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🔌 Architectures Analogiques Systèmes Embarqués - Semestre 7

Année Universitaire : 2023-2024
Semestre : 7
Crédits : 2.5 ECTS
Spécialité : Électronique Analogique et Systèmes Embarqués

PART A - Présentation Générale du Module

Vue d'ensemble

Ce cours traite des architectures analogiques spécifiques aux systèmes embarqués : amplificateurs commandés en tension, filtres à fréquence de coupure variable, modulateurs, et circuits de conditionnement de signaux. L’accent est mis sur les circuits programmables et adaptatifs essentiels pour les systèmes intelligents et reconfigurables.

Objectifs pédagogiques :

Position dans le cursus

Ce module s’appuie sur :

Il prépare à :

PART B - Expérience Personnelle et Contexte d’Apprentissage

Organisation et ressources

Le module était organisé en travaux dirigés et bureau d’études pratique :

Travaux dirigés (12h) :

Bureau d’études (16h) : Projet complet de conception d’un modulateur :

Supports pédagogiques :

Contenu du projet

Projet modulateur :

Le projet consistait à concevoir un modulateur complet intégrant :

Librairies créées :

Simulations TINA :

Méthode de travail

Phase 1 : Étude théorique : Analyse des circuits dans les TD, calculs de fonctions de transfert, dimensionnement des composants.

Phase 2 : Simulations : Validation des circuits sous TINA-TI avant réalisation. Ajustement des paramètres pour obtenir les performances souhaitées.

Phase 3 : Conception PCB : Création des schémas sous Altium Designer, routage du PCB, vérifications DRC/ERC, génération des fichiers de fabrication.

Difficultés rencontrées

Composant LM13700 : L’amplificateur de transconductance LM13700 est un composant spécialisé. Comprendre son fonctionnement et dimensionner les résistances externes demande une bonne compréhension de la transconductance.

Stabilité des circuits : Les circuits commandés en tension peuvent présenter des instabilités si mal dimensionnés. Importance de la compensation et des condensateurs de stabilisation.

Routage PCB : Pour des circuits analogiques précis, le routage est critique (découplage, pistes courtes, plan de masse).

PART C - Aspects Techniques Détaillés

1. Amplificateurs de transconductance

Définition :

Un amplificateur de transconductance convertit une tension d’entrée en un courant de sortie proportionnel.

I_sortie = gm × V_entrée

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

LM13700 - Operational Transconductance Amplifier (OTA) :

Circuit intégré contenant deux OTA indépendants.

Principe :

Avantages :

Applications :

2. Amplificateur à gain commandé en tension (VCA)

Principe :

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

V_sortie = A(V_controle) × V_entrée

Réalisation avec LM13700 :

Circuit de base :

Calcul du gain :

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

Pour commander le gain par une tension V_ctrl : I_abc = V_ctrl / R_ctrl

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

Plage de gain :

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

Linéarisation :

Pour améliorer la linéarité, on peut utiliser :

Applications :

Application Description
Mixeur audio Contrôle du niveau de chaque canal
AGC Ajustement automatique du gain
Compresseur/limiteur Traitement dynamique audio
Modulateur d’amplitude Multiplication de signaux

3. Filtres commandés en tension

Filtre passe-bas du premier ordre commandé :

Principe : Utiliser un OTA pour créer une résistance équivalente variable.

Fonction de transfert :

H(jω) = 1 / (1 + jω / ωc)

avec ωc = 2π fc (pulsation de coupure)

Fréquence de coupure commandée :

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

fc = gm / (2π C) = (19,2 × I_abc) / (2π C)

Si I_abc = V_ctrl / R_ctrl :

fc = (19,2 × V_ctrl) / (2π C × R_ctrl)

Plage de fréquence :

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

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

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

Meilleure sélectivité (-40 dB/décade).

Applications :

Application Description
Égaliseur paramétrique Ajustement de la fréquence de coupure
Filtre anti-aliasing adaptatif Ajusté selon fréquence d’échantillonnage
Synthétiseur audio Filtre VCF pour synthèse soustractive
Traitement adaptatif Filtrage en fonction du contenu du signal

4. Modulateurs

Définition :

Circuit qui réalise la multiplication de deux signaux.

Modulation d’amplitude :

s(t) = [A + m(t)] × cos(ωp t)

où m(t) est le signal modulant, cos(ωp t) la porteuse.

Réalisation avec OTA :

L’OTA peut servir de multiplieur car : I_sortie = gm × V_entrée

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

Circuit modulateur :

Entrées :

Sortie : Signal modulé en amplitude.

Modulateur en anneau (ring modulator) :

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

Sortie : s(t) = m1(t) × m2(t)

Applications :

5. Circuits de conditionnement

Conditionnement de capteurs :

Les signaux issus de capteurs nécessitent souvent un traitement avant numérisation.

Étapes typiques :

  1. Amplification : VCA pour adapter le niveau
  2. Filtrage : Éliminer le bruit et les fréquences indésirables
  3. Offset : Ajuster le niveau DC
  4. Protection : Écrêtage, limitation

Amplificateur d’instrumentation :

Circuit spécialisé pour amplifier les signaux différentiels de faible amplitude.

Caractéristiques :

Applications :

Filtre anti-aliasing :

Filtre passe-bas placé avant un ADC pour éviter le repliement spectral (aliasing).

Règle : fc < fs / 2 (fréquence d’échantillonnage / 2)

Typiquement : fc = 0,4 × fs

6. Contrôle automatique de gain (AGC)

Principe :

Circuit qui ajuste automatiquement le gain pour maintenir un niveau de sortie constant malgré les variations de l’entrée.

Boucle de régulation :

  1. Détecteur d’amplitude : Mesure le niveau de sortie (détecteur de crête ou RMS)
  2. Comparateur : Compare au niveau de référence
  3. Intégrateur : Filtre la tension d’erreur (temps de réponse)
  4. VCA : Ajuste le gain selon la tension de commande

Paramètres :

Applications :

Application Description
Récepteurs radio Maintenir le volume constant
Téléphonie Normalisation du niveau vocal
Enregistrement audio Éviter la saturation
Instrumentation Adapter la dynamique du signal

7. Techniques de simulation

TINA-TI :

Logiciel de simulation analogique gratuit de Texas Instruments.

Fonctionnalités :

Méthodologie :

  1. Schéma : Dessiner le circuit
  2. Modèles : Utiliser les modèles SPICE des composants
  3. Simulation : Choisir le type d’analyse
  4. Visualisation : Courbes de réponse
  5. Optimisation : Ajuster les valeurs

Exemple : amplificateur à gain variable

Simulation :

8. Conception PCB pour circuits analogiques

Règles de conception :

Layout critique :

Aspect Recommandation
Plan de masse Cuivre plein pour GND
Découplage Condensateur 100 nF proche de chaque alimentation
Pistes courtes Minimiser les inductances parasites
Séparation analogique/numérique Plans de masse séparés si mixte
Symétrie Circuits différentiels symétriques

Alimentation :

Signaux sensibles :

Composants :

9. Altium Designer pour le projet

Projet BE_Archi_Sys_Emb :

Structure du projet :

Étapes de conception :

  1. Création des bibliothèques :
    • Symboles schématiques (LM13700, résistances, condensateurs)
    • Empreintes PCB (DIP8, CMS 0805)
  2. Schéma électrique :
    • Placement des composants
    • Connexions (nets)
    • Annotations (valeurs, références)
    • Vérifications ERC
  3. PCB :
    • Import du schéma
    • Placement des composants
    • Routage manuel ou automatique
    • Vérifications DRC
    • Plans de masse et alimentation
  4. Génération fichiers :
    • Gerber (fabrication)
    • BOM (liste composants)
    • Fichiers d’assemblage

10. Applications pratiques

Table de mixage audio :

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

Synthétiseur analogique :

Compresseur audio :

Circuit AGC avec détecteur RMS et paramètres d’attaque/relâchement réglables.

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

Égaliseur paramétrique :

Plusieurs filtres passe-bande avec fréquence centrale, gain et facteur Q commandés.

Récepteur radio adaptatif :

AGC pour maintenir le niveau constant malgré la variation du signal RF reçu. Filtres FI à bande passante variable selon les conditions de réception.

PART D - Analyse Réflexive et Perspectives

Compétences acquises

Conception de circuits commandés : Maîtrise des amplificateurs et filtres à paramètres variables électroniquement. Capacité à utiliser les OTA pour créer des circuits reconfigurables.

Simulation analogique : Utilisation efficace de TINA-TI pour valider les circuits avant réalisation. Compréhension des analyses AC, transitoires, et de bruit.

Conception PCB professionnelle : Réalisation complète d’un PCB sous Altium Designer : création de bibliothèques, schéma, routage, vérifications.

Points clés à retenir

1. OTA = composant polyvalent : L’amplificateur de transconductance (LM13700) permet de créer des VCA, VCF, modulateurs simplement en exploitant la commande de gm.

2. Linéarité vs plage dynamique : Les circuits commandés présentent souvent un compromis entre linéarité et plage de variation. Importance de la linéarisation.

3. Stabilité essentielle : Les circuits à gain variable peuvent osciller si mal compensés. Condensateurs de stabilisation critiques.

4. Layout = performance : Pour les circuits analogiques précis, le layout PCB est aussi important que le schéma. Plan de masse, découplage, symétrie.

5. Simulation = gain de temps : Simuler avant réaliser évite les erreurs coûteuses (PCB à refaire, composants grillés).

Applications pratiques

Audio professionnel : Mixeurs, compresseurs, égaliseurs, effets utilisent massivement les VCA et VCF.

Instrumentation : Amplificateurs à gain programmable pour s’adapter automatiquement à la plage du signal mesuré.

Télécommunications : AGC dans tous les récepteurs radio (AM, FM, GSM, WiFi, etc.).

Systèmes embarqués : Conditionnement adaptatif de signaux capteurs selon les conditions.

Retour d'expérience

Projet complet et formateur : Le BE permet de passer par toutes les étapes d’un projet réel : spécifications, conception, simulation, PCB, vérifications.

LM13700 intéressant : Composant vintage mais toujours pertinent pédagogiquement. Les OTA modernes (OPA860, etc.) utilisent les mêmes principes.

Simulations TINA utiles : Les simulations permettent de visualiser immédiatement l’effet des changements de paramètres (résistances, condensateurs).

Altium Designer professionnel : Outil utilisé en industrie. Compétence valorisable en entreprise.

Limites et ouvertures

Limites du module :

Ouvertures vers :

Évolution technologique

Tendances actuelles :

Circuits programmables :

Intégration :

Performance :

Conseils pour réussir

1. Comprendre le LM13700 : Bien assimiler le principe de la transconductance commandée. Lire attentivement la datasheet.

2. Simuler systématiquement : Chaque modification doit être validée par simulation avant d’aller plus loin.

3. Dimensionner avec soin : Les valeurs de résistances et condensateurs déterminent les performances. Utiliser les formules données.

4. Vérifier le PCB : DRC/ERC sont impératifs. Une erreur sur le PCB coûte cher (refabrication).

5. Documenter : Bien annoter les schémas, calculer et noter les valeurs théoriques pour comparer avec les simulations.

Conclusion

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

Approche projet : Le bureau d’études avec conception complète (simulation + PCB) reflète bien le travail d’un ingénieur électronique. Toutes les étapes d’un projet réel sont couvertes.

Compétences transférables :

Message principal : Les circuits commandés en tension apportent de la flexibilité et de l’adaptabilité aux systèmes analogiques. Ils permettent de créer des systèmes intelligents capables de s’adapter automatiquement aux conditions (AGC, filtrage adaptatif).

Recommandations :

Liens avec les autres cours :

📚 Documents de Cours

📖 Sujet Bureau d'Études

Sujet complet du BE : conception d'un modulateur et filtre commandés en tension avec TINA et Altium Designer.

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📖 TD1 - Gain Commandé en Tension

TD sur la conception d'amplificateurs à gain variable commandé en tension (VCA) avec OTA et circuits intégrés.

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Cours suivi en 2023-2024 à l’INSA Toulouse, Département Génie Électrique et Informatique.