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 Cet article de science fait partie de la série physique |
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Les informations données dans cet article visent à décrire l'électronique comme une branche de connaissance. Nous nous attachons à donner des renseignements sur l'état actuel de l'électronique. Cette façon d'introduire l'électronique est, certes, critiquable. En partie, toute objection pourrait être renvoyée à l'étendue du champs sémantique assocé à ce vocable dans le language courant. Cependant, nous ne nous intéressons qu'à l'électronique en tant qu'une discipline scientifique, et nous nous attacherons à fournir une description selon le schéma suivant : objet d'étude - structure de connaissance - méthodes.
L'électronique est une science technique ou science pour l'ingénieur, qui étudie et conçoit les structures effectuant un traitement de l'information représentée par des signaux électriques, i. e. courant électrique ou tension électrique.
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 système global.
La discipline s'intéressant au traitement des signaux analogiques, c'est-à-dire évoluant d'une façon continue dans le temps et pouvant prendre des valeurs appartenant à une espace de valeurs continue s'appelle « électronique analogique ». La plupart des systèmes physiques le sont, car les grandeurs physiques évoluent le plus souvent d'une façon continue (par exemple, la température).
Par opposition, l'électronique numérique s'intéresse au traitement des signaux dont l'espace de valeur est discrète. 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.
On parle également de l'électronique mixte, il s'agit alors d'un système dans lequel coexistent les signaux numériques et analogiques. Les modules particuliers à ce discipline sont le convertisseur numérique-analogique et le convertisseur analogique-numérique. Ils permettent de transformer un signal analogique en signal numérique et vice versa, en réalisant ainsi une interface entre les modules purement analogiques et purement numériques.
Par 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 numérique-analogique et la dernière relève d'un traitement numérique.
La plupart des signaux électroniques sont de faible énergie (tensions de quelques volts, courants limités à quelques ampères, puissance de quelques watts au maximum). Cependant, il existe des applications utilisant des signaux à forte puissance, telles que la distribution de l'énergie, le transport et d'autre domaines spécifiques. Dans la plupart des cas les signaux de forte puissance peuvent être représentés par leurs « images » de faible puissance, et d'être traités avec les méthodes de l'électronique classique. Or dans certains cas le traitement doit s'effectuer directement sur des signaux de forte puissance, ce qui fait appel à des méthodologies différentes de celle de l'électronique classique. De tels systèmes sont étudiés dans la branche de l'électronique appelée « électronique de puissance ». Les signaux de puissance sont essentiellement analogiques ; les systèmes de l'électronique de puissance utilisent souvent des signaux à fortes discontinuités (on parle parfois des signaux impulsionnels) et fonctionnent en régimes très non-linéaires. Ces deux facteurs créent des problèmes spécifiques souvent absents ou invisibles dans l'électronique faible puissance (comportement chaotique, problèmes de simulation et de stabilité...)
D'une façon indépendante de l'application, certaines disciplines de l'électroniques sont définies suivant la place qu'occupe l'objet de l'étude dans la hiérarchie d'un système électronique.
Au niveau le plus bas se situe un composant, ou un dispositif électronique. La branche s'intéressant à la conception et à l'étude d'un composant électronique élémentaire s'appelle « physique des composants ». Elle est connexe au savoir-faire technologique, qui lui regroupe l'ensemble de connaissances et d'outils nécessaires pour fabriquer un composant. On parle ainsi de la « technologie de l'électronique ». Les domaines la technologie et la physique des composants électroniques font essentiellement appel aux compétences dans les sciences fondamentales, 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 en tant que génie du traitement de signal. On devrait plutôt les considérer comme une porte d'entrée du monde de la physique fondamentale vers la science appliquée qui est l'électronique. Les composants de base de l'électronique sont transistor, résistance, capacité, diode.
Un circuit électronique est le principal objet d'étude de la science de l'électronique. Un circuit électronique est un système 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 s'appelle « théorie des circuits ». La discipline qui étudie la méthodologie permettant de réaliser une fonction de traitement particulière à base d'un circuit s'appelle « conception des circuits électroniques ». Les systèmes électroniques modernes comportent des centaines de millions de composants élémentaires. Pour cette raison la génie de circuits électroniques ne s'intéresse qu'à la réalisation des fonctions (ou modules) relativement simples, nécessitant quelques dizaines de composants.
La micro-électronique échappe à la classification présentée : ce vocable est né du processus de la miniaturisation des composants électroniques élémentaires. Ce phénomène, émergé aux années cinquante avec la naissance des composants à base de semi-conducteurs, a atteint la phase presque extrême aujourd'hui. En effet, depuis six décennies la taille des composants élémentaires n'a cessé de diminuer, pour atteindre les dimensions des dixièmes et des centièmes de micron. Ces progrès sont devenus possibles grâce aux avancées dans les procédés de traitement des matériaux semi-conducteurs, notamment du silicium, qui ont permis de réaliser plusieurs millions de composants élémentaires sur une surface de quelques millimètres carrées. Ainsi, la micro-électronique s'intéresse aux systèmes électroniques utilisant des composants de dimensions micrométriques. L'expression « électronique intégrée » est un synonyme de ce vocable : elle évoque une ensemble de composants « intégrés » sur un seul cristal de semi-conducteur.
Par ailleurs, en parlant des systèmes de l'électronique modernes, le préfix « micro » commence à être obsolète, dans la mesure où l'on voit apparaître des composants dont la taille se mesure en nanomètres et parfois comparable à la celle des molécules. On évoque ainsi la nano-électronique, les nanotechnologies et l'électronique moléculaire.
Depuis quelques années, avec les progrès dans les micro- et nano-technologies, on observe une fusion des systèmes appartenant à différents domaines techniques (mécaniques, thermiques, optiques...) autour des circuits et systèmes électroniques. Ces fusions sont souvent appelées « systèmes à traitement de signal multi-domaine », ou « systèmes multi-domaines ». A l'origine de ces progrès sont les procédés d'usinage du silicium très évolués, qui permettent de réaliser des structures tridimensionnels sur les mêmes cristaux de silicium avec les circuits électroniques. Cette proximité offre une interpénétration des traitements traditionnellement se déroulant dans des domaines différents, et une coexistence des signaux de différentes natures physiques (thermique, mécanique, optique...) dans un même système.
Ainsi, dans les années 1990 la véritable révolution technologique a eu lieu avec l'apparition des systèmes micro-électro-mécaniques (en anglais MEMS comme MicroElectroMechanical Systems). Il s'agit des mécanismes classiques tels que des résonateurs, poutres, micromoteurs etc. réalisés sur silicium en échelle micrometriques. Ces différents éléments mécaniques sont mis en mouvement (actionnés) grâce aux forces générées par des transducteurs électromécaniques. Ceux-ci sont alimentées par des tensions produites avec des circuits électroniques voisinants. Les transducteurs électromécaniques jouent alors le rôle de [l'interface] entre les domaines mécanique et électrique. Les transducteurs électrostatiques ou capacitives y sont utilisés le plus souvent, bien que l'on peut rencontrer des interfaces électromécaniques basées sur les phénomènes magnètiques et thermomécaniques.
Au fur et à mesure des découvertes des applications de l'électricité, les composants électroniques ont vu le jour (parfois sans application concrète, ou sans possibilité de fabrication
industrielle, ils ne seront utilisés que plus tard).
Sans électronique et bien évidemment l'alimentation en électricité indispensable à son fonctionnement, la vie dans la société serait bien différente.
Un traité d'électronique par F6CRP
