Électronique

L'électronique est une branche de la physique appliquée qui traite de "systèmes à courants électriques faibles" dont le fonctionnement dépend de la circulation d'électrons.

L'adjectif «électronique» sert à désigner aussi ce qui est en rapport avec l'électron.

On date le plus souvent les débuts de l'électronique à l'invention du tube électronique en 1904.

En raison du succès des appareils fonctionnant grâce à l'électronique et de leur impact sur la vie courante, le grand public amalgame fréquemment électronique avec cybernétique (science des automatismes), autant qu'avec informatique.

Définition

L'électronique est une science technique ou science de l'ingénieur, qui étudie et conçoit les structures effectuant des traitements de signaux électriques, c'est-à-dire de courants ou de tensions électriques, porteurs d'information ou d'énergie.

Dans cette définition la notion de l'information est reconnue dans le sens le plus large : elle sert à désigner toute grandeur (physique, telle la température, le son ou la vitesse, ou abstraite, telle une image, un code, ... ) qui peut évoluer en temps réel selon une loi inconnue à l'avance.

Comme l'ensemble des automatismes, les dispositifs électroniques sont fréquemment conçus en deux parties :

• l'une, opérative, gère les signaux de puissance porteurs d'énergie (courants forts)  ;
• l'autre, informationnelle, gère les signaux porteurs d'information (courants faibles).

Dans les dispositifs électroniques classiques traitant l'information, celle-ci est codée par les tensions ou les courants électriques. Les applications de l'électronique peuvent être subdivisées selon la finalité de l'action qu'elles visent : le traitement de l'information à proprement parler ou la commande. Les premières englobent les domaines comme l'informatique, les télécommunications, les mesures (prélèvement et stockage de l'information), etc.

Les applications de commande ont pour objet le contrôle du fonctionnement d'un dispositif naturel ou technogène. Un contrôle implique le plus souvent une mesure du paramètre contrôlé, sa comparaison avec le modèle ou la valeur souhaitée et , en cas d'erreur, la génération d'une consigne de correction (principe de contre-réaction à la base de nombreux dispositifs électroniques). Ainsi, un contrôle peut être vu comme une succession d'opérations de traitement du signal : ceci renvoie à la définition générale donnée plus haut.

Historique

Depuis le début du 19^e siècle, au fur et à mesure des découvertes des possibilités de l'électricité, les composants et applications électroniques ont vu le jour (quelquefois sans possibilité d'application immédiate ou de fabrication industrielle, ces découvertes ne seront utilisées que plus tard).

La croissance de l'électronique s'est faite par 2 apports simultanés :

• la réduction de la taille des composants élémentaires mis en œuvre (transistors et autre structures identiques) donnant la possibilité une intégration de plus en plus efficace, ce qui a énormément augmenté la puissance et le champ d'action des fonctions réalisées
• la sophistication progressive des méthodes et principes employés (traitement du signal, en premier lieu principalement analogique, puis numérique, ou alors sous forme de logiciel intégré dans les composants)

Les conséquences pratiques ont été surtout l'intégration de fonctions électroniques de plus en plus complexes et performantes dans l'essentiel des domaines techniques (industriels, scientifiques, ... ) et des objets de la vie courante.
Le développement de l'électronique a aussi permis celui de la science et des techniques de l'informatique, en donnant la possibilité la réalisation de calculateurs de plus en plus rapides et complexes (associés à des capacités de mémorisation croissantes), à des coûts compatibles d'une large diffusion. Ce développement a en retour perfectionné les moyens disponibles pour le développement de l'électronique elle-même (logiciels de simulation de circuits, méthode de traitement de signal particulièrement élaborées, ... )

Les impacts de l'électronique et de l'alimentation en électricité indispensable à son fonctionnement, sur la vie dans notre société moderne sont majeurs.

Les axes de développement actuels de l'électronique sont liés à :

• la recherche de la poursuite d'une intégration croissante des composants (loi de Moore), qui passe par la compréhension fine des mécanismes et phénomènes en œuvre au niveau de la physique moléculaire ou électronique (développement de nanotechnologies)
• la obligation pressentie de perfectionner les performances en termes de rendement (pour permettre une utilisation la plus efficace envisageable de l'énergie électrique indispensable ou contrôlée)

Voir aussi les composants électroniques généralement.

Disciplines de l'électronique

L'électronique est une famille de disciplines se distinguant suivant le type de signal traité, la famille d'application ou encore le niveau hiérarchique qu'occupe l'élément étudié dans le dispositif global.

Types de signaux

Introduction

L'électronique a pour objet le traitement par des composants matériels (avec quelquefois mise en œuvre de logiciel interne) de ce qui est nommé des signaux électroniques. Un signal est une grandeur qui est reconnue comme représentant de manière suffisamment satisfaisante une grandeur physique donnée et qui porte l'information à traiter. Il s'agit généralement d'une tension électrique, d'un courant, mais ce peut être aussi un champ électrique ou magnétique.

Habituellement, les signaux sont classés en 3 grands types :

• signal analogique
• signal numérique
• signal de puissance

suivant la manière dont on considère ce signal et l'usage qu'on souhaite en faire.

Il est habituel aussi de décomposer un signal en deux composantes :

   signal = signal utile + bruit

le signal utile étant la partie du signal contenant l'information recherchée, le bruit^[1] étant l'ensemble des perturbations modifiant cette partie utile. Ce découpage est par conséquent arbitraire et lié à l'usage souhaité.

Signal analogique

La discipline s'intéresse au traitement continu des signaux analogiques, c'est-à-dire ceux évoluant d'une façon continue dans le temps et reconnus comme tels (par opposition aux signaux discrétisés ou numérisés pour lesquels on ne prend en compte qu'un nombre fini d'états). Ils peuvent par conséquent prendre des valeurs appartenant à un espace de valeurs continu (ou continu par intervalles). La majorité des dispositifs physiques le sont , car les grandeurs physiques évoluent le plus fréquemment d'une façon continue (par exemple, la température).

Le domaine de l'analogique est habituellement divisé en plusieurs sous-domaines :

• L'instrumentation
• Les fréquences audio (en lien avec l'électroacoustique)
• Les fréquences radio
• Les hyperfréquences (encore nommées fréquences radar ou hautes fréquences)
• La production et la propagation des ondes électromagnétiques
• La vidéo
• Le traitement du signal analogique
• Le codage du signal, ...

Ce dernier ne permet ni le stockage de l'information, ni d'effectuer des produits ou des divisions par des variables. C'est pourquoi le traitement numérique du signal remplace quelquefois les traitements analogiques, quoiqu'il occasionne un délai de traitement.

Signal numérique

Par opposition, l'électronique numérique s'intéresse au traitement des signaux dont l'espace de valeurs est discret. Ainsi le nombre de valeurs que peuvent prendre ces signaux est limité. Celles-ci sont codées par des nombres binaires. Dans le cas le plus simple, un signal numérique ne peut prendre que deux valeurs : 1 et 0. L'électronique numérique est utilisée surtout dans les dispositifs contenant un microprocesseur ou un microcontrôleur. A titre d'exemple, un ordinateur est un appareil constitué en majeure partie par de l'électronique numérique.

À l'heure actuelle le traitement du signal numérique tend de plus en plus à remplacer le traitement du signal analogique, de façon à favoriser le développement des circuits ainsi qu'à apporter une meilleure intégration et une plus grande souplesse d'utilisation. Dans les applications grand public, cette évolution est spécifiquement remarquable dans les domaines de l'audio et de la vidéo (caméscopes, télévision) où l'électronique analogique était depuis longtemps répandue — le cas de la photographie est légèrement à part étant donné que l'acquisition du signal était jusque là non pas électronique mais chimique. Par contre, il ne faut pas oublier que comme les valeurs discrètes n'existent pas physiquement, des phénomènes d'électronique analogique peuvent survenir dans les circuits numériques, surtout dans les hautes fréquences. Qui plus est certaines fonctions comme la mesure ou l'augmentcation sont intrinsèquement analogiques et ne pourront jamais devenir numériques. Les capteurs sont en particulièrement grande majorité analogiques.

Les signaux numériques étant aussi des signaux discrets en temps, on utilise généralement un oscillateur à quartz (horloge) de façon à synchroniser les différentes parties d'un circuit entre elles. On nomme les circuits régis par une horloge (ou plus) des circuits synchrones. La fréquence (ou fréquence d'horloge), exprimée en hertz (Hz) d'un circuit numérique représente le nombre de changements d'état envisageables d'une valeur par seconde. Cependant, il est particulièrement envisageable de travailler de manière asynchrone (indépendamment d'une horloge) si on organise le fonctionnement du circuit de façon à ce que ses différentes parties se synchronisent entre elles par des échanges de signaux de contrôle (on parle d'handshaking). On parle alors d'électronique asynchrone.

Électronique mixte

On parle aussi de l'électronique mixte, il s'agit alors d'un dispositif dans lequel cœxistent les signaux numériques et analogiques. Les modules spécifiques à cette discipline sont le convertisseur analogique-numérique (CAN) et le convertisseur numérique-analogique (CNA). Ils permettent de transformer un signal analogique en signal numérique et inversement, en réalisant ainsi une interface entre les modules purement analogiques (comme les capteurs) et purement numériques.

A titre d'exemple, un thermomètre à affichage numérique prélève la température (qui est une grandeur analogique), mesure sa valeur, la code en une séquence numérique et puis l'affiche sur un écran. Ainsi, les deux premières opérations sont effectuées par des modules de l'électronique analogique, la troisième nécessite une conversion analogique-numérique et la dernière relève d'un traitement numérique.

Signal de puissance

L'électronique de puissance est la totalité des techniques qui s'intéressent à l'énergie contenue dans les signaux électriques, contrairement aux autres disciplines électroniques, qui elles s'intéressent essentiellement à l'information contenue dans ces signaux. L'objectif est le contrôle ou la transformation de l'énergie électrique. La gamme de puissance traitée en électronique de puissance fluctue de quelques microwatts à plusieurs mégawatts.

L'électronique de puissance repose sur des systèmes servant à changer la forme de l'énergie électrique (les convertisseurs) et des systèmes transducteurs (le plus fréquemment des turbines et des moteurs électriques). L'électronique de puissance a comme champ d'application l'électrotechnique domestique et industrielle, où elle remplace les anciennes solutions électromécaniques.

Hiérarchie de l'objet d'étude

D'une façon indépendante de l'application, certaines disciplines de l'électronique sont définies suivant la place qu'occupe l'objet de l'étude dans la hiérarchie d'un dispositif électronique.

Physique des composants

Au niveau le plus bas se situe un composant, ou un système électronique. La branche s'intéressant à la conception ainsi qu'à l'étude d'un composant électronique élémentaire se nomme «physique des composants». Elle est connexe au savoir-faire technologique, qui lui regroupe la totalité des connaissances et outils nécessaires pour fabriquer un composant. On parle ainsi de la «technologie de l'électronique». Les domaines de la technologie et de la physique des composants électroniques font principalement appel aux compétences dans les sciences principales, telles que la physique du solide et des procédés chimiques. Même si ces activités sont vitales pour l'électronique, elles ont peu à voir avec l'électronique comme génie du traitement du signal. On devrait plutôt les considérer comme une porte d'entrée du monde de la physique principale vers la science appliquée qu'est l'électronique. Les composants de base de l'électronique sont les transistors, les résistances, les condensateurs, les diodes, etc.

Génie électronique

Un circuit électronique est le principal objet d'étude de la science de l'électronique. Un circuit électronique est un dispositif incluant plusieurs composants électroniques associés. Le mot circuit vient du fait que le traitement s'effectue grâce à des courants électriques circulant dans les composants interconnectés. La branche étudiant les propriétés des circuits électroniques se nomme «théorie des circuits». La discipline qui étudie la méthodologie servant à réaliser une fonction de traitement spécifique à base d'un circuit se nomme «conception des circuits électroniques». Les dispositifs électroniques modernes comportent des centaines de millions de composants élémentaires. Pour cette raison le génie des circuits électroniques ne s'intéresse qu'à la réalisation de fonctions (ou modules) assez simples, nécessitant quelques dizaines de composants.

Taille des circuits électroniques

Le classement précédent se recoupe avec un classement suivant la taille des circuits électroniques reconnus.

Électronique des tubes à vide

Comme son nom l'indique, elle recourt à des tubes à vide, ou tubes électroniques comme composants actifs élémentaires (diodes à vide, triodes, tétrodes, pentodes... ). Elle ne subsiste guère plus actuellement que sous la forme des tubes cathodiques des récepteurs de télévision et de certains composants d'émetteurs radio de très forte puissance, et ces tubes-là sont d'ailleurs eux aussi en voie de disparition. Reste cependant la technologie des tubes à vide utilisés en audio, dans les amplificateurs guitare surtout.

Les tubes à vide, dans leur configuration la plus simple (diode), sont composés de deux électrodes, nommées cathode et anode installées dans un tube de verre où le vide a été créé. La cathode est chauffée par un élément chauffant, ce qui sert à créer un'nuage'd'électrons à proximité de la cathode. Quand le circuit électronique auquel le tube est branché crée un potentiel positif à l'anode comparé à la cathode, il se produit un courant électrique (d'électrons) entre la cathode et l'anode (appelé courant cathodique). Il est envisageable d'incorporer des grilles métalliques entre la cathode et l'anode. Différents potentiels appliqués à ces grilles auront pour effet de contrôler le courant cathodique. Les tubes équipés d'une grille sont nommés triodes (trois électrodes).

La conception des tubes à vide la rend extrêmement tolérante aux surcharges. Cette particularité positionne toujours actuellement le tube à vide comme un candidat important pour les applications extrêmes, telles que les émetteurs radio (MA et MF) de puissance et les tubes d'émission à rayons X.

Enfin, la lumière (un seul photon) dirigé vers la cathode est suffisante pour générer un courant cathodique, et ce, sans même utiliser d'élément chauffant. Les'dynodes'utilisent ce principe en cascade pour détecter les photons dans certaines applications d'imagerie médicales.

Électronique individuelle

Elle recourt à des composants élémentaires individuels ou «discrets» (par opposition à intégrés) assemblés le plus fréquemment sur des cartes électroniques. Ce type de conception électronique n'est guère plus utilisée que pour des montages expérimentaux ou dans le cadre de l'électronique de loisir, car elle a été supplantée par la micro-électronique. Sur une carte électronique actuelle, quoique les circuits intégrés accomplissent les principales fonctions, on trouve cependant toujours les composants discrets nécessaires à leur mise en œuvre (résistances et condensateurs principalement).

Micro-électronique

Ce terme est né du processus de la miniaturisation des composants électroniques élémentaires. Cette miniaturisation a commencé dans les années cinquante avec l'apparition des semi-conducteurs, elle a atteint une phase presque extrême actuellement. En effet, depuis six décennies la taille des composants élémentaires n'a jamais cessé de diminuer, pour atteindre des dimensions de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. Ces progrès sont devenus envisageables grâce aux avancées dans les procédés de traitement des matériaux semi-conducteurs, surtout du silicium, qui ont permis de réaliser plusieurs millions de composants élémentaires sur une surface de quelques millimètres carrés. Ainsi, la micro-électronique s'intéresse aux dispositifs électroniques utilisant des composants de dimensions micrométriques et nanométriques. L'expression «électronique intégrée» est un synonyme de ce terme : elle évoque un ensemble de composants «intégrés» sur une seule puce de semi-conducteur, couramment nommé circuit intégré.

Nano-électronique et électronique moléculaire

D'autre part, en parlant des dispositifs de l'électronique moderne, le préfixe «micro» commence à être obsolète, étant donné qu'on voit naitre des composants dont la taille se mesure en nanomètres et quelquefois comparable à celle des molécules. On évoque ainsi la nano-électronique, les nanotechnologies et l'électronique moléculaire. Des avancées techniques récentes permettent même d'envisager la conception de composants basés sur la propriété des électrons et de leur spin : la spintronique.

Microdispositifs

Avec les progrès dans les micro- et nano-technologies, on observe une fusion des dispositifs appartenant à différents domaines techniques (mécaniques, thermiques, optiques... ) autour des circuits et dispositifs électroniques. Ces fusions sont fréquemment nommées «dispositifs à traitement de signal multi-domaine», ou «dispositifs multi-domaines». Au départ de ces progrès sont les procédés d'usinage du silicium particulièrement évolués, qui permettent de réaliser des structures tridimensionnelles sur les mêmes cristaux de silicium avec les circuits électroniques. Cette proximité offre une interpénétration des traitements habituellement se déroulant dans des domaines différents, et une cœxistence des signaux de différentes natures physiques (thermique, mécanique, optique... ) dans un même dispositif. Ainsi, depuis les années 1990, les microdispositifs électromécaniques (MEMS) sont produits et utilisés en grandes quantités.

Base théorique

Méthodes mathématiques

Il existe un certain nombre d'outils pour la modélisation des propriétés électroniques d'un circuit. On peut citer les principes fondamentaux de l'électricité et de l'électromagnétisme (loi d'Ohm, théorème de Gauss, loi de Lenz-Faraday), les modèles de fonctionnement des matériaux semi-conducteurs (jonction P-N, effet transistor, effet d'avalanche), les outils mathématiques et statistiques (nombre complexe, transformée de Fourier, transformée en ondelettes, loi de Gauss). Les études liées aux signaux de hautes fréquences font appel aux méthodes associées à l'analyse de la propagation des ondes (équations de Maxwell, ... ). La mise en œuvre de signaux rapides au sein d'une carte électronique nécessite des analyses et l'utilisation de logiciels de simulation spécifiques. L'étude des composants électroniques au niveau atomique intègre les résultats et méthodes associées à la physique quantique.

La simulation de circuits électroniques, quelquefois complexes et coûteux, est un procédé particulièrement répandu et d'un niveau particulièrement avancé. Certains logiciels informatiques peuvent intégrer de nombreux paramètres, comme la température ou les champs électromagnétiques.

Bruit, Compatibilité électromagnétique, Dissipation thermique, Influence des rayonnements cosmiques

Comme tout dispositif, un circuit électronique interagit avec son environnement immédiat, il peut ainsi soit générer des nuisances, soit voir son fonctionnement perturbé par un environnement bruyant. Ces interactions, quand elles sont estimées nuisibles à la fonction recherchée, doivent être minimisées. L'électronicien doit composer avec des paramètres qui évoluent fréquemment négativement au fil des avancées technologiques : la miniaturisation et l'intégration des composants et des dispositifs (qui les rend fréquemment plus sensibles aux perturbations), l'augmentation des fréquences de fonctionnement, la généralisation des dispositifs radioélectriques (qui ont pour effet d'augmenter globalement le niveau des champs perturbateurs).

La obligation de maintenir la température des composants à des valeurs compatibles de la plage d'utilisation pour laquelle ils ont été conçus rend le problème du traitement de leur dissipation thermique un point inévitable et quelquefois délicat (cas surtout des composants de type processeurs, pour lesquels les systèmes thermiques associés font l'objet d'études spécifiques).

La taille des cellules élémentaires des composants électroniques les rend aussi quelquefois sensibles aux particules du rayonnement cosmique. L'étude de cette sensibilité et des moyens à mettre en œuvre pour garantir le bon fonctionnement du dispositif complet, surtout dans le cas de fonctions estimées critiques, est intégrée dans les activités du concepteur électronicien.

Méthodes de conception

L'électronique moderne est basée exclusivement sur un certain nombre d'outils logiciels de conception : on parle de Conception Assistée par Ordinateur. Il inclut la saisie de schémas, le placement/routage, la modélisation. La conception de circuits intégrés complexes comprend des étapes intermédiaires, telles que la synthèse logique ou l'analyse des délais. Les composants électroniques programmables (microprocesseur, FPGA, DSP) déplacent davantage toujours la conception dans le domaine informatique : ils apportent la flexibilité et la baisse des coûts.

Méthodes de fabrication

La fabrication de circuits électroniques s'est extrêmement diversifiée depuis les années 1980. Tandis que la fabrication de prototypes peut toujours se faire de manière artisanale, la production de grande à particulièrement grande série dans des usines de plus en plus complexes et coûteuses, permet d'obtenir une technologie encore plus performante à des prix raisonnables. Tandis que l'industrie de la micro-électronique demande des investissements de plus en plus importants pour suivre les évolutions technologiques, les industries de technologie standard sur circuit imprimé cherchent à perfectionner leur rendement (robots de fabrication/assemblage/test , GPAO, délocalisations).

Méthodes de test

Le test d'un circuit électronique est une étape importante, car il s'agit fréquemment de dispositifs complexes dont on peut garantir la fiabilité et les performances, même après de nombreuses simulations. On peut distinguer les tests unitaires, pour la mise au point de prototypes, et les tests en série, plus ou moins automatisés, conçus pour repérer les défauts de fabrication et/ou d'assemblage. De nombreux outils existent pour favoriser cette étape importante : appareillage de mesure (multimètre, oscilloscope, analyseur de fréquence, etc. ), standards pour la mesure automatisée (JTAG, GPIB), dispositifs automatisés (planche à clous, testeur à sonde mobile, banc de test spécifique).

Électronique et développement durable

L'industrie électronique est une industrie qui, comme les autres, produit une quantité importante de déchets. Il existe une directive européenne sur les déchets électroniques.

D'autre part, l'électronique entre dans une bonne part des équipements informatiques (ordinateurs, réseaux).

Actuellement, les efforts des industriels se portent de plus en plus sur la réduction de la consommation des appareils électriques. Ces derniers nécessitent fréquemment un temps de démarrage ou d'initialisation important (en particulier vrai pour les ordinateurs), ce qui encourage les utilisateurs à les laisser allumés en permanence, d'où un gaspillage important d'énergie. Des solutions commencent à voir le jour. Une conception "intelligente" sert à détecter l'inactivité de l'appareil et de le désactiver pour diminuer sa consommation (on parle alors de mode "veille"). Pour assurer un confort d'utilisation, il est important que l'appareil puisse sortir rapidement du mode de veille et redevenir opérationnel.

Les enjeux de consommation électrique sont spécifiquement mis en valeur par :

• la multiplication du nombre d'appareils électriques équipant chaque foyer,
• la présence dans les salons d'appareils multi-usages (une console de jeux sert à jouer sur sa télévision, de naviguer sur Internet, de regarder des DVD, etc) ce qui incite à les laisser constamment allumés,
• la fragilité des réseaux de distribution d'électricité (blackout aux Etats-Unis ou coupures d'électricité régulières en région PACA)
• la prise de conscience du réchauffement climatique mondial. Ainsi, chaque économie d'énergie est ramenée à un équivalent de tonnes de CO2 virtuellement non rejetées dans l'atmosphère.

Les appareils électroniques étant des biens de consommation à faible durée de vie, ils sont renouvelés de plus en plus régulièrement. Les améliorations apportées par les fabricants trouvent par conséquent une application rapide. Face à des produits électroniques concurrents aux fonctionnalités identiques, la consommation électrique réduite d'un appareil peut devenir un argument commercial de vente. Le "greenwashing" ou Écoblanchiment est une pratique qui consiste à inonder le consommateur d'arguments environnementaux pas forcément justifiés et qui lui font perdre ses repères.

La distributeurs de composants électroniques proposent désormais des composants sans plomb, répondant aux normes "RoHS".

Références

Voir aussi

• Électronique numérique

  Automate DSP Fonction logique, TTL, CMOS Microcontrôleur Microprocesseur Ordinateur

  Réseau informatique Réseaux logiques programmables Semi-conducteur Table de Karnaugh Télécommunication Transistor

• Optronique
  • Opto-électronique
  • Diode électroluminescente
  • Fibre optique
  • Laser

• Métiers de l'électronique
  • Bep des métiers de l'électronique
  • Électronicien
  • Ingénieur en électronique
  • Technicien de bureau d'études en électronique
  • Technicien en fabrication électronique
  • Technicien supérieur d'applications en électronique

• Outillage de base
  • Alimentation réglable
  • Fer à souder
  • Jeux de pinces
  • Jeux de tournevis
  • Multimètre

• Outillage évolué

  Analyseur logique, Émulateur Échomètre Générateur de basses fréquences Logiciel de synthèse logique

  Oscilloscope Programmateur logique Simulateur logique Testeur de composant

• Divers

  Alimentation Algèbre de Boole Codes DTMF Connectique Électricité Électrocinétique

  Électrotechnique Fonction logique Micro-électronique Protection Symboles électroniques Dispositifs embarqués

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