Systèmes Electroniques - 2002-2003
1
Systèmes électroniques
IntroductionFonctions électroniques analogiques
amplification, filtrage, oscillationConversion Analogique-NumériqueFonctions numériquesMicroprocesseur
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Exemple de systèmeDigital Camera
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Exemple de systèmeCapteur: CCD image sensor
zone active
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Exemple de systèmeén
ergi
e
Valence Band
Conduction Band
1.26eV
photon photon
: trou -: électron
Les porteurs générés thermiquement sont indissociablesdes porteurs générés par effet photoélectrique : courant d ’obscurité
Le silicium est transparent pour les longueurs d ’ondesupérieures à 1µm
Capteur: Effet Photoélectrique
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Exemple de systèmeCapteur: CCD (charge coupled device) Interline Transfer
Phase 1: acquisition
Phase 2: transfert vers les registres
Phase 3: transfert de la 1ère lignevers le registre horizontal
Phase 4: nouveau transfert
zone photosensible registre
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Exemple de systèmeCapteur: CCD (charge coupled device) Frame Transfer
zone image
zone registre
Les n lignes sont transfèréesdans les registres en n coupsd ’horloge
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Exemple de systèmeCapteur: acquisition
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Exemple de systèmeCapteur: transfert vers les registres
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Exemple de systèmeCapteur: transfert de la première ligne
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Exemple de systèmeCapteur: transfert horizontal de la première ligne
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Exemple de systèmeCapteur: transfert horizontal de la première ligne
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Photons
incidents
Les photons génèrent des paires électron-trou.Les electrons sont accumulés sous les électrodes de potentiel le plus élevé.
Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
N
P
SiO2
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Capteur: transfert des charges
Exemple de systèmeE
ner
gie
P
N
Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé
Charge accumulée
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges
En
ergi
e
P
N
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introduction
électronique analogique/numérique
t
v(t)
t
conversion analogique/numériqueéchantillonnage
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muxCAN8 bits
introduction
fV(f)
fmax
fV(f)
fmax
filtre PB3,4 kHz
éch.8 kHz
CAN8 bits
32 v
oie
s
t
v*(t)
1 ech.=125µs
64 kbits/s
t
v1(t)
32 ech.=125µs
2.048 Mbits/s
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matériau SC
Colonne IV: Si, GeAlliages III-V: AsGa, InP
le nombre de porteurs pouvant participerà la conduction est modulable :
par apport d ’énergie thermique ou lumineuse en dopant le matériau (impuretés de la colonne V (As, P…) ou III (Ga, B…) dans la maille cristalline
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matériau SC
As
Si
cristal de Si à la température T
h
dopage
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matériau SCconduction dans les matériaux SC
conduction par champ électrique (dérive)
E
Ej
conduction par diffusion
xn
D)n(grad.Dj
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jonction PNP N
As+B-
E
conductionpar champ
diffusion
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jonction PNP N
E
conductionpar champ
diffusion
courant intense
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jonction PNP N
E
conductionpar champ
diffusion
courant faible
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jonction PN
P Ni
v v
i
i
v
i
R
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composant de base : le transistor
Ib
Ic
BE
C
Vds
D
S
G
Ids
Vgs
N P N N PP
bipolaire MOS
CE B
DS
Vg
Vds
Ids
Vce
Ic
Ib
Vce
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composant de base : le transistor
Ib
Ic
B
E
C
IpXc
Vce
1er modèle : interrupteur commandé
Xc « petit »:interrupteur ouvert (Ip=0)
Xc « grand »:interrupteur fermé (Vp=0)
D
S
G Ids
Vds
Vgs
Vp
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Ib
composant de base : le transistor
R
Vs=Vdd0
Ip=0
Vg
Vds
Ids
Vce
Ic
R
Vs=01
Ip=Vdd/R
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composant de base : le transistor
R
Vdd
Vs
Ve
Ib=0
Ic=0
Vdd
Ve=0VceVdd
Ids=0
Vdd
Vgs=0VdsVdd
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composant de base : le transistor
R
Vdd
Vs
Ve
Ib
Ic
Vdd
Ve=Vdd
Vce0
Ids0
Vdd
Vgs=Vdd
Vds0
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composant de base : le transistor
Ib
Ic
B
E
C
Vce
2ème modèle : source de courant contrôlée
D
S
G Ids
Vds
Vgs
Ic = Ib
B
Ib
Ids = f(Vgs)
G
Vgs
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composant de base : le transistor
2ème modèle : source de courant contrôlée
Ib
Ic
Vdd
Ve
Vs= Vce
Vce
Ic
Ib
Vbe
Ve
Vs
S
B
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composant de base : le transistor
Ve
Vs
saturation
blocage
fonctionnement linéaire
circuits logiquesélectronique de puissanceautres (timer, …)
circuits linéaires
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circuits intégrés
substrat (Si)
oxyde (SiO2)
résine
masqueUV
gravure(HF ou plasma)
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circuits intégrés
oxydation
oxydation(grille)
gravure
dépôt poly-Si
gravure poly-Si
gravure oxyde mince
implantation-diffusion
dépôt d'oxyde
ouverture des contacts
dépôt de métal
gravure du métal
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circuits intégrés
deux grandes familles technologiques:
CMOS et bipolaire
C
It
V
IV
Ct
diminution du paramètre techno.diminution des tensionscompromis vitesse - consommation
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circuits intégrés CMOS
technologie CMOS pMOS
nMOS
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circuits intégrés CMOS
pMOSnMOS
Vgs
D
S
G
Vgs
D
S
G
VgsVdd Vgs-Vdd
S D
Vgs 0 Vgs 0S D
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circuits intégrés CMOS
pMOS
nMOS
E SE S
exemple : inverseur
Valim Valim
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circuits intégrés CMOS
E S
exemple : inverseur
E=1
E=0
S=0
S=1
E
0
1
S
1
0
E S
Valim
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circuits intégrés CMOS
exemple : inverseur
p+ p+
caisson n
n+ n+
Valim
Vref
E S
grille
substrat p
transistor n transistor p
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circuits intégrés CMOS
exemple : inverseur
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circuits intégrés CMOS
exemple : inverseur
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circuits intégrés CMOSexemple : porte NAND
A=1 et
B=1
A=0 ou B=0
B
0
1
0
1
S
1
1
1
0
A
S
Valim
B
S=1
S=0
A
0
0
1
1
AS
B
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circuits intégrés CMOS
exemple : porte NAND
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circuits intégrés CMOSexemple : porte NOR
A=1 ou B
=1
A=0 et B=0
B
0
1
0
1
S
1
0
0
0
A
0
0
1
1
AS
B
A
Valim
B
S
S=0
S=1
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circuits intégrés CMOS
exemple : porte NOR
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circuits intégrés
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circuits intégrés
1,0E+03
1,0E+04
1,0E+05
1,0E+06
1,0E+07
1,0E+08
0
2
4
6
8
10
12
nb de trans. param. techno.
197
1
198
0
199
0
200
0
4004
8080
8086
80486
P
P-II
P-III
évolution du nombre de transistors des µP Intel
loi de Moore :Ntr est multiplié par 1,4 par an
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circuits intégrés
1
10
100
1000
fréquence d'horloge
197
1
198
0
199
0
200
0
8080
8086
80486
P
P-II
P-III
évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel
MHz
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circuits intégrés
4004 P-II
1972: 2500 transistors 2000: >10 000 000 transistors
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circuits intégrés
0
5000
10000
15000
20000
1995 2000 2005 2010 2015
nombre d'E/S
fréquenced'horloge
0
50
100
150
200
1995 2000 2005 2010 2015
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
puissance
alimentation
a
0
50
100
150
200
250
300
1995 2000 2005 2010 2015
0
200
400
600
800
1000
paramètretechno.
nombre detransistors/cm2
surface de lapuce
(nm)
(mm2)
(en millions)
(MHz)
(W)
(V)
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circuits intégrés
circuit
porte
fonction
système
composant
hiérarchie
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circuits intégrés
salle blanche
masque de lithographie wafer
fours de diffusion
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circuits intégrés
"bonding"
boitier DIL
boitiers
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microsystèmes