1 conception de circuits

8/18/2019 1 CONCEPTION DE CIRCUITS

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CONCEPTION DE CIRCUITS

I. INTRODUCTION

Concevoir un circuit, c'est réaliser un ensemble bien précis (conforme au cahier des charges) à l'aided'éléments peu précis (que sont les composants électroniques en général, avec leurs tolérances et leursdérives). C'est évidemment un art mais pour un travail, tout ingénieur devra essayer de suivre certainesrègles élémentaires, la plupart tirées du simple bon sens.

e développement de l'électronique fait que de nos !ours, de multiples options se présentent auconcepteur, selon la nature du problème posé et selon que le dispositif à réaliser soit du type "analogique"(principalement à base d'amplificateurs) ou "logique" (nécessitant des opérations du type mathématique).

#l faut dire aussi que la frontière entre ces deu$ situations n'est pas tou!ours nette car on pourra tou!ourseffectuer des opérations avec des systèmes analogiques ou amplifier et traiter des signau$ avec dessystèmes logiques.

%ans tous les cas, c'est encore l'e$périence et le bon sens qui vous guideront.&our un système à base de circuits logiques, se pose encore un problème de choi$ logique c blée,

logique programmée (microprocesseur ou &*+), mini ou micro ordinateur ou encore circuits pré diffusés(+-#C par e$emple).

'organigramme de la figure établi dans la littérature / 0, tou!ours discutable, permet de guider ceschoi$

│ │ │ │

igure

e tableau 1 ° ci après indique les caractéristiques principales pour chacun des choi$ précédents

&etit nombred'unités2

+lgorithmescom le$es2

*rand nombre2

ogiquec blée

3iniordinateur

circuit intégréà la demande

3icroprocesseur

Oui

OuiOui

Non

NonNon


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4ableau 1 ° Comparaison des différentes techniques

Logique câblée

Mini ordinateur

circuits à la demande

micro processeur

Conception comple$e très simple très comple$e

simple

Possibilitésd'évolution

comple$e e$cellentes nulle e$cellentes

Prix cher faible très cher moyen

Performances hautes moyennes moyennes moyennes

Facilités demise en œuvre

non bonnes bonnes bonnes

éduction detaille

faible non bonne e$cellente

4outes ces considérations vous permettront normalement d'5tre fi$és sur la démarche à suivre. #l y alieu aussi, pour l'#ngénieur de l'6ntreprise, à tenir compte des habitudes et du savoir faire spécifique à sonentreprise mais tout ceci nous mène trop loin car en ce qui nous concerne, il nous suffira d'apprendre lesprincipes générau$ de l'analyse et de la synthèse d'un schéma. e reste viendra pour vous en son temps.

II. LE CAHIER DES CHARGES

a conception d'un produit quelconque (en électronique ou dans tout autre domaine) débutetou!ours par l'établissement d'un "cahier des charges". C'est une t che très importante dont dépendratoute la réussite de ce produit.

Ce document, qui, entre autres,énumère toutes les caractéristiques duproduit devra 5tre d'une e$tr5me rigueur defa7on à éviter une quelconque interprétationsub!ective.

4oute l'importance de cette phase dans

la création d'un produit apparait dans lediagramme de la figure 8 qui indique lepourcentage du co9t total d'un produit dansles différents secteurs d'une entreprise

igure 8%iagramme des co9ts


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%ans ce cours, nous allons tenter de résumer une technique pour établir un cahier des charges.

1 °°°° ) Création d'un produit:

:n produit (pour nous, c'est habituellement un appareil électronique de mesure, de régulation ou decommande) se décompose en général de la fa7on illustrée par la figure ;. a figure < quant à elle, montreles étapes nécessaires pour la création d'un produit industriel.

igure ; igure <

#l est important de tou!ours se rappeler que la phase d'étude et de définition du produit est engénéral responsable des trois quarts du pri$ d'un produit =

+&&+>6# &>?%:#4

-@-4636

61-63A 6B3?%: 6

6 &>6--#?1 %: A6-?#1

>6CD6>CD6 %6- -? :4#?1-

CD?# %6- -? :4#?1-

C?3&?-+14

64:%6 %'#1%:-4>#+ #-+4#?1

&>?%:C4#?1

C?336>C#+ #-+4#?1

64:%6 64 E6># #C+4#?1%6- -? :4#?1-


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4

°°°° ) Co!t d'un produit:

:n célèbre économiste #talien (&+>64?) avait démontré, concernant les fonctions d'un produit,que 8FG des éléments représentent généralement HFG du co9t final (voir figure I). Cette loi dite aussi loide HFB8F) pourra 5tre utilisée pour estimer le co9t des fonctions.

8F FF en Gigure I

oi de &arèto

#l faut donc éviter d'avoir des dépassements de co9ts consécutifs à des modifications qui pourraient 5tre

imposées postérieurement à la phase d'études.

" °°°° ) Con#titution d'un $a%i&r d $%ar :

%'abord, il faudra rappeler qu'un cahier des charges, m5me proposé à l'industriel par le clientdemandeur, devra tou!ours 5tre approuvé par le maitre d'oeuvre pour pouvoir déceler toute failleéventuelle (impossibilité technique, de délais, de précision, etc...). 'approbation par le maitre d'oeuvre faitdonc intervenir, en plus du promoteur, les services du bureau d'études et les services commerciau$ del'entreprise.

Co9tCumulé

(G)

FF

HF

1ombre de fonctions


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a figure J montre comment on pourrait aboutir à une description fonctionnelle précise

igure J%iagramme de flu$ pour l'établissement

d'un cahier des charges

#l faut bien noter que la conception d'un produit ne sera pas la m5me selon qu'il soit destiné à durerlongtemps ou non, selon qu'on puisse l'entretenir ou pas, etc... es courbes de la figure K qui indiquent enfonction du 34A les évolutions du co9t final d'un produit par rapport au$ co9ts de sa maintenance et deson pri$ d'achat montrent qu'un optimum e$iste et qu'il faudrait le rechercher.

>édaction du cahier des

charges

-pécificationsfonctionnelles

• &ri$ • %élais • %escription générale • 1ormalisation • #nterface

homme machine • %escription détaillée

des fonctions • Conditions spéciales

de fonctionnement • imites de

fonctionnement • 6$igences

fonctionnelles • %éfinition des

contraintes imposées • %éfinition des

conditionsd'e$ploitation

• Condition d'évolution • iabilité • 3aintenabilité

• -upport administratifet organisation

• +mortissement desdépenses

• >entabilité• &ri$ et délais• +nalyse des tendances • 6rgonomie• 6sthétique• ongévité• +nalyse de

l'évolutiondes marchés

• -écurité• >elation avec les

autres pro!ets │ • Concurrence• #mage de marque

de la firme


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Co9ts│ Co9t final│ │ &ri$ d'achat│ │ │ │ │ │ = Co9t de la│ = maintenance│ =┼───────────────────────────────────────────────────

-olution 34A

optimale

igure K#ncidences sur le co9t final

d'un produit

( °°°° ) Con$ u#ion:

6n ce qui nous concerne (dans ce cours dLinitiation), le cahier des charges ne sera !amais très détailléet ne renfermera que des données fondamentales. #l faudra alors rechercher les techniques conduisant au

meilleur rapport fonctionsBco9t. 3ais c'est aussi une situation qui pourrait aussi se produire dansl'industrie lors des appels d'offres.

Note : Ce paragraphe a été rédigé d'après un article de E. SIMOES paru dans "Electronique Applications"N

° ! date ou#liée$


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III. ANAL*SE D'UN SCHE+A

'analyse d'un schéma consiste à comprendre son fonctionnement.e grand principe de l'analyse consiste à décomposer ce schéma selon un certain nombre d'étages

c'est son synoptique.C'est le travail le plus difficile, qui devra faire appel à vos connaissances (qui, évidemment, devront

5tre suffisantes) et à votre e$périence.?n effectue ensuite une analyse statique pour estimer les tensions et courants de repos puis on

termine par une analyse dynamique pour obtenir éventuellement des chronogrammes au$ points critiques du montage.

I,. S*NTHESE D'UN SCHE+A

#l s'agit de déterminer un schéma en suivant scrupuleusement les indications énumérées dans lecahier des charges.>appelons, ainsi qu'on l'a vu, que les indications du cahier des charges portent sur les valeurs des

signau$ d'entrée et de sortie (tensions, courants, puissance, fréquences,...), la source d'énergie (piles ousecteur par e$emple), la fiabilité, le pri$ de revient, etc...

a procédure générale pour synthétiser un schéma est la suivante

1 °°°° ) E a-oration d'un # nopti/u&:

C'est sans doute le point le plus crucial. 6n utilisant la normalisation des symboles, on établit leschéma synoptique de l'ensemble envisagé. C'est l'e$périence et les connaissances personnelles qui vont

!ouer le rMle principal à cette étape.

°°°° ) S$%é0a# parti& #:

Chaque partie du schéma synoptique, qui constitue un étage de l'appareil, devra faire l'ob!et d'uneétude détaillée. 'étage devra 5tre assimilé à un quadripMle avec des caractéristiques parfaitementdéfinies (gains et impédances) afin qu'il puisse 5tre adapté avec les autres étages.

" °°°° ) Etud& #tati/u&:

#l faut alimenter chaque étage et définir d'une manière optimale les points de repos, en tenant

compte des économies d'énergie et de matériel.

( °°°° ) Etud& d na0i/u&:

&our chaque étage, il faut définir les éléments susceptibles de remplir les fonctions envisagées. #lfaut aussi définir les éléments de liaison inter étages.


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8

°°°° ) Etud $o0p é0&ntair:

Ces études concernent la chaine de réaction éventuelle, l'ad!onction de certains éléments deréglages, etc... 6lles concernent aussi l'étude du courant total absorbé et de ses variations.

,. CHOI2 DES CO+POSANTS

e choi$ des composants pour un montage donné repose principalement sur vos connaissances entechnologie des composants et dans l'électronique des circuits.

!l ne faut pas oublier qu'à l'"eure actuelle# un tr$s grand nombre de fonctions# parfois tr$scomplexes# sont réalisées par des circuits intégrés . #l n'y a normalement aucun avantage à essayer deles fabriquer avec des éléments discrets.

1 °°°° ) L tran#i#tor#:

a quasi totalité des transistors actuels sont au -ilicium. #l faut savoir que pour la ma!orité desapplications élémentaires, tous les transistors sont pratiquement inter changeables dans un montageclassique du type de la figure H par e$emple, mettre le 818888, le AC K , le NN; , le ?-- H, le

OON etc... (pour peu que ces derniers soient 1&1) ne changera absolument rien du tout aufonctionnement du montage.

%ans ce montage lLappui sur - éteint la 6% (puisque 4

serait normalement saturé, ce qui bloque 48).Comme la ma!orité des transistors de petite puissancepossèdent un PQ


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°°°° ) L $o0po#ant# pa##i3#:

Eoir les détails dans votre cours de 4echnologie des Composants. 1ous ne pouvons présenter iciqu'un bref résumé.

a% Les résistances& >appelons d'abord que les valeurs normalisées des résistances sont données selon les séries de

>enard. a série la plus courante est la série 68< (tolérance IG) (6


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b% Les selfs&

-auf pour quelques cas particuliers, la nature des bobinages ainsi que leurs usages font qu'il n'y apas de selfs standards.

&our chaque cas, il faudra réaliser la self convenable. 1ous avons dé!à vu quelques méthodes deréalisation de bobines.

c% Les condensateurs& Au &ica

Ealeurs de 8 p à 88F n , fréquences !usqu'à 8FF 3DT et plus.

En céra&ique (stéatite, divers titanates)Céra&ique groupe I

e coefficient de température défini et de J à 88F donnent des capacités stables, précises et de

haute qualité.

Céra&ique groupe II (titanate de Aaryum et de -trontium)Coefficient de température non défini (e de FFF à FFFF). eur grande permittivité crée une

pression électrostatique qui peut fendre leur diélectrique surtout en régime impulsionnel utilisationpour découplage, liaison, accord.

Au papier


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%'aprés la fonction+iaison /0 3ica, film plastique, céramique

écouplage /0 &apier, film plastique, céramique ##+iaison 10 &apier, film plastique, 6lectrolytique tantale

écouplage 10 &apier, chimique0iltrage) réception ilm plastique, papier D4, chimiques

Antiparasitage) cos ϕ 4antale, papier D2/2 ilm plastique, papier D4, céramiqueI&pulsions &olystyrène

%'aprés la fréquence3apier nor&al au dessus de 3DT3apier &étallisé FF 3DT

0il& plastique erre) &ica$ F *DTCéra&ique I 3DT à I *DTCéra&ique II 3DT à *DTChi&iques au dessous de F VDT


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FIABILITE DES SYSTEMES ELECTRONIQUES

I. INTRODUCTION

Les premières études sur la fiabilité en électronique datent des années de la dernièreguerre mondiale. Elles avaient été effectuées pour améliorer le comportement deséquipements militaires de communication et de navigation. Elles se sont ensuite étendues auxéquipements civils (avions, santé,...) puis affinées.

Ce cours se propose de vous présenter les premiers é léments qui vous permettront dedéterminer la fiabilité d'un s stème élec!tronique. "l ne nous sera pas possible, limités que

nous sommes par d'autres préoccupations, de nous étendre trop longtemps sur ce su#et et derentrer dans trop de détails. Ceux qui sont intéressés par ce vaste domaine devront serapporter en particulier aux quel!ques ouvrages cités dans la bibliograp$ie.

%n peut définir la fiabilité &(t) d'un produit (reliability en anglais) comme étant laprobabilité pour qu'il fonctionne avec des performances acceptables pendant une duréedonnée dans des conditions d'emploi données

Nbre d'éléments restant en survieNbre total d'éléments

s N (t)R(t)= N

Exemplen appareil contient ** pièces. +u bout de ** $eures de fonctionnement, - une température

de /C et sans vibrations, il reste 0 * pièces en fonctionnement.

Sa fiabilité est donc R(t)= 450/500=90% sous les conditions d'emploi précédentes

Cette notion de fiabilité est essentielle dans toute l'industrie moderne. "l faut aussi larapproc$er de la 1garantie1 offerte par les constructeurs pour toute sorte de produits voitures,réfrigérateurs, postes 23, etc.... 4ans de tels cas, le fabriquant aura con5u les organes de son

produit pour que la probabilité d'une panne durant la période de garantie soit la plus faiblepossible car il est dans l'obligation de remplacer gratuitement l'organe défectueux. (6ienentendu, le prix de la garantie est inclus dans le prix de vente et c'est tou#ours, pour ne pasc$anger, le client qui pa e mais ceci est une autre $istoire). 7i la période de garantie est pluslongue, le prix de vente du produit sera plus important car le constructeur sait que le vieillisse!ment augmente le risque de panne. "l exige alors que des périodes de révision régulières soientinstituées pour déceler - l'avance des signes de défaillance (maintenance préventive).L'inconvénient est que la révision d'une mac$ine implique son immobilisation, ce qui n'est#amais sou$aitable car cela revient très c$er. "l a donc tou#ours un compromis - réaliser entrefiabilité et périodes de révision.


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II. RAPPELS ET DEFINITIONSL'étude de la fiabilité fait souvent appel aux statistiques et aux probabilités. 8ous n'allons

pas du tout développer ce su#et mais tout #uste effectuer les quelques rappels qui nous serontutiles.

1°) DISTRIBUTION DE PROBABILITÉS D'UN ÉVÉNEMENT:

+ppelons p la probabilité d'arrivée d'un événement E. En effectuant n essais, la probabilitéd'observer r fois l'événement est donnée par

r n-r n! p(r)= p (1-p)r!(n-1)!

La distribution ainsi décrite est dite binomiale car cette expression renferme une série determes du t pe pr. Elle est valable - condition qu'il n' ait pas de corrélation entre les essais (lesessais sont donc indépendants).

9our utiliser la formule précédente, il faut tou#ours connaitre le nombre d'essais n ainsi quela probabilité p de l'événement, ce qui n'est pas tou#ours le cas. "l arrive souvent qu'on neconnaisse que le produit m:np. %n montre alors que

r -mm p(r)= e

r!

4ans ce cas, la distribution de probabilité est dite distribution de 9oisson. Cette distributionest en fait une approximation de la distribution binomiale. L'erreur commise est presqueinsignifiante lorsque n;? pour une #ournée de fonctionnement. @uelle est laprobabilité pour que, utilisé pendant un mois ( * #ours), il tombe en panne deux #oursA

&éponse

Bvidemment, la probabilité de panne est p: !*,>?:*,*


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(t)Z(t)=

(t)

f

R f(t)=

dR

dt

Z(t)dt=dR

R

∞∞

= − =∫ ∫00

( ) ( )I Z u du LnR t

ne fonction importante s'obtient - partir de (t) c'est la probabilité du nombre de piècesdéfaillantes pendant une durée Ft

C'est donc au signe prés, la dérivée de &(t).

3°) TAUX DE DÉFAILLANCESZ T)C'est la probabilité de panne pendant une période Ft . +vec , on aura

ce qu'on écrit

dGoH &(t):expI (!J(u)du)K

L'intégrale " s'appelle 1&isques cumulés1 (cumulati!es "a#ards ).

La figure représente la fonction J(t) %n l'appelle courbe en baignoire, au vu de sonapparence. %n distingue trois ones

J(t)

tempsigure

3ariations du taux de défaillances

! ne première dans laquelle le taux élevé de défaillances s'explique par la #eunesse du produitnouveaux composants, nouvelles tec$niques de fabrications,....

! ne seconde one correspond - la durée de fonctionnement normale du produit le taux estfaible et relativement constant.

! ne troisième et dernière one dans laquelle le taux de défaillances croit (c'est l'usure duproduit due - la vieillesse).2outes ces périodes sont plus ou moins longues, selon la nature du produit.

∆ ∆

∆ ∆

F(t) R(t- t)-R(t) dR(t)f(t)= = =-

t t dt

I IIIII


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La norme 7 O"L!R46S!< D6 donne le taux de défaillances des composants pour t pesd'environnement (du plus calme au missile).

Les composants sont classés par t pe! Composants passifs (résistances, selfs,...)! 4iodes, transistors,...! Circuits intégrés

! Connexions (soudure, Prapping,...)! Connecteurs! +utres

Le taux de défaillances est déterminé suivant le t pe de composant, les contraintes d'emploi(température, lieu d'utilisation, etc...). "l est donné généralement sous la forme

l:l [email protected]

Le nombre de facteurs dépend du t pe de composant! l6 est le taux de base, qui dépend de la température.! pE est le facteur d'environnement.! p+ caractérise la tolérance du composant.! p@ dépend des tests du fabriquant, de l'encapsulation, ...! pe dépend de la puissance de l'élément.etc...

Le tableau 8/ < ci!dessous donne par exemple quelques taux de défaillances pour dess stèmes électroniques embarqués (avionique) prévus pour un fonctionnement dans uneambiance - ?*/C.

2ableau 8/ < 3aleurs de quelques taux de défaillances

C%O9%7+82 2+ W 4E 4E +"LL+8CE7( *! $! )

&ésistanceCondensateur céramique4iode signal2ransistor petit signal+mplificateur opérationnelCircuit logique&elais

ne soudureConnecteur > broc$es

*, *, ? *,* *,*

,> - 0 0,

*,*< *,


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pb:cl.pt.pv.pe(c'Uc1) avec icicl dépend du nombre de circuits logiquespt dépend de la température de fonctionnementpv dépend de la tension de fonctionnementc' dépend de la complexité du composantc1 dépend du nombre d'interconnexions vers l'extérieur et du t pe de boitier

Le tableau 8/ ci!après présente - titre d'exemple l'anal se des défauts trouvés dans un lot decircuits intégrés L7" après une certaine durée de fonctionnement (d'après Xu. %3ECRS"8)

2ableau 8/ 4éfauts dans des circuits intégrés

Cause de la panne Contribution - la panne

(Y)

MY *! $!

4éfaut dans les conducteurset les liaisons4éfaut de métallisationEffet de surface4éfaut de masquage4éfaut d'assemblage+utres défauts

2otal

< D ? *

**

*,>D* *,D *,


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a) 9remier exemple

n récepteur radio contient les composants suivants

2 pe @uantité 2aux de défaillances(en Y par *** $)

2ransistors4iodesCircuits intégrés&ésistancesCondensateurs

<<

<0

*,*,**?*,*<

*,***,**

@uelle est sa fiabilitéA

&éponse

Le taux de défaillances de ce récepteur sera simplementM:( ?

b) 7econd exemple

@uelle est la fiabilité du s stème dont le sc$éma s noptique est donné par la figure <ci!dessous

&:e !M t &


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3°) E#$%& $(

a) 9remier exemple

7oit un s stème électronique en cours d'étude dans lequel on a calculé un taux dedéfaillances de *,*** (soit un O26 de * et **Y

"l arrive encore que >*Y de probabilité de bon fonctionnement soit #ugé insuffisante mais on

ne peut pas rapproc$er les périodes de révision (car il ne faut pas oublier qu'une révision estd'un co[t élevé frais divers, immobilisation de l'équipement, etc...). "l faudra alors intégrer aus stème un auto!test qui, - c$aque mise sous tension, détecte les anomalies de fonctionnementde l'appareil et on suppose pour simplifier que cet auto!test est capable de tester l'ensemble del'appareil, ce qui serait l'équivalent d'une révision automatique.

7i le nouvel ensemble (appareil U auto!test) a un taux de défaillances de *,*** (le taux aaugmenté - cause des circuits supplémentaires de l'auto!test) et si le s stème est supposéfonctionner en mo enne $eures par #our dans une salle d'opération (donc une mise soustension toutes les $eures en mo enne), quelle serait la probabilité de bon fonctionnement laplus faible pendant l'opération A


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perte mo enne: *,*?.p(déclenc$ement intempestif). *

"l faut alors anal ser diverses combinaisons comme celles de la figure ci!dessous (il en a* au total)

igure

D1 D1

D1D1

D1

D1

D1

D2

D2

D2

D2 D2

D2

D2 D3 D3

D3

D3

D3

D3

D3

D4

D4

D1 D2 D3

D4D4

D4D4

D4

D4

D1 D2 D3

D4

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

(g) (h)

(i)

D1 D2 D3

D4

( )


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Les calculs conduisent alors - c$oisir l'association parallèle série (d) pour laquelle laprobabilité de détection de l'incendie vaut *,>> et la probabilité de fausse alarme *,** , cequi conduit au total global de ?>*, 4+.

BIBLIO RAP"IE:.CHAPOUILLE P.,de PAZZIS R. , iabilité des s stèmes, Oasson.

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EXERCICES

EXERCICE %

Le laboratoire de 22C possède un stoc] d'oscilloscopes de t pes et de fabricants différents oscilloscopes de marque 2.. de fiabilité *,>?

< oscilloscopes de marque O.. de fiabilité *,>

> oscilloscopes de marque R.. de fiabilité *,?@uelle est la probabilité de tirer le #our de 29 un oscilloscope en panne dans ce lotA&ep *,* <

EXERCICE &

n fabriquant teste sous certaines conditions un lot de transistors #usqu'- observer leursdéfaillances. Les durées de test relevées sont en $eures **, D0*,


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EXERCICE (9our une température de #onction de >?. @uelle est la fiabilité de l'appareil ainsi alimentéAEssa e de concevoir un circuit pour assurer une redondance de cette alimentation. @uelle estla nouvelle valeur de la fiabilité de l'appareilA

1 conception de circuits

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