Analyse de distorsion harmonique
• Analyse de sensibilite

Methodologie :

1. Schema : Dessiner le circuit
2. Modeles : Utiliser les modeles SPICE des composants
3. Simulation : Choisir le type d'analyse
4. Visualisation : Courbes de reponse
5. Optimisation : Ajuster les valeurs

Exemple : amplificateur a gain variable

Simulation :

• Analyse AC : reponse en frequence pour differentes tensions de commande
• Analyse transitoire : reponse a un signal sinusoidal
• Mesure du gain en dB
• Verification de la linearite

8. Conception PCB pour circuits analogiques

Regles de conception :

Layout critique :

Alimentation :

• Decouplage local : 100 nF ceramique + 10 uF electrolytique par CI
• Pistes d'alimentation larges
• Filtrage de l'alimentation (ferrite, LC)

Signaux sensibles :

• Pistes d'entree courtes et protegees
• Eviter les boucles de masse
• Garde (guard ring) autour des circuits critiques

Composants :

• Resistances : precision 1% ou mieux pour gain stable
• Condensateurs : COG/NP0 pour circuits de precision
• AOPs : choisir selon bande passante, bruit, offset

9. Altium Designer pour le projet

Projet BE_Archi_Sys_Emb :

Structure du projet :

• Fichier projet : BE_Archi_Sys_Emb.PrjPcb
• Schema : Modulateur.SchDoc
• Bibliotheques : 4AE_LM.SCHLIB, LIB_V2.SCHLIB
• Empreintes : ACT.PcbLib, PRINT_V2.PcbLib

Etapes de conception :

1. Creation des bibliotheques :
   • Symboles schematiques (LM13700, resistances, condensateurs)
   • Empreintes PCB (DIP8, CMS 0805)
2. Schema electrique :
   • Placement des composants
   • Connexions (nets)
   • Annotations (valeurs, references)
   • Verifications ERC
3. PCB :
   • Import du schema
   • Placement des composants
   • Routage manuel ou automatique
   • Verifications DRC
   • Plans de masse et alimentation
4. Generation fichiers :
   • Gerber (fabrication)
   • BOM (liste composants)
   • Fichiers d'assemblage

10. Applications pratiques

Table de mixage audio :

Chaque canal dispose d'un VCA pour controler le volume. Les faders ajustent la tension de commande.

Synthetiseur analogique :

• VCO (Voltage Controlled Oscillator) : frequence variable
• VCF (Voltage Controlled Filter) : filtre a fc variable
• VCA : enveloppe d'amplitude (ADSR)

Compresseur audio :

Circuit AGC avec detecteur RMS et parametres d'attaque/relachement reglables.

Reduit la dynamique du signal (plage entre le plus faible et le plus fort).

Egaliseur parametrique :

Plusieurs filtres passe-bande avec frequence centrale, gain et facteur Q commandes.

Recepteur radio adaptatif :

AGC pour maintenir le niveau constant malgre la variation du signal RF recu.

Filtres FI a bande passante variable selon les conditions de reception.

PART D - Analyse Reflexive et Perspectives

Competences acquises

Conception de circuits commandes :

Maitrise des amplificateurs et filtres a parametres variables electroniquement. Capacite a utiliser les OTA pour creer des circuits reconfigurables.

Simulation analogique :

Utilisation efficace de TINA-TI pour valider les circuits avant realisation. Comprehension des analyses AC, transitoires, et de bruit.

Conception PCB professionnelle :

Realisation complete d'un PCB sous Altium Designer : creation de bibliotheques, schema, routage, verifications.

Points cles a retenir

1. OTA = composant polyvalent :

L'amplificateur de transconductance (LM13700) permet de creer des VCA, VCF, modulateurs simplement en exploitant la commande de gm.

2. Linearite vs plage dynamique :

Les circuits commandes presentent souvent un compromis entre linearite et plage de variation. Importance de la linearisation.

3. Stabilite essentielle :

Les circuits a gain variable peuvent osciller si mal compenses. Condensateurs de stabilisation critiques.

4. Layout = performance :

Pour les circuits analogiques precis, le layout PCB est aussi important que le schema. Plan de masse, decouplage, symetrie.

5. Simulation = gain de temps :

Simuler avant realiser evite les erreurs couteuses (PCB a refaire, composants grilles).

Applications pratiques

Audio professionnel :

Mixeurs, compresseurs, egaliseurs, effets utilisent massivement les VCA et VCF.

Instrumentation :

Amplificateurs a gain programmable pour s'adapter automatiquement a la plage du signal mesure.

Telecommunications :

AGC dans tous les recepteurs radio (AM, FM, GSM, WiFi, etc.).

Systemes embarques :

Conditionnement adaptatif de signaux capteurs selon les conditions.

Retour d'experience

Projet complet et formateur :

Le BE permet de passer par toutes les etapes d'un projet reel : specifications, conception, simulation, PCB, verifications.

LM13700 interessant :

Composant vintage mais toujours pertinent pedagogiquement. Les OTA modernes (OPA860, etc.) utilisent les memes principes.

Simulations TINA utiles :

Les simulations permettent de visualiser immediatement l'effet des changements de parametres (resistances, condensateurs).

Altium Designer professionnel :

Outil utilise en industrie. Competence valorisable en entreprise.

Limites et ouvertures

Limites du module :

• Pas de realisation physique et test du PCB
• Composants analogiques classiques (alternatives numeriques non abordees)
• Aspects bruit et distorsion peu approfondis

Ouvertures vers :

• DSP (Digital Signal Processing) : alternative numerique aux circuits analogiques
• Systemes mixtes : ADC, DAC, conversion analogique-numerique
• Audio numerique : codecs, effets numeriques
• Controle numerique de circuits analogiques : potentiometres numeriques, DAC pour commande
• SoC mixtes : integration analogique-numerique sur puce

Evolution technologique

Tendances actuelles :

Circuits programmables :

• FPAA (Field Programmable Analog Array) : equivalent analogique des FPGA
• Potentiometres numeriques commandes par SPI/I2C
• VGA (Variable Gain Amplifier) integres avec controle numerique

Integration :

• AFE (Analog Front-End) integrant conditionnement complet
• Codec audio integres (ADC + DAC + VCA + filtres)
• SoC avec partie analogique reconfigurable

Performance :

• Tres faible bruit (< 1 nV/sqrt(Hz))
• Tres faible consommation (nA de quiescent current)
• Large dynamique (> 120 dB)

Conseils pour reussir

1. Comprendre le LM13700 :

Bien assimiler le principe de la transconductance commandee. Lire attentivement la datasheet.

2. Simuler systematiquement :

Chaque modification doit etre validee par simulation avant d'aller plus loin.

3. Dimensionner avec soin :

Les valeurs de resistances et condensateurs determinent les performances. Utiliser les formules donnees.

4. Verifier le PCB :

DRC/ERC sont imperatifs. Une erreur sur le PCB coute cher (refabrication).

5. Documenter :

Bien annoter les schemas, calculer et noter les valeurs theoriques pour comparer avec les simulations.

Conclusion

Ce module fournit une excellente introduction aux circuits analogiques reconfigurables et commandes. La maitrise des VCA, VCF et modulateurs est essentielle pour de nombreuses applications (audio, instrumentation, telecommunications).

Approche projet :

Le bureau d'etudes avec conception complete (simulation + PCB) reflete bien le travail d'un ingenieur electronique. Toutes les etapes d'un projet reel sont couvertes.

Competences transferables :

• Conception de circuits analogiques complexes
• Simulation avec outils professionnels (TINA, SPICE)
• Conception PCB avec Altium Designer
• Gestion de projet electronique complet

Message principal :

Les circuits commandes en tension apportent de la flexibilite et de l'adaptabilite aux systemes analogiques. Ils permettent de creer des systemes intelligents capables de s'adapter automatiquement aux conditions (AGC, filtrage adaptatif).

Recommandations :

• Experimenter avec des kits d'evaluation (Texas Instruments, Analog Devices)
• Realiser et tester physiquement le PCB concu
• Explorer les alternatives numeriques (DSP) pour comparaison
• Approfondir les aspects bruit, distorsion, linearite

Liens avec les autres cours :

• Electronique Fonctions Analogiques - S6 : AOPs, filtres actifs
• Projet PCB - S6 : conception de cartes
• Architectures Analogiques Transmission - S7 : modulation, RF

Documents de Cours

Cours suivi en 2023-2024 a l'INSA Toulouse, Departement Genie Electrique et Informatique.