Cours GMEE102_20120926_Diapos_1

1
Cours GMEE102
108/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Conception des circuits
intégrés analogiques
Notes abrégées de cours
Yves Bertrand
Cours GMEE102
208/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Prérequis :
Fonction amplification
Transistors MOS : Modèles dynamiques 1er ordre
Sources de courants, miroirs de courant
Sources Widlar, cascode, Wilson
Plan du cours :
Rappels des notions de base CMOS
Amplificateurs CMOS à 1 étage
Amplificateurs CMOS à 2 étages
Architectures avancées d’AOP CMOS : cascode,
cascode replié, OTA, …
Cours GMEE102
308/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Bibliographie
Principes d'électronique, Cours, exercices et problèmes résolus
Albert Paul Malvino, Université de Stanford
Dunod, 1024 pages - 2002 – 6°édition , ISBN : 2-10005810X Prix : 61 €
Électronique : Composants et systèmes d'application
Thomas L. Floyd
Les éditions Reynald Goulet Inc., 2000, 5°édition, ISBN : 2-89377-171-8
Microélectronique
Jacob Millman and Arvin Grabel
Mc Graw-Hill, 1991, ISBN 2-7042-1185-X
Microelectronic circuits and devices
Mark N. Horenstein
Prentice Hall, 1990, ISBN: 0-13-583170-9
Microelectronics circuits
Adel S. Sedra and Kenneth C. Smith
Oxford University Press, 1998, 4°édition, ISBN : 0-19-5 11690-9
Spécialisation 
Cours GMEE102
408/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Objectif du cours
Objectif cours : entrer dans AOP CMOS pour en comprendre
les structures essentielles : étage différentiel, miroir de courant,
charge active, étage amplificateur de tension, décaleur de
niveau, étage de puissance, etc., et pour en maîtriser la
conception
AOP : élément actif à base de transistors pour concevoir des
montages électriques : montages amplificateurs, filtres,
générateurs harmoniques, multivibrateurs, etc.
Cours GMEE102
508/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Heure actuelle : conception IC analogiques, basée utilisation
blocs intégrés pré-existants (cœurs analogiques « IP cores »)
: SoC (System On Chip) ; SiP (System In Package)
nécessité compréhension fine fonctionnement interne pour
permettre concepteur IC d'utiliser "intelligemment" ces blocs
pour les interconnecter et fabriquer système intégré
nécessité compréhension fine pour concepteur systèmes
électroniques à base de circuits analogiques programmables
(FPGA analogiques) qui devra interconnecter ces fonctions
analogiques élémentaires
Cours GMEE102
608/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Types d’amplificateur
Ampli à 1 étage (SC, DC, GC) à charge active, à cascode
Ampli différentiel
Ampli à 2 étages, simple, cascode, cascode repliée
Ampli à 3 étages
Types d’analyse (manuelles, puis vérification en simulation)
Cadre : modélisation au premier ordre des transistors MOS
Analyse de l’état de polarisation
Détermination des dynamiques d’entrée et sortie, de l’offset
Détermination du gain statique
Étude en fréquence : pôles, zéros, produit gain-bande
Détermination du slew rate
A la fin du cours, l’étudiant devra savoir caractériser
complètement un amplificateur CMOS

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Cours GMEE102
708/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
1 / rappel des notions
de base
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808/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
1.1 / Fonction amplification
Cours GMEE102
908/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Rappel : la fonction amplification électronique
RiAV.vi
vi
Ro
Ampli
ii
vo
Amplificateur en tension
io
Cours GMEE102
10 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Rappel : la fonction amplification électronique
RiAV.vi
vi
Ro
vs
Rs
Source Ampli
ii
vo
Amplificateur en tension
io
Cours GMEE102
11 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Rappel : la fonction amplification électronique
RiAV.vi
vi
Ro
vs
Rs
Source Ampli Charge
RL
iiio
vo
Amplificateur en tension
Cours GMEE102
12 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Rappel : la fonction amplification électronique
RiAV.vi
vi
Ro
vs
Rs
Source Ampli Charge
RL
iiio
vo
V
i
s
L
o
V
is
i
Lo
L
Vréel
A
R
R
1
1
R
R
1
1
A
RR R RR R
A⋅
+
⋅
+
=⋅
+
⋅
+
=
Amplificateur en tension

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Cours GMEE102
13 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Pour récupérer, aux bornes de RL, le gain maximum, 2
conditions :
Ri >> Rs, pour ne pas détériorer le signal d'entrée
Ro<< RL, pour ne pas détériorer le gain du montage.
D'une façon générale :
gain en tension d’un ampli = gain sortie non chargée (RL=∞)
Si amplificateur connecté charge (résistive ou autre étage) :
tenir compte charge RLpour déterminer gain effectif
Si Ro<< RLnon réalisée : ??
Adaptation d’impédance
Cours GMEE102
14 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Pour récupérer, aux bornes de RL, le gain maximum, 2
conditions :
Ri >> Rs, pour ne pas détériorer le signal d'entrée
Ro<< RL, pour ne pas détériorer le gain du montage.
Adaptation d’impédance
D'une façon générale :
gain en tension d’un ampli = gain sortie non chargée (RL=∞)
Si amplificateur connecté charge (résistive ou autre étage) :
tenir compte charge RLpour déterminer gain effectif
Si Ro<< RLnon réalisée : montage suiveur pour maintenir
gain en tension en adaptant les impédances
Cours GMEE102
15 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Étage 1 : étage différentiel d'entrée. On évite les R, et
sources et charges sont implantées par transistors. La mise en
cascade de deux de ces étages augmente le gain global Adde
l'AOP
Étage 2 : étage intermédiaire d’amplification en tension (type
EC, en bipolaire). Il contribue à augmenter le gain global Adde
l'AOP
Étage 3 : étage de sortie amplificateur en courant (type CC
en bipolaire, DC en MOS). Il permet de délivrer la puissance
nécessaire à la charge de sortie.
AOP :
Cours GMEE102
16 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
1.2 / Transistors MOS
Cours GMEE102
17 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
1994 2000
CMOS
GaAs BICMOS
BIP
BICMOS CMOS
GaAs
200 MHz
10 à 40 GHz
2 à 10 GHz
1 à 2 GHz
100 GHz
d’après Toshiba
Évolution des technologies
Cours GMEE102
18 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
SIA roadmap
Year Lmin
(nm)Trans/chip
(M/chip) Clock (GHz) # Metal Levels
1995 350 4 0,30 4 - 5
1998 250 7 0,45 5
2001 180 13 0,60 5 - 6
2004 130 25 0,80 6
2007 90 50 1,0 6 - 7
2010 65 90 1,1 7
SIA : Semiconductor Industry Association

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Cours GMEE102
19 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
0
5
10
15
20
25
30
35
40
350 250 180 130 90 65
ISSCC 2005 paper distribution
Analog/RF Digital
Lmin(nm)
# papers
ISSCC 2005 : IEEE International Solid-State Circuits Conference, SF, USA, 2005
Cours GMEE102
20 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
B S GD
p+n+
p
L
W
n+
Implantation transistor NMOS
n+Canal n
SiO2
métal
poly
Cours GMEE102
21 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
SG+ D+
n+ n+
p
B
Cox
CD
tox
si
si
D
t
ε
=C
tsi
ox
ox
ox
t
ε
=C
3/11n=
C
C
ox
D
≈-
Principales capacités associées au MOS
Zone de
déplétion
(F.m-2)
inv.layer/gate
inv.layer/bulk
Cours GMEE102
22 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
G
D
S
a ) symbole complet
B
b ) symboles simplifiés quand S est reliée à B
G
D
S
ID
VGS
VDS
JFET (Junction Field-Effect Transistor)
MOSFET ou MOS (Metal-Oxyde Semiconductors Field-Effect Transistor
NMOS
à enrichissement
Rappel : Équations de base des Transistors MOS
D
G
S
ou
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23 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
a ) symbole complet b ) symboles simplifiés quand S est reliée à B
G
D
S
BG
D
S
ID
VGS
VDS
PMOS
à enrichissement
D
G
ou S
Cours GMEE102
24 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Équations de base, 1°ordre
• NMOS (signe + et indice n/p=n)
• PMOS (signe – et indice n/p =p)
a ) Régime bloqué :
p/ntGS
vv ≤
0I
D
=
b ) Régime linéaire :
p/ntGS
vv ≥
et
p/ntGSDS
vvv −≤
c ) Régime saturé : et
p/ntGS
vv ≥
p/ntGSDS
vvv −≥
)Vλ±1()VV(K±=I
DS
2
p/ntGSp/nD
..-. 0λsi,)VV(K±I
2
p/ntGSp/nD
≈-.≈
]
2
V
V.)VV[(K.2±=I
2
DS
DSp/ntGSp/nD
--.

5
Cours GMEE102
25 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
L
W
k
2
1
K
p/np/n
⋅⋅=
ox
ox
p/np/n
t
k
ε
⋅µ=
avec et
Facteur de transconductance
ox
ε
: constante diélectrique du dioxyde de silicium ( 9,3
ox
=
ε
)
n
µ : mobilité des électrons dans le silicium, à 300K (
112
n
sVcm670
−−
⋅⋅=µ )
p
µ : mobilité des trous dans le silicium, à 300K (
112
p
sVcm268
−−
⋅⋅=µ )
ox
t : épaisseur d'oxyde (par exemple : °= A385t
ox
)
λ : paramètre de modulation de longueur de canal (par exemple :
1
V02,0
−
=λ )
nt
V : tension de seuil du NMOS (par exemple : V2,1V
nt
=)
pt
V
: tension de seuil du PMOS (par exemple :
V1V
pt
−=
)
ε0 : permittivité du vide : ε0= 8,85.10-12 F.m-1
εr(SiO2) : constante diélectrique de SiO2: εr(SiO2) =3,97 et εox=ε0.εr(SiO2)
Définition des paramètres et valeurs typiques
v = µ.E
Actualisé : εr(SiO2) =3,90
εox=34,5.10-12 F.m-1
Cours GMEE102
26 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Exercice d'application directe du cours :
a ) Calculer les facteurs de transconductance knet kpde transistors NMOS
et PMOS en utilisant les valeurs des paramètres de fabrication donnés en
exemple ci-dessus (les unités seront exprimées en faisant intervenir le
microampère µ A et le Volt V).
b ) Tracer, pour 3 valeurs de VGS (3,2V ; 4,3V ; 5,2V), les caractéristiques
d'un transistor NMOS pour les valeurs suivantes :
Vtn=1,2V ; Kn=5.10-4 unités SI et pour λ =0.
c ) Tracer sur cette même figure la courbe frontière entre les zones de
comportement linéaire et saturé des transistors. Quelle est son équation
ID=f(VDS) ?
d ) Tracer, toujours sur cette même figure, l'allure de la caractéristique à
VGS=5,2V, si on tient compte des effets de modulation de longueur de
canal avec λ =0,02V-1.
e ) Utiliser spice (en utilisant le modèle le plus simple du MOS) pour
retrouver le tracé des caractéristiques.
Cours GMEE102
27 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Exercice d'application directe du cours :
a ) Calculer les facteurs de transconductance knet kpde transistors NMOS
et PMOS en utilisant les valeurs des paramètres de fabrication donnés en
exemple ci-dessus (les unités seront exprimées en faisant intervenir le
microampère µ A et le Volt V).
b ) Tracer, pour 3 valeurs de VGS (3,2V ; 4,3V ; 5,2V), les caractéristiques
d'un transistor NMOS pour les valeurs suivantes :
Vtn=1,2V ; Kn=5.10-4 unités SI et pour λ =0.
c ) Tracer sur cette même figure la courbe frontière entre les zones de
comportement linéaire et saturé des transistors. Quelle est son équation
ID=f(VDS) ?
d ) Tracer, toujours sur cette même figure, l'allure de la caractéristique à
VGS=5,2V, si on tient compte des effets de modulation de longueur de
canal avec λ =0,02V-1.
e ) Utiliser spice (en utilisant le modèle le plus simple du MOS) pour
retrouver le tracé des caractéristiques.
Cours GMEE102
28 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Modélisation des transistors à effet de champ
a ) Modèle dynamique simple
G
S
D
gmvgs
b ) modèle incluant les effets de
modulation de longueur de canal
r0=1/g0
id
vgs
G
S
D
gmvgs
id
vgs
0ds
ds0
g
1
=
g1
=r=r
Cours GMEE102
29 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
B
S
D
gmvgs
c ) modèle incluant les effets de modulation de longueur de canal
et les effets de substrat
r0=1/g0
id
vsb
0ds
ds0
g
1
=
g1
=r=r
gmbvsb
mmb
g.η=g
mmb
gg .
3
1
≈
vgs
G
Ordre de grandeur :
Cours GMEE102
30 08/09/2011
Yves Bertrand
Faculté des Sciences de Montpellier, UM2 2011-2012
Exercice : retrouver pour un NMOS en régime saturé,
les expressions suivantes :
Dnm
I.K2=g
Calcul de la transconductance
et de la conductance de sortie
En prenant λ0
D
DS
cste=v
DS
D
ds I.
Vλ+1 λ
=
vI
=g
GS
∂
∂
En prenant λ0
DDSn
cste=v
GS
D
mI)Vλ+1(.K2=
vI
=g
DS
∂
∂
D0
I.λ=g
Calculer les valeurs de gmet gds
pour ID=20µA ; λ=0,02V-1 et Kn=500µA.V-2
Réponse : gm=200µA.V-1 et g0=0,4µA.V-1
(λ.VDS << 1)