Les fabricants de circuits intégrés analogiques s'accordent depuis longtemps à dire que la conception analogique relève, à bien des égards, tout autant de l'art que de la science. Très rapidement, des entreprises comme Burr-Brown ou National Semiconductor (aujourd'hui toutes deux rattachées à Texas Instruments) ont commencé à rédiger des manuels, devenus célèbres, ainsi que des collections complètes de notes d'application afin d'aider les ingénieurs à mieux comprendre et appliquer leurs produits. Cela a été l'avènement des outils de conception.
Le temps (tout comme la technologie) n'attend personne. Ces vieux manuels sont d’une aide précieuse, au point qu'ils ont été mis à jour et qu'ils sont désormais disponibles en téléchargement. Mais aujourd'hui, à quelques rares exceptions près, les grands fabricants d'appareils analogiques et de dispositifs à signal mixte développent également des microcontrôleurs. Il n'est donc pas étonnant que leurs éditeurs, compilateurs et débogueurs soient adossés à toute une gamme d'outils de conception analogiques basés sur des logiciels.
Le marché regorge depuis longtemps d'outils de conception logiciels simples destinés à des applications analogiques. Tout d'abord proposés sous la forme de simples ensembles d'équations chargeables dans des feuilles de calcul, ils ont ensuite évolué en programmes sur disquettes ou CD. L'avènement d'Internet a ouvert la voie à du code téléchargeable pouvant être régulièrement mis à jour.
Rappelons qu'il n'est ici question que d'outils destinés à aider les ingénieurs à concevoir des appareils à circuits intégrés analogiques. Les fabricants de semiconducteurs eux-mêmes disposent de suites complètes d'outils qu'ils utilisent pour concevoir, valider et tester leurs puces, mais cette question ne sera pas abordée dans la présente discussion.
L'état actuel de la technologie
Ces tout premiers programmes couvraient essentiellement les appareils à fonction unique, tels que les amplificateurs opérationnels. Mais les conceptions analogiques tendent à évoluer vers une « approche sous-systémique » dans laquelle les composants jusqu'ici isolés sont aujourd'hui intégrés dans un même appareil. Par ailleurs, les appareils disponibles se sont considérablement multipliés ; chaque problème de conception spécifique peut maintenant être potentiellement résolu d'une dizaine de façons différentes. Cette tendance a abouti à l'émergence d'outils de conception en ligne, comprenant des outils de sélection de produits visant à aider l'utilisateur à la fois à concevoir le circuit et à choisir le meilleur appareil disponible.
Mais le changement le plus récent penche vers une approche du « système spécialisé » hautement interactif. L'outil de conception, qui spécifie au préalable les paramètres d'application essentiels, ne se contente plus de suggérer le meilleur appareil, mais permet véritablement à l'utilisateur d'adapter la conception en modulant certains facteurs tels que le coût de la nomenclature ou l'encombrement de la carte à circuit imprimé.
Figure 1 : exemple d'outil de conception basé sur l'approche d'un « système spécialisé », WEBENCH Power Designer de Texas Instruments. (Source : Texas Instruments)
Quels sont les avantages offerts par cette nouvelle approche ? Contrairement aux anciens outils de conception qui utilisaient des formules de manuels pour calculer les valeurs de composants externes, les outils modernes exploitent leur moteur de recherche par paramètres pour sélectionner les dispositifs appropriés, avant d'ajouter des paramètres spécifiques aux algorithmes de conception sous la forme de données d'entrée.
Pour un circuit amplificateur de réaction de tension, par exemple, la conception bénéficie, en plus du produit gain-bande standard, de l'inclusion de paramètres d'amplificateur opérationnel, tels que la vitesse de balayage, la capacité d'entrée parasite ou les fréquences de bruit et de bruit de scintillation. Il est également possible d'introduire des effets plus subtils, tels que les problèmes liés aux circuits de charge et à leur interaction avec la réponse en fréquence de l'amplificateur.
Après la conception d'un bloc-circuit, la plupart des nouveaux outils de conception sont capables d'incorporer ce bloc-circuit dans une plate-forme de simulation plus générique afin de permettre aux concepteurs de regrouper plusieurs blocs, d'ajouter les autres composants requis ou d'effectuer des simulations thermiques, avec également, s'ils le souhaitent, la possibilité de télécharger leur circuit ou schéma de montage directement dans un programme de CAO.
Exemples d'outils de conception analogiques
WEBENCH – Dans le cadre de sa plate-forme WEBENCH, Texas Instruments propose tout un ensemble d'outils de conception analogiques, parmi lesquels des outils destinés aux concepteurs de blocs d'alimentation, de FPGA, de DEL, d'amplificateurs, d'AFE médicaux, etc. Ces outils sont sensibles aux exigences des situations réelles. Par exemple, les outils de capteur optimisent les performances des circuits de signaux, les nomenclatures, les coûts budgétaires et les liaisons vers les cartes d'évaluation et autres outils utilisés pour tester et valider une solution simulée.
LTspice – Développée par Linear Technology, la solution LTspice version IV combine un simulateur SPICE hautes performances à un outil de saisie de schémas et de visualisation des formes d'onde, et offre des améliorations et des modèles destinés à simplifier la simulation de régulateurs de commutation. L'application Windows téléchargeable comprend des modèles de macros couvrant non seulement des centaines d'amplificateurs opérationnels et de régulateurs de commutation de LT, mais également des résistances, des transistors et des modèles MOSFET.
Filter Wizard – La solution Filter Wizard d'Analog Devices vous permet de concevoir des filtres passe-bas, passe-haut et passe-bande. Il suffit au concepteur de saisir les paramètres clés (fréquence et gain de la bande passante et de la bande atténue, temps de réponse du filtre), après quoi le programme sélectionnera une topologie, générera un schéma et l'aidera à choisir le meilleur composant ADI.
Figure 2 : capture d'écran de Filter Wizard (Source : Analog Devices)
Analog Devices propose également une suite complète d'outils de conception en marge de son vaste portefeuille de solutions RF. ADIsimRF, par exemple, est un calculateur de chaîne de signaux RF qui permet de calculer certains paramètres système, tels que le gain en cascade, le facteur de bruit, les points IP3 et P1dB ainsi que la consommation électrique totale. Le nombre d'étages peut varier jusqu'à 15. L'outil de conception ADIsimRF intègre des données de nombreux circuits intégrés RF et convertisseurs de données d'ADI, auxquels les concepteurs peuvent facilement accéder à l'aide de simples menus déroulants afin de simplifier le processus de sélection de composants.
iSim – La solution iSim d'Intersil est un outil de conception Web interactif qui permet de sélectionner et de simuler des dispositifs du portefeuille d'Intersil. Les utilisateurs peuvent suivre une procédure de conception similaire à celle employée dans d'autres outils :
1) Sélection des spécifications d'entrée et de sortie
2) iSim recherche les dispositifs Intersil adéquats et détermine les composants les plus appropriés
3) La conception s'affiche dans un schéma en ligne afin de tester l'application
4) Une fois la conception vérifiée, iSim génère une nomenclature et un rapport de conception
Dans sa version actuelle, l'outil iSim est limité uniquement aux dispositifs de gestion d'alimentation et amplificateurs opérationnels d'Intersil.
Mindi – Cet outil de conception interactif développé par Microchip s'adresse aux concepteurs qui mettent au point des filtres actifs, des amplificateurs, des chargeurs de batterie, des convertisseurs CC-CC ou des dispositifs de puissance numérique. Le module chargeur de batterie, par exemple, simplifie la conception de convertisseurs de puissance bidirectionnels ou de chargeurs de batterie à plusieurs composants chimiques reposant sur l'utilisation de batteries Li-Ion, NiMH ou NiCd. Une fois les paramètres de base sélectionnés, le système génère un schéma interactif. Les utilisateurs ont la possibilité de modifier chaque composant, d'effectuer des simulations, de visualiser les performances du circuit sous la forme d'un diagramme de Bode, ou encore d'imprimer le schéma. L'outil d'amplification prend en charge une grande diversité de circuits d'amplificateur opérationnel courants : amplificateurs inverseurs et non inverseurs, amplificateurs différentiels, intégrateurs et différenciateurs. Il offre des fonctionnalités similaires, notamment des analyses de transitoires.
Power Supply WebDesigner (PSW) – L'outil PSW (Power Supply WebDesigner) de Fairchild permet de concevoir et simuler un variateur à transfert en retour primaire (PSR) ou secondaire (SSR). Comme les autres outils, il génère un schéma, simule la vérification et produit une nomenclature. L'outil PSW vous permet cependant de sélectionner automatiquement dans votre nomenclature les composants du catalogue du distributeur de votre choix. Fairchild propose des outils de conception similaires pour d'autres applications d'alimentation, notamment des topologies buck-boost, des conceptions isolées et non isolées, des convertisseurs CC-CC et des circuits de correction de facteur de puissance.
Outils de conception d'Arrow
Nous proposons sur notre site Internet une large sélection d'outils de conception numériques. En revanche, la quasi-totalité des outils analogiques présentés ci-dessus sont disponibles sur simple demande depuis les sites des fabricants. Pour ce qui est des composants de nomenclature, c'est une tout autre affaire...