BCI - TPSP - Électronique Numérique Intégrée

BCI - TPSP - Électronique Numérique Intégrée
Jean-Luc Danger
Sylvain Guilley
Philippe Matherat
Yves Mathieu
Lirida Naviner
Alexis Polti
Jean Provost
26 septembre 2005

Résumé
Polycopié des cours du module ENI (Électronique Numérique Intégrée) de Telecom Paris.
Le polycopié est disponible au format PDF à l’adresse suivante :
http ://www.comelec.enst.fr/tpsp/eni/poly/eni.pdf
L’accès est libre depuis l’ENST ou Eurécom.
Les corrigés des TD sont accessibles à l’adresse suivante :
http ://www.comelec.enst.fr/tpsp/eni/poly_corr/
Cours 1A Cours 2A Intitulé
L1 L1 Traitement matériel de l’information (chapitre 1page 21)
LG2 LG2 Fonctions de base, bibliothèque (chapitre 2page 35)
LG3 LG3 Opérateurs arithmétiques (chapitre 3page 49)
TD1 TD1 Fonctions de base : applications (chapitre 10 page 167)
TP9 TP3 Combinatoire dans CLP
L1 SC L4 Du Silicium aux transistors (chapitre 4page 59)
L4 L5 Du Transistor à la logique complémentaire (chapitre 5page 83)
TD2 TD2 Analyse et synthèse de portes logiques (chapitre 12 page 173)
L5 L6 Performances de la logique complémentaire CMOS (chapitre 6page 99)
TD3 TD3 Temps de propagation, surface, bibliothèques (chapitre 13 page 177)
TP10 TP4 Caractérisation électrique de portes
LG6 LG7 Logique séquentielle synchrone, bascules (chapitre 7page 111)
TD4 TD4 Utilisation des bascules (chapitre 14 page 181)
LG7 LG8 Machines à états finis (chapitre 8page 125)
TD5 TD5 Utilisation et synthèse des machines à états (chapitre 15 page 185)
TP11 Machines à états dans CLP
LG8 LG9 Processeurs (chapitre 9page 143)
LG9 Processeurs (2) (chapitre 9page 143)
TP12 TP5 Nano processeur dans CLP
CC CC Contrôle de connaissances

2

Table des matières
Table des matières 3
Liste des tableaux 11
Table des figures 15
I Leçons 19
1 Traitement matériel de l’information 21
1.1 Du composant au systèmes numériques ......................... 21
1.2 Signal et Information ................................... 22
1.2.1 Signal électrique et traitement de l’information ................ 22
1.2.2 Codage analogique de l’information : l’exemple du signal sonore . . . . . . . 24
1.2.3 Codage numérique de l’information ....................... 24
1.2.4 L’exemple du signal binaire ........................... 26
1.3 Le signal binaire représenté par une grandeur électrique ............... 27
1.3.1 Comment peut-on générer un signal électrique binaire ? ........... 27
1.3.2 Comment peut-on extraire un symbole binaire d’un signal électrique ? . . . 27
1.3.3 Comment peut-on créer un opérateur de traitement binaire ? . . . . . . . . 29
1.4 La technologie micro-électronique ............................ 29
1.4.1 Quelles propriétés des matériaux peut-on exploiter pour créer des transistors ? 30
1.4.2 Quelles sont les différentes étapes de la fabrication des circuits intégrés ? . . 31
1.5 Les filières technico-économiques ............................ 31
1.5.1 La recherche d’un optimum de rendement dans l’utilisation de la technologie 31
1.5.2 Les circuits « universels » tels les microprocesseurs .............. 32
1.5.3 Les circuits spécifiques à une application .................... 32
1.5.4 Les circuits logiques programmables ...................... 33
1.5.5 Les systèmes intégrés sur puces ......................... 33
1.6 Bibliographie ....................................... 33
2 Fonctions de base 35
2.1 Introduction ........................................ 35
2.2 Variables et fonctions logiques, tables de vérité .................... 35
2.3 Représentations des fonctions logiques ......................... 36
2.3.1 Formes algébriques ................................ 36
2.3.2 Forme disjonctive ................................. 36
2.3.3 Forme conjonctive ................................ 37
2.3.4 Équivalence entre la table de vérité et les formes canoniques . . . . . . . . . 37
2.3.5 Forme canonique disjonctive ........................... 37
2.3.6 Forme canonique conjonctive .......................... 38
2.4 Description de méthodes de simplification ....................... 38
2.4.1 Utilisation des propriétés de l’algèbre de Boole ................ 39
2.4.2 Simplification à partir de la forme algébrique ................. 39
2.4.3 Méthode des tables de Karnaugh ........................ 40
3

4TABLE DES MATIÈRES
2.4.4 Construction du tableau de Karnaugh ..................... 40
2.4.5 Règles de simplification ............................. 41
2.4.6 Fonctions non complètement définies ...................... 42
2.4.7 Pertinence de la méthode ............................ 42
2.5 Représentation schématique des fonctions logiques .................. 43
2.6 Quelques fonctions combinatoires importantes ..................... 44
2.6.1 Fonctions d’aiguillage : multiplexeurs ...................... 44
2.6.2 Opérateurs de comparaison ........................... 44
2.7 Annexes .......................................... 46
2.7.1 Exercice de consolidation ............................ 46
2.7.2 Bibliographie ................................... 48
3 Opérateurs arithmétiques 49
3.1 Introduction ........................................ 49
3.2 Représentation (codage) des nombres .......................... 49
3.2.1 Représentation Simples de Position ....................... 49
3.2.2 Conversions entre Bases ............................. 50
3.2.3 Représentation en Signe et Valeur Absolue .................. 51
3.2.4 Représentation en Complément à 2 ....................... 51
3.2.5 Autres Codes ................................... 52
3.3 Fonctions arithmétiques ................................. 53
3.3.1 Additionneur ................................... 53
3.3.2 Soustracteur ................................... 55
4 Du silicium aux transistors 59
4.1 Introduction ........................................ 59
4.1.1 Historique ..................................... 59
4.1.2 Objectifs ..................................... 59
4.1.3 Organisation de la leçon ............................. 59
4.2 Circuit élémentaire .................................... 60
4.3 Rappels de physique simplifiée ............................. 61
4.3.1 Notion de courant ................................ 61
4.3.2 Conducteur, semi-conducteur, dopages ..................... 62
4.3.3 La jonction PN .................................. 65
4.4 Composants MOS .................................... 66
4.4.1 Première étape : la résistance .......................... 66
4.4.2 Seconde étape : la diode ............................. 67
4.4.3 Troisième étape : le transistor bipolaire .................... 67
4.5 Le transistor MOS .................................... 68
4.5.1 Le fonctionnement des transistors CMOS ................... 68
4.5.2 Connexions des transistors ........................... 70
4.6 Modèle électrique ..................................... 70
4.6.1 Les jonctions ................................... 70
4.6.2 Formation du canal : la capacité MOS CGB .................. 70
4.6.3 Le courant drain-source (VGB > VTN)..................... 72
4.6.4 Le condensateur élémentaire ........................... 72
4.6.5 Calcul de IDS ................................... 73
4.6.6 Le courant IDS en résumé ............................ 76
4.6.7 La tension de seuil ................................ 76
4.6.8 Conclusion sur le courant IDS .......................... 78
4.6.9 Modélisation des capacités ............................ 78
4.6.10 Schéma du modèle ................................ 79
4.7 Caractéristiques de la technologie CMOS ....................... 80
4.7.1 Intégrabilité .................................... 80
4.7.2 Diminution des géométries “scaling down” ................... 80
4.8 Bibliographie ....................................... 81