introduction
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Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur [email protected] Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 1 Exemple de système Digital Camera Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 2 Exemple de système Capteur: CCD image sensor zone active Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 3 Exemple de système énergie Capteur: Effet Photoélectrique Conduction Band 1.26eV Valence Band : trou -: électron Les porteurs générés thermiquement sont indissociables des porteurs générés par effet photoélectrique : courant d ’obscurité Le silicium est transparent pour les longueurs d ’onde supérieures à 1µm Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 4 Exemple de système Capteur: CCD (charge coupled device) Interline Transfer zone photosensible registre Phase 1: acquisition Phase 2: transfert vers les registres Phase 3: transfert de la 1ère ligne vers le registre horizontal Phase 4: nouveau transfert Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 5 Exemple de système Capteur: CCD (charge coupled device) Frame Transfer zone image zone registre Les n lignes sont transfèrées dans les registres en n coups d ’horloge Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 6 Exemple de système Capteur: acquisition Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 7 Exemple de système Capteur: transfert vers les registres Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 8 Exemple de système Capteur: transfert de la première ligne Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 9 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 10 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 11 Exemple de système Capteur: transfert des charges SiO2 N P Photons incidents Les photons génèrent des paires électron-trou. Les electrons sont accumulés sous les électrodes de potentiel le plus élevé. Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 12 Exemple de système Capteur: transfert des charges Charge accumulée N Energie P Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 13 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 14 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 15 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 16 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 17 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 18 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 19 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 20 Exemple de système Capteur: transfert des charges N Energie P Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 21 introduction électronique analogique/numérique v(t) t t conversion analogique/numérique échantillonnage Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 22 introduction filtre PB 3,4 kHz V(f) f éch. 8 kHz V(f) fmax f fmax 2.048 Mbits/s 64 kbits/s CAN CAN 8 bits 8 bits mux v1(t ) v*(t) t 32 ech.=125µs Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 1 ech.=125µs t 23 matériau SC Colonne IV: Si, Ge Alliages III-V: AsGa, InP le nombre de porteurs pouvant participer à 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 Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 24 matériau SC hn cristal de Si à la température T As Si dopage Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 25 matériau SC conduction dans les matériaux SC conduction par champ électrique (dérive) E j E conduction par diffusion n j D.grad(n) D x Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 26 jonction PN P N E B- conduction par champ Systèmes Electroniques 2003 - 2002- As+ diffusion 27 jonction PN P N E conduction par champ diffusion courant intense Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 28 jonction PN P N E conduction par champ diffusion courant faible Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 29 jonction PN i i P N v v i i R v Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 30 composant de base : le transistor G S N P E B N C P D N P bipolaire C MOS D I Id c I s Vc b B e Vg E s Ic Id Ib Systèmes Electroniques 2003 S Vds - s Vg Vce Vds 2002- 31 composant de base : le transistor 1er modèle : interrupteur commandé C I D I c b B G Vc Id s e E Vg Vds S s Xc Xc « petit »: interrupteur ouvert (Ip=0) Systèmes Electroniques 2003 - 2002- Ip Vp Xc « grand »: interrupteur fermé (Vp=0) 32 composant de base : le transistor Ic Id Ib s Vg Vce Vds R R Ip= 0 Vs=Vdd 0 Systèmes Electroniques 2003 Ip=Vdd/R - 2002- 1 Vs=0 33 composant de base : le transistor Vd d Ic= 0 Ib=0 VceVdd R Ve=0 Vdd Vd V d Ve Ids= 0 s VdsVdd Vgs=0 Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 34 composant de base : le transistor Vd d Ic Ib Vce 0 Ve=Vdd R Vd Vdd Vs Ids0 d Ve Vds0 Vgs=Vdd Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 35 composant de base : le transistor 2ème modèle : source de courant contrôlée C I D I c b B G Vc Id s e Vg E Vds S s B G Ib Ic = Ib Systèmes Electroniques 2003 - 2002- Vg s Ids = f(Vgs) 36 composant de base : le transistor 2ème modèle : source de courant contrôlée Vd Ic d Ic I b Ib Vce Vs= Vce Ve Vb e Vs B S Ve Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 37 composant de base : le transistor fonctionnement linéaire Vs blocage saturation Ve circuits logiques électronique de puissance autres (timer, …) Systèmes Electroniques 2003 - 2002- circuits linéaires 38 circuits intégrés substrat (Si) gravure (HF ou plasma) oxyde (SiO2) résine UV masque Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 39 circuits intégrés dépôt poly-Si dépôt d'oxyde oxydation gravure poly-Si ouverture des contacts gravure gravure oxyde mince dépôt de métal oxydation (grille) implantation-diffusion gravure du métal Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 40 circuits intégrés deux grandes familles technologiques: CMOS et bipolaire Dt I DV diminution du paramètre techno. diminution des tensions compromis vitesse - consommation Systèmes Electroniques 2003 - 2002- C DV Dt C I 41 circuits intégrés CMOS nMOS technologie CMOS Systèmes Electroniques 2003 - 2002- pMOS 42 circuits intégrés CMOS D D G Vg s G Vg S s nMOS VgsVdd Vgs 0 Systèmes Electroniques 2003 - 2002- S D S D S pMOS Vgs-Vdd Vgs 0 43 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Valim Valim pMOS E S E S nMOS Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 44 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Valim S=0 E E S S 0 1 1 0 E S S=1 Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 45 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur grille Valim E n+ S n+ p+ p+ substrat p Vref Systèmes Electroniques 2003 - 2002- caisson n transistor n transistor p 46 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 47 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 48 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND Valim S=0 A B S A B S 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 S=1 A S B Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 49 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 50 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Valim A S=0 A B S 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 B S S=1 A S B Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 51 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 52 circuits intégrés Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 53 circuits intégrés évolution du nombre de transistors des µP Intel nb de trans. param. techno. 1,0E+08 12 P-III P-II 1,0E+07 10 P 8 80486 1,0E+06 6 1,0E+05 4 8086 1,0E+04 8080 2 4004 2000 1990 0 1980 1971 1,0E+03 loi de Moore : Ntr est multiplié par 1,4 par an Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 54 circuits intégrés évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel MHz fréquence d'horloge P-III 1000 P-II 100 P 80486 10 8086 8080 Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 2000 1990 1980 1971 1 55 circuits intégrés 1972: 2500 transistors 4004 Systèmes Electroniques 2003 2000: >10 000 000 transistors P-II - 2002- 56 circuits intégrés 300 1000 250 800 200 param ètre techno. (nm) 600 nom bre de transistors/cm 2 (en millions) 150 400 100 surface de la puce (mm2) 200 50 0 0 1995 2000 2005 2010 2015 20000 200 15000 150 3 2,5 2 nom bre d'E/S 10000 fréquence d'horloge (MHz) 100 1 5000 50 0 0 1995 1,5 puissance (W) alimentation (V) a 0,5 2000 2005 2010 Systèmes Electroniques 2003 2015 - 2002- 1995 0 2000 2005 2010 2015 57 circuits intégrés hiérarchie système fonction porte circuit composant Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 58 circuits intégrés salle blanche masque de lithographie Systèmes Electroniques 2003 - 2002- fours de diffusion wafer 59 circuits intégrés boitiers "bonding" boitier DIL Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 60 microsystèmes Systèmes Electroniques 2003 - 2002- 61
