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Outil pour la conception et l'enseignement d'électronique analogique

La conception analogique

Nécessité de l'électronique analogique

Si dans la plupart des systèmes électroniques, le traitement du signal est réalisé numériquement par un processeur numérique (DSP), principalement pour des raisons de précision et d'immunité au bruit, la nature analogique et temps continu des signaux physiques à traiter, rend impossible l'élimination complète de la circuiterie analogique. Des circuits d'interfaçage sont donc requis. Ainsi, dans un environnement physiquement hétérogène, le signal à traiter doit tout d'abord être prélevé par un capteur qui transformera l'information acoustique (microphone), lumineuse (cellule photo-électrique), de vitesse (accéléromètre), électromagnétique (antenne), ..., en un signal électrique. Ensuite, devant être converti par un convertisseur analogique-numérique (CAN), le signal électrique doit être traité par un processeur analogique de signal (ASP) qui le conformera, c'est à dire l'adaptera aux caractéristiques du convertisseur en lui faisant subir un certain nombre d'opérations analogiques temps continu ou temps discret: transduction, filtrage, échantillonnage-blocage, extrapolation, ... .

En termes de définitions, si on considère la chaîne de traitement de signal générique de la figure, l'ensemble de ces opérations élémentaires, augmenté d'un éventuel prétraitement numérique (extrapolation, filtrage, contrôle de gain, ...) constitue la chaîne d'acquisition du signal.

D'autre part, le signal traité numériquement doit pouvoir être restitué sous une forme analogique temps continu à l'environnement physique immédiat. Ainsi, après conversion numérique-analogique et conformation par un processeur analogique, effectuant des opérations temps continu et temps discret de même type ou duales de celles réalisées en acquisition (interpolation, filtrage, transduction, ...), le signal conformé peut être présenté à l'actionneur (écouteur, caméra, organe de commande, ...).

On notera que lorsque que l'intégration des fonctions analogiques et numériques est réalisée sur un même substrat, le système électronique intégré mixte (analogique et numérique) "mono-puce" correspondant constitue un ASIC (Application-Specific Integrated Circuits) de type particulier appelé SoC (System on Chip).

Nécessité d'outils de CAO analogique

Ce qui caractérise essentiellement les évolutions récentes en matière de conception de circuits intégrés c'est principalement, une nette augmentation de la complexité des circuits, due à la réduction des dimensions des transistors réalisables en technologie CMOS, une rapide évolution des processus technologiques, une forte demande de nouvelles fonctionnalités intégrant de nombreuses fonctions analogiques (radiocommunication, ...) et surtout la pression économique qui raccourcit de plus en plus les délais de mise sur le marché des circuits.

Or, contrairement au domaine numérique où l'utilisation de librairies de cellules standards réduit considérablement le temps de conception, dans le domaine analogique, il est pratiquement impossible de stocker dans une même bibliothèque l'ensemble des fonctions susceptibles de couvrir tout le spectre possible d'applications avec l'ensemble des spécifications électriques associées. D'autre part, compte tenu du fait qu'une telle bibliothèque serait très rapidement obsolète de part l'évolution de plus en plus rapide des technologies, il est évident, que sans l'aide d'outils de CAO appropriés, permettant la génération automatique de modules paramétrés, en particulier par la technologie, l'analogique risque de devenir dans la phase de dimensionnement des composants physiques des SoC, un sérieux goulot d'étranglement en terme de temps de conception et de coût.

Nécessité de didacticiels pour la CAO analogique

L'électronique analogique est une science appliquée à la confluence de plusieurs disciplines scientifiques: la physique des composants, la théorie des réseaux électriques, les mathématiques, .... C'est ce qui fait son intérêt, mais aussi sa difficulté. Ainsi, pour sa mise en oeuvre, elle implique une accumulation de connaissances difficile à acquérir de manière linéaire au cours d'un cursus scolaire "traditionnel", une autoformation à partir de didactitiels dédiés est certainement un moyen incontournable d'approfondir ses connaissances, et éventuellement de combler ses lacunes.

Caractéristiques essentielles d'une conception analogique

  • L'art du compromis.

    La conception analogique est par nature "l'exercise de l'art du compromis", c'est à dire l'accommodation d'un grand nombre de contraintes la plupart du temps conflictuelles. Il est ainsi communément admis que le dimensionnement d'un dispositif analogique performant n'est pas un processus purement algorithmique et qu'il requiert l'incorporation d'heuristiques, c'est à dire un ensemble de règles basées sur l'expertise.

  • La multiplicité des topologies.

    Pour une même fonctionnalité il existe très souvent plusieurs topologies de circuit susceptibles de répondre de manière optimale au jeu de performances demandées et de manière plus ou moins sous-optimale, aux indices de performance non explicitement spécifiés.

  • L'utilisation de modèles.

    La réalisation des spécifications électriques fixées par le cahier des charges au niveau système implique une traduction de ces spécifications en termes d'indices de performances au niveau de chaque bloc fonctionnel, qui doivent être traduites en termes d'indices de performances au niveau chaque fonction élémentaire, puis des dispositifs physiques qui permettent la réalisation de ces fonctions et enfin au niveau de chaque composant de chaque dispositif. Leur vérification demande de nombreuses simulations spécifiques à partir de modèles allant du fonctionnel au physique et pouvant passer par différents niveaux comportementaux. D'autre part, la conception analogique implique une modélisation précise des différents composants actifs et passifs, ainsi qu'une bonne connaissance de leur comportement en fonction de différents types de stimuli (température, grand signal, petit signal, bruit, ...) et des éventuelles idiosyncrasies liées aux problèmes de modélisation (discontinuité de certains modèles, ...).

  • Le centrage statistique des indices de performances.

    Pour concevoir un circuit intégré analogique de qualité industrielle, il faut non seulement dimensionner les différents composants élémentaires en vue de satisfaire les spécifications électriques nominales demandées, mais il faut également garantir que ces spécifications soient satisfaites compte tenu des inévitables dispersions sur les tolérances de fabrication affectant ces composants. La conception analogique est un processus statistique qui implique un centrage des indices de performances afin de garantir un rendement de production optimal.

  • La réutilisation.

    Un circuit analogique est naturellement dépendant de la technologie utilisée, ainsi, l'expertise accumulée lors de la conception d'un dispositif analogique doit, autant que faire ce peut, directement être réutilisable en cas de migration technologique ou lors de la conception d'un circuit similaire.

Logiciel Oceane

Pour répondre aux spécificités de la conception analogique, Oceane ([O]utils pour la [C]onception et l'[E]nseignement des circuits intégrés [AN]alogiqu[E]s) est conçu comme une "boîte à outils" composée d'outils de premier niveau appelés compilateurs regroupant des dispositifs de même niveau hiérarchique et de même nature et d'environnements regroupant les outils spécifiques à la réalisation d'un bloc fonctionnel. Il est conçu pour recevoir en entrée un jeu de spécifications de haut niveau portant sur un bloc fonctionnel ou une fonction élémentaire et pour sortir une netlist au format standard SPICE, correspondant à une description topologique des composants élémentaires, transistors, résistances, condensateurs et inductances, complètements dimensionnés et affectés de leurs paramètres de style pour la génération des masques correspondant. Un interfaçage avec d'autres outils éventuellement commerciaux (simulateurs, générateurs automatiques de masques) est ainsi directement réalisable.

Pour télécharger le logiciel Oceane et sa documentation (en français) -- Prévoir environ 140 MB:

  • Auteur : Jacky Porte, LIP6 (SU-UPMC, CNRS) et TelecomParisTech
  • Licence : GPL pour le code
  • Creative common pour la documentation.

ftp://asim.lip6.fr/pub/oceane/oceane-20140522-2.tar.bz2

Documentation