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1. Introduction
1.1. Le cours
Ce cours concerne les blocs de bases de l'électronique intégrée analogique.
Il contient les notions nécessaires à comprendre l'architecture de blocs
fonctionnels simples et à dimensionner des éléments étant données des
contraintes raisonnables.
Le cours est composé de trois parties:
•la théorie dans laquelle sont données les définitions, les explications
concernant le comportement des blocs fonctionnels et les règles de
conception,
•les exercices qui permettent de revoir la matière et de vérifier que sa
compréhension est correcte
•les laboratoires qui confrontent la théorie avec la réalité des mesures.
L'étudiant est supposé avoir une connaissance générale de l'électronique
analogique et digitale avant le début du cours. Ces connaissances seront
révisées et exprimées dans le language habituel des concepteurs de circuit
intégrés.
Après avoir suivi ce cours, l'étudiant devrait pouvoir s'intégrer rapidement
dans une équipe de conception de circuit intégré en tant que technicien de
support, en particulier dans la phase de dessin des géométries du circuit
intégré (layout), de mesure et de test. Les connaissances qu'il aquiert ici lui
permettent de dialoguer avec les ingénieurs de développement, de mieux
comprendre les implications des choix qui se font lors de cette phase de la
conception et ainsi d'améliorer la qualité globale du circuit intégré.
1.2. La conception de circuits intégrés
Le but de la conception de circuits intégrés est de transformer les contraintes
et spécifications du circuit en une liste d'éléments, avec leurs dimensions et
propriétés, qui définissent le circuit intégré.

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Figure: La conception est la fabrication des schémas et du plan du circuit
intégré à partir de sa spécification.
1.3. Les paramètres petits signaux
Dans les circuits analogiques, les composants n'utilisent généralement pas
toute leur plage de fonctionnement, mais qu'une petite partie de celle-ci. On
dit alors qu'on évolue autour d'un point de travail. On va exprimer le
comportement du dispositif en paramètres petits signaux qui dépendent du
point de travail. Il s'agit en fait d'une approximation linéaire du comportement
réel du dispositif.
Figure: Paramètres petits signaux. La pente G donne le rapport entre le
courant et la tension au point de travail, alors que la pente g donne
le rapport entre l'évolution du courant et l'évolution de la tension
aurtour du point de travail

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Figure: Signal transformé par un transistor, usage des paramètres petits
signaux.

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2. Les éléments disponibles en technologie CMOS
2.1. Éléments actifs en technologie CMOS
Les éléments actifs disponibles en technologie CMOS sont les transistors
MOS et des transistors bipolaires (souvent dits parasites).
2.1.1. Les transistors MOS
Les transistors MOS sont réalisés dans la surface du circuit intégré. Ils sont
composés de deux diffusions conductrices (drain et source) séparées par un
espace dont la conductivité est controlée par une grille (couche de
polysilicium déposée sur une couche très mince d'oxyde), le canal du
transistor se formant dans le caisson situé sous la grille. Les transistors sont
isolés les uns des autres par des diodes.
Dans les technologies CMOS courantes existent deux types de transistors
MOS: les MOS à canal n et les MOS à canal p, aussi appelé MOS n et MOS
p. Les MOS à canal n ont des drains et sources dopés par un matériau ayant
un excès de charges négatives (électrons), les MOS à canal p ont des drains
et sources dopés par un matériaux ayant un excès de charges positives
(trous). L'espace séparant les drains et sources est très légèrement dopé en
polarité inverse formant donc deux diodes opposées lorsqu'il n'est pas
polarisé. La polarisation de la grille permet d'inverser localement la
polarisation de l'espace séparant drain et source et de créer ainsi un canal
conducteur.
n-
n+ p+ p+ n+ n+
V+ D G S V- DG S
Figure: Les transistors MOS dans une technologie intégrée

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2.1.2. Définitions
grille G
drain D
source S
caisson B grille G
drain D
source S
caisson B
Figure: Symbole des transistors MOS n et p.
Les tensions mesurées sur les bornes du transistor MOS sont nommées:
VGS:tension entre la grille et la source du transistor
VDS:tension entre le drain et la source du transistor
VD:tension entre le drain et le caisson du transistor
VG:tension entre la grille et le caisson du transistor
VS:tension entre la source et le caisson du transistor
Ces tensions sont en principe utilisées avec leur signe. Néanmoins, lorsqu'il
n'y a pas d'ambiguité, on a tendance à n'indiquer que la valeur absolue des
tensions et paramètres des transistors.
Comme le transistor MOS habituel est symétrique, le drain n'est pas
différenciable de la source. Par commodité, on appelle généralement drain le
côté d'un canal n au potentiel le plus élevé, et le côté d'un canal p au
potentiel le plus faible, les charges s'écoulant donc de la source vers le drain.
Si on ne le mentionne pas autrement, on considère positif un courant qui
entre dans un composant (comme le courant de drain d'un transistor n ou le
courant de source d'un transistor p).
2.1.3. Equations définissant le comportement du transistor MOS.
On peut partager le fonctionnement du transistor MOS en plusieurs modes,
selon le mécanisme qui prédomine au contrôle du courant de drain par la
tension de grille.
•Mode de forte inversion saturée: comportement quadratique
•Mode linéaire: comportement linéaire
•Mode de faible inversion saturée: comportement exponentiel