II: les condensateurs

Cours avant projet 2017
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Les Composants passifs
I: les résistances électriques
Dans un matériau solide les atomes ne peuvent pas se déplacer mais
ils perdent facilement un ou deux de leurs électrons périphériques; il
se transforment alors en ion chargés positivement. Ces électrons sont
alors libres de se déplacer dans le matériaux alors les ions ne se
déplacent pas.
Lorsqu’on applique une tension au bornes du matériaux, ces électrons se déplacent alors et se heurtent
contre les ions qui se trouve sur leur chemin. Ils sont alors freiné et cèdent une partie de leurs énergie à
l’ion heurté qui se met à s’agiter plus fortement autour de sa position d’équilibre, ce qui chauffe le
matériaux. Plus le matériaux s’oppose au mouvement es électrons on dis qu’il a une grand résistance.
Définition: La résistance électrique est la propriété des conducteurs électriques de s’opposer au
passage des électrons
La résistance dépend en premier lieu de la nature du matériau puis de ses dimensions.
𝑅 = 𝜌.
𝑙
𝑆
La température influe aussi sur la résistance.
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Code des couleur
Dans les circuits électriques et électroniques, il faut souvent limiter l’intensité du courant afin d’éviter l’endommagement de
certaines composantes. On utilise à ces fins des résistances avec des valeurs bien déterminées. Usuellement, elles sont
de forme cylindrique et sont constituées d’un support en porcelaine, autour duquel on a enroulé une couche hélicoïdale en
carbone. L’ensemble est recouvert d’une couche de vernis protecteur.
sur une résistance on peut voir des anneaux de couleur. Chaque
couleur correspond à un chiffre (voir la figure), c’est ce qu’on appelle
le code des couleurs. Celui-ci nous permet de déterminer la valeur
en Ohm d’une résistance.
Absente dans la
Absente dans la résistance
Pour lire cette valeur, il faut d’abord placer la résistance dans le bon
résistance à 5 anneaux
à 5 et 4 anneaux
sens. En général, la résistance a un anneau doré ou argenté, qu’il
faut placer à droite. Dans d’autres cas, c’est l’anneau le plus large
qu’il faut placer à droite.
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II: les condensateurs
En fonction des diélectriques utilisés, il existe deux famille technologiques des
condensateurs.
2-1: les condensateurs non polarisés:
a. Condensateur à film plastique:
Ce ont les condensateurs les plus utilisés, ils supportent des tensions
maximales de plusieurs centaines de volts, et les valeurs de leurs capacités
varies entre 1 et quelques microfarads, leurs tolérances est de 5 à 10%
b. Condensateur céramiques:
Leurs caractéristiques sont très dépendantes des diélectriques utilisés.
Destinés surtout à des utilisations en hautes fréquences, leurs capacités
varies entre 0.5 pF et 500µF. Leurs tension maximale de polarisation est
de 50 à 200V, et elle ont une tolérance très importante, ce qui rend leurs
utilisations limitées aux applications où la valeur de la capacité n’est pas
très importante.
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2-2: les condensateurs polarisés:
La tension de polarisation de ce type de condensateurs est très importante
sous risques d’endommagement.
a. Condensateur électrolytiques:
Ils possèdent une capacité entre 1µF et quelques dizaines de milligrades. Ils
sont utilisés en basses fréquences et leurs tension de service est de
quelques centaines de volts. Leurs tolérance est aussi très importante ≥20
ce qui rend sont utilisation limités les applications de leur utilisation.
a. Condensateur au tantale:
Ce type de condensateurs possède des capacités de valeurs élevées
(0,1µF à quelques centaines de µF, avec une tension de travail de
quelques volts à quelques dizaines de Volts. Plus coûteux que les
électrolytiques mais moins encombrant et plus fiables.
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électrolytiques
tantale
plastiques
céramiques
1pF
100pF
10pF
1nF
10nF
100nF
1µF
10µF
100µF
1mF
10m
F
C
Ordre de grandeur des capacités des condensateurs des différentes technologies
céramiques
plastiques
tantale
électrolytiques
1Hz
100Hz
10Hz
1KHz
10KHz
100KHz
1MHz
10MHz
100MHz
1GHz
10GHz
Domaines de fréquences des utilisations des différents types de condensateurs
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C
2-1: les condensateurs en CMS
a. Technologie:
Ce sont des condensateurs de dimensions très réduites et de poids très faible.
Ils possèdent une meilleurs fiabilité que les classiques et la surface de leurs
circuit se voie très réduite.
Pour les technologie CMS, il existe des condensateurs céramique qui
recouvrent la gamme de capacité allant de 0,47pF à 10µF, et des
condensateur électrolytiques et en tantale qui recouvrent la gamme allant de
0,1 à 220µF.
b. Marquage des condensateurs en CMS:
On peut rencontrer plusieurs écritures de la valeur de la capacité d’un
condensateur, et de la tension maximale de fonctionnement des CMS.
Par exemple: une lecture de « 106 » veut dire c=10 . 106 µF.
Ou encore: «10-16» qui veut dire 10µF à une tension e travail maximale de
16V
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On peut retrouver une lettre qui précède la valeur de la capacité; elle donne la
valeur de la tension de service.
A= 10V, C=16V, D=20V, E=50V, e=2,5V, G=4V, H=50V, J=6,3V, V=35V
Il existe aussi des lectures suivant des recommandation d’organismes internationaux,
comme la CECC 32101-002 (type 1) et la CECC30101-003 (type 2) pour lesquelles on
peut donner un exemple de lecture:
Pour la valeur lue sur un condensateur de la série E24
XA1
Valeur nominale:
E
F
G
H
1.5
1.6
1.8
2.0
Multiplicateur(chiffre)
a 2.5
b 3.5
c
e 4.0
y
j
k
L
9.0
2.2
2.4
2.7
f
m
n
t
M
N
P
Q
3.0
3.3
3.6
3.9
5.0
6.0
7.0
8.0
R
S
T
U
4.3 Z 9.1
Valeur Nominale (lettre)
4.7
Sigle du fabriquant (logo)
5.1
Multiplicateur
5.6
0
1
2
3
4
5
6
V 6.2 chiffre
W 6.8 Mult par 1 10 102 103 104 105 106
X 7.5
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Y 8.2
Dimensions des boîtiers:
H
l
L
Les dimensions des boîtiers des condensateurs en CMS varies
de (L,l,H)=(1.0,0.5,0.5)mm3
à (L,l,H)=(5.0,2.0,0.3)mm3
pour le type 0402
pour le type 2220
2.3: Les pertes dans un condensateur
Les pertes dans un condensateur sont dus au pertes dans les diélectriques,
elle sont prises équivalentes à une résistance en parallèle au condensateur
supposé idéal.
C
Rp
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2.3: comportement d’un condensateur
Lorsqu’il est complètement déchargé et soumis à une différence de potentiel, un
condensateur idéal se comporte comme un court circuit. Il se charge alors et le
courant qui le traverse diminue avec l’augmentation de la tension à ses bornes.
Une fois chargé le condensateur se comporte alors comme un circuit ouvert et
aucun courant ne le traverse.
Lors de la décharge d’un condensateur c’est la tension à es bornes qui diminue
avec la diminution du courant qu’il fournie
E
I(t)
E
V(t)
V(t)
Imax
I(t)
Charge d’un condensateur
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t
III- Les selfs (ou les bobines)
3.1: définition
S
N
Une self est un enroulement de fil conducteur en spires. Le passage de courant
électrique I dans ces spires crée un flux d’induction magnétique Φ dont les ligne
d’induction encercle la bobine en passant d’un pôle à un autre, c’est donc un
composant qui est utilisé pour ces propriétés électriques et magnétiques.
3.2: comportement d’une self
Si le condensateur se comporte comme un court circuit lorsqu’il est
complètement déchargé, une bobine à tendance à s’opposer à la variation
de l’intensité du courant qui la traverse.
Une self est caractérisée principalement par son inductance qui se
mesure en Henry.
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3.4: Schéma équivalent
Une bobine ne présente jamais une inductance pure (bobine idéale), elle
présente une résistance en série due à la résistance du conducteur qui la
comporte. En plus de la présence d’un effet capacitif du au rapprochement
des spires les unes des autres.
+
=
3.3: domaines d’utilisation des self
La fréquences est un élément clefs dans le comportement de la bobine, c’est-àdire que si la fréquence du signale traversant la bobine est nulle (DC) alors la
résistance se comporte comme une résistance pure.
elles sont donc utilisées dans tous les domaines ou la fréquences est un
paramètre important:
Transformateur d’alimentation, Alimentation à découpage, Filtrage,
Accordement d’impédance, et dans l’électrotechnique pour les moteurs et
Alternateurs
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3.4: circuits magnétiques et transformateurs
3.4.1.Circuits magnétiques
Un circuit magnétique est composé d’un générateur de ligne de champs
magnétique (bobine du primaire dans un transformateur), d’un noyau magnétique
(qui doit être un à base de matériau conducteur magnétique) et en pour plusieurs
applications d’un récepteur magnétique (qui doit aussi être une bobine
secondaire)
3.4.1. Transformateurs
Dans un transformateur la puissance est conservée,
c’est-à-dire que nous retrouvons la puissance fournie
par le primaire dans le secondaire. P1=P2
Par contre les courant et tensions sont fonction du rapport de transformation m
U1/U2=I2/I1=n1/n2
Telle que U tension, I courant et n nombre de spires dans 1 (le primaire) et 2 ( le
secondaire du transformateur
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Les composants actifs
IV- les composants actifs discrets
1. Diodes de signal
-Dipôle semiconducteur
-Conducteur dans un sens bloquée dans l’autre.
-Principales caractéristiques:
Intensité de courant direct admissible
Tension inverse maximale supportable
Rapidité (temps de réponse).
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Circuit redresseur à simple diode
Circuit redresseur à pont de diodes
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2. Les transistors
2.1. transistors Bipolaires
Le transistor bipolaire est composé de deux jonctions placées en série, très
proche l’une de l’autre. Et de polarité opposée.
-on distinguent deux types, le NPN ET LE PNP: (voir fig) où:
-IB: courant de Base.
- IC : courant de Collecteur.
- IE : courant d‘Emetteur.
- VCE : tension Collecteur Emetteur (VEC pour le transistor PNP).
- VBE : tension Base Emetteur (VEB pour le transistor PNP).
collecteur
Base
Emetteur
-Fonctionnement: le courant IC =βIB où β est le gain du transistor.
On pourra donc commander IC en envoyant un courant IB qui sera amplifié.
Régime de fonctionnement
Remarques
Bloqué
· Si IB = 0 alors VRB = 0 donc Ve = VBE.
· Le transistor est bloqué tant que ≤0,6V
· Aucun courant dans RC, donc aucune tension aux
bornes de RC,
donc VCE = VCC
Linéaire
· IC varie proportionnellement à IB
jusqu’à la limite de saturation définie par
ICsat = (VCC - VCEsat) / RC = VCC / RC
Saturation
· IC est limité par le circuit à ICsat = VCC / RC
même si IB augmente au-delà de ICsat / b.
· Plus IB augmente, plus le transistor est saturé.
· Il existe un retard pour repasser au blocage, dû à des
capacités parasites (capacités de stockage) internes au
transistor.
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collecteur
Base
Emetteur
saturé
En régime linéaire Ic est indépendant de VCE
Dans ce cas : IC=β.IB
En régime saturé le courant Ic n’est pas proportionnel à IB
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linéaire
2- Structure MIS et Transistor MOS
2.1. Structure MIS
La structure MIS ( métal Isolant Semi-conducteur) est un
empilement de trois couches actives de caractéristiques
électriques très différentes.
Métal : caractéristiques métallique ou un conducteur d’électricité
Isolant : une couche fine d’isolant électrique dans le seul but d’isoler le métal du SC.
Semi-conducteur : dans ce matériaux les porteurs sont contrôlés par l’utilisateur de la
structure avec des potentiels qu’on lui applique et des potentiels électrique qu’on
applique sur le métal.
les caractéristiques d’une structure MIS sont utilisées pour construire un composant actif
qui est le transistor MOS.
Le principe du transistor MOS est de polariser la grille « métallique » par rapport au
substrat pour attirer des porteur minoritaires vers l’interface isolant/semiconducteur, ces
minoritaires accumulés dans une zone étroite deviennent majoritaire et le
semiconducteur change ainsi de type momentanément dans cette zone.
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2.2. Transistors MOS
SiO2
Grille G
D Drain
Source S
+
+
+
+
P
+
Grille G
Source S
--- + -+
+ +
N- - -+ - - - +-- --+-- --N
+ + +
+ + +
+ + + + + + + + +
+ + + + + + + + +
P + + Substrat
+
+ +B + + +
+N + + + + + N+ +
+ + + + + + +
+ + + + + + + +
+ + + + + + + +
B
+ + Substrat
+ +
+ + +
--- - - --
D Drain
- - - --- -
Structure du Transistor NMos
Transistor mos polarisé. VG
Si VGS est suffisante (VGS≥VT avec VT la tension de seuil) pour créer une zone N à l’interface SiO2 substrat
alors les deux zones N du transistor sont reliées par un canal du même type (N) les charges négatives ne
trouveront alors pas d’obstacles pour passer du Drain à la source.
D
D
G
B
G
S
Généralement le potentiel de du substrat est le même que celui de la source
S
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2.2. Transistor MOS
Transistor CMOS. Par 3 procédés de fabrication: a)-à caisson p, b)- à caisson n, c)- à
double caisson
Dessin du masque
Ou layout
Image réelle de contacts
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Dessin de masque pour un intelcours
P4 90nm
complet
-Caractéristiques du transistor Mos
Caractéristiques de transfère
Caractéristiques de sortie
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Résumé de étapes de fabrication d’un inverseur à transistor MOS « NMOS et PMOS »
sur un même substrat
1- Réalisation du caisson
2- Réalisation de SiO2 , Masquage de zone actives
3- Réalisation du contact en polysilicium
4- Réalisation des zones P
5- Réalisation des zones N
6- Réalisation des contacts
6- Métallisation
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2.2. Etapes de fabrication d’un Transistor MOS
Pour réaliser un transistor MOS, il faut passer par plusieurs étapes décrites ci-aprés:
La figure suivante montre la courbe d’évolution de la largeur de grille en fonction du
temps, et des photos pour deux technologie différentes ( 70nm et 30nm)
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Les Amplificateurs opérationnels
Caractéristique d’un ampli op:
e-
- Gain infini
- Impédance d‘entrée très grande (théoriquement infini)
- Impédance de sortie très faible (théoriquement nul)
- Ve+=Ve- Vs = A . (Ve+ - Ve-) = A.Vd
Fonctionnement en amplificateur
Le suiveur
VS = R.I + ɛ + VE ≈ VE
Si VE > VS alors la sortie VS va tendre vers +Vcc ce qui va la
rendre inférieure à VE. Et dans ce cas aussi VS va se mettre à la
masse (ou –Vcc)
Donc Vs va osciller entre les valeurs de VE à des valeurs très
faible de celuici. On dis que c’est un suiveur
L’inverseur
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e+
Fonctionnement en comparateur
VCC
Convertisseur analogique numérique
Dans ce circuit tous les amplificateurs opérationnels font une
comparaison entre les potentiels es deus entrées e+ et e-.
la tension de référence de chacun est fournis par sa position dans Le diviseur
de tension. C’est-à-dire que l’ampli 1 compare la tension Ve à Vcc/6 alors
que celui du poids le plus fort compare à 5Vcc/6. les sortie seront alors
Numérique. Le code numérique en sortie sera fonction de la tension d’entrée;
r
5.Vcc/6
0
r
4.Vcc/6
0
r
3.Vcc/6
0
r
2.Vcc/6
1
r
Vcc/6
Ve
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1
r
Chapitre II: Technique de réalisation des circuits imprimés
I- Introduction
I.1.Généralités
On appel circuit électronique un ensemble de composants reliés électriquement
par des liaisons conductrice de manière à réaliser une fonction.
Définitions:
• On utilise un support isolant ( résine, bakélite, époxy,…) sur lequel les
connexions entre les composants sont préalablement collées, puis on places les
composant on les reliant a leur connexions par des soudure en étain.
•Une plaque pré sensibilisé est une plaque d’isolant rigide sur lequel un film de
cuivre recouvre toute la surface et qui est lui-même protégé par une résine résistant
au perchlorure de Fer mais qui est sensible aux UV. Cette résine est protégé par un
film de plastique opaque au UV.
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I.2. Technique de réalisation de circuit Imprimés
Pour réaliser pratiquement un circuit électrique on procède en premier lieu à la réalisation
de circuit imprimé qui, pour le réaliser on procède de la manière suivante:
•On réalise le masque ( typon) qui protégera la résine photosensible des UV lors de
l’insolation.
•La protection en plastique de la résine est retirée de la surface de la plaque présensibilisé.
•On pose ce typon sur la plaque coté résine on prenant en considération le coté de
l’implantation des composant et le coté cuivre.
•On procède à l’insolation dans le but d’affaiblir la résine sur les surfaces non-protégées(
Insolation) .
•On plonge la plaque dans une solution basique appelée révélateur (Révélation).
•On rince la plaque puis on l’a plonge dans du perchlorure de Fer. (gravure).
Rq: les temps de l’insolation et de la gravure doivent être soigneusement choisis.
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I.3. Réalisation du typon
Nous pouvons procéder de deux manière pour la réalisation du typon/
• Avec un logiciel
• A la main
I.3.1. réalisation de typon avec un logiciel
Il existe des logiciel de développement de circuits imprimés qui donnent la possibilité de faire
le dessin du typon d’une manière automatique ou semi-automatique.
I.3.2. réalisation de typon à la main
Pour le développement du typon à la main, le tracé doit se faire premièrement au crayon puis
sera retracé a une ancre opaque au UV.
•Il faut toujours avoir le schéma électrique sous les yeux.
•Répertorier les composants qui prendrons place sur le circuit imprimé.
•Inventorier les point de branchement de la carte (alimentation, transformateur,
composants extérieurs ….)
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I.3.3. Dimension du circuit et largeur des pistes
Limite inférieur: la limite inférieur des dimension de la carte est dicté par l’encombrement
des composants.
Limite supérieure: la limite supérieur est dicté par les dimensions du boîtier qui va l’abriter.
Les Pas normalisés: l’écartement des broches des composants électroniques sont toujours un
multiple d’un pas normalisé donné par 1/10 de pouce ou 2.54mm, il faudra donc dessiner son
typon sur une feuille quadrillée.
Entrées et Sortie: dans la mesure du possible, les entrées et sorties sont disposées sur des
cotés opposés.
Largeurs des pistes: on fonction de l’épaisseur du film de cuivre nous réaliserons la largeur
de la piste en fonction du courant max qui va traverser à une température de 30°C.
Courant(A)
1.8
1.9
4.6
0.36mm 0.6mm
70µm Cu
35µm Cu
3.5
0.35mm
0.4mm
5.8
0.6mm
8.2
12
0.9mm 1.75mm 2.3mm
0.72mm 1.14mm 1.78mm 2.5mm
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10.5
3.5mm
4.5mm
14
16.1
2.9mm
3.5mm
5.8mm
7.1mm
Ecart entre les pistes: on fonction de la tension entre les pistes on doit respecter les distance
qui séparent ces dernières.
Tension (V)
0-50
50-100
100-170
170-250
250-500
Ecart minimum (mm)
0.5
0.7
1.0
1.2
3.0
Dimension des pastilles et des forets: en fonction des composant à utiliser les dimension
des foret de perçage sont choisis. Les dimension des foret en fonction des composant sont
donnés dans le tableau suivant.
composant
Res ¼ W
Res ½ W
Res 1 W
Res 2W
Ø du fil (mm)
0.5
0.7
1
1.1
0.5-0.8
0.5 ou 0.6
0.6
Ø du foret (mm)
0.8
0.8
1.1
1.3
0.8 ou 1.1
0.8
0.8
Ø mini de la pastille
1.39
1.3
1.98
1.98
1.98
1.98
1.3
Ø optimal de pastille
1.98
1.98
2.54
2.54
2.54
2.54
2.54
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condensateur Diode & transistor
faible puissance
Circuit
integré
I.3.4. Quelques règles pour les circuits imprimés:
Quelques règles sont obligatoire alors qu’il faut éviter quelques autres erreurs. Le tableau
suivant montres les quelques règles d’obligations et d’interdiction dans les circuits imprimés.
Interdiction
Obligation
Les angles à 90° sont à éviter
Les pistes sont disposées soit horizontalement soit
verticalement soit à 45°(soit en arrondi)
Les pistes ne doivent pas passer au dessous d’un
transistor
Pas de pastille pour deux ou plusieurs broches de
composant
Chaque broche d’un composant doit avoir sa propre
pastille
De placer deux broches dans un trou
interdit
à éviter
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correct
interdit
à éviter
cours AP 2017
correct
I.3. Procédé de gravure du circuit imprimé
Le tracé du typon est reproduit sur du papier transparent aux ultraviolets, celui-ci est
placé entre les rayons ultraviolet est le cuivre dans l’étape « insolation »
(1)- insolation: des lampes à rayons ultraviolets éclairent violemment ensemble.
Dans cette opération il faut choisir un temps assez long pour permettre d’affaiblir la
résine qui n’est pas protégée mais pas trop long pour ne pas agir sur celle protégée
par le typon.
(2)- la plaque est plongée pendant quelques secondes, dans une solution révélatrice
(appelée révélateur). Cette dernière permet de rendre soluble la résine au seuls
endroits ou elle est touchée par les UV.
(3)- le cuivre n’est maintenant protégé que par la résine, le perchlorure de fer peut
alors extraire le cuivre des surface où il est apparent (surface non protégées par la
résine)
(4) – avant d’implanter les composant il est conseillé de vérifier la continuité des
pistes et l’absence de court-circuit qui pourrait endommager les composants.
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1.4- construction finale de la maquette
1.4.1 - perçage des trous
On supposant que la plaque est préalablement bien découpée nous procédons
au perçage, on doit connaître les composants à implanter pour pouvoir choisir les
foret. Les foret à utiliser sont choisis en fonction des diamètres des trous à percer.
1.4.2 – la soudure
- Le soudage doit toujours se faire avec soin.
- Utiliser le minimum de soudure pour mettre en contact le maximum des deux
surfaces (patte et piste).
-Le fer à souder est mis sur les deux surfaces à souder, mais il ne faut pas le
laisser trop long temps sous risque d’endommager le circuit à souder.
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Chapitre III: Technique de fabrication de circuits intégrés
1- Introduction:
Un circuit intégré est un empilement de couches successive «actives et non actives»
sur un substrat dans le but d’obtenir une fonction ou plusieurs. La technologie la plus
répondu est la plus facile pour la fabrication des circuit intégré est la technologie
CMOS.
Le silicium est le moteur des industrie de microélectronique. Il est la base de la
technologie CMOS.
Le substrat en technoogie CMOS est du silicium
La grille est du polysilicium
Et l’isolant est de l’oxyde de silicium.
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3- les différent circuits integrés
3.1- circuits standard
des composants ou la conception est réalisée préalablement par le fabriquant
pour réaliser une certaine fonction
3.2- Les ASICs: ( circuit intégré spécifique)
-Pour une plus grande vitesse d’execution
- moindre encombrement
- faible consommation
- Fiabilité
3.2.2- circuits semi-spécifiques
* les circuits programmable:
La personnalisation du circuit, de manière réversible ou irréversible est faite par le
concepteur, mais l’ensemble des étapes de fabriquant sont réalisé par le fabriquant
* circuit prédiffusé:
Les premières étapes de fabrication sont réalisées préalablement à la conception. l
»’utilisateur va personnaliser une matrice standard caractérisée par un nombre de
cours
AP 2017concevoant les masques finaux de
transistore et de plots d’entrées/sorties
limitéen
fabrication (contacts, métalisation)
3.2.3- circuit spécifiques
* circuits pré-caractérisés
* circuits sur mesure
3.3- les circuits programmables
Ce sont des composants standards programmables une seule ou plusieurs fois.
Dans ces circuits, les architectures offrent un ensemble de ressources logiques
(portes, bascules…) qui peuvent être interconnectées de différentes façons;
Les technologies de fabrications sont nombreuses:
-Fusibles en métal
-Antifusibles (capacités)
-Transistors MOS à grille flottante (EPLD)
-Mémoire RAM statique (FPGA-SRAM) ou flash.
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