Systèmes électroniques

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1 Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur Systèmes Electroniques

2 Exemple de système Digital Camera Systèmes Electroniques

3 Exemple de système Capteur: CCD image sensor zone active Systèmes Electroniques

4 Exemple de système Capteur: Effet Photoélectrique photon photon énergie Conduction Band Valence Band 1.26eV : 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

5 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 1 ère ligne vers le registre horizontal Phase 4: nouveau transfert Systèmes Electroniques

6 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

7 Exemple de système Capteur: acquisition Systèmes Electroniques

8 Exemple de système Capteur: transfert vers les registres Systèmes Electroniques

9 Exemple de système Capteur: transfert de la première ligne Systèmes Electroniques

10 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques

11 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques

12 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

13 Exemple de système Capteur: transfert des charges Charge accumulée N P Energie Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé Systèmes Electroniques

14 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

15 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

16 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

17 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

18 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

19 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

20 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

21 Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques

22 introduction électronique analogique/numérique v(t) t t conversion analogique/numérique échantillonnage Systèmes Electroniques

23 32 voies introduction filtre PB 3,4 khz éch. 8 khz V(f) f V(f) f f max f max Mbits/s 64 kbits/s v 1 (t) mux v*(t) CAN CAN 8 bits 8 bits 32 ech.=125µs t 1 ech.=125µs t Systèmes Electroniques

24 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

25 matériau SC hν cristal de Si à la température T As Si dopage Systèmes Electroniques

26 matériau SC conduction dans les matériaux SC conduction par champ électrique (dérive) E j = σe conduction par diffusion j = D.grad(n) n = D x Systèmes Electroniques

27 jonction PN P N B- E As + conduction par champ diffusion Systèmes Electroniques

28 jonction PN P N E conduction par champ diffusion courant intense Systèmes Electroniques

29 jonction PN P N E conduction par champ diffusion courant faible Systèmes Electroniques

30 jonction PN i P N i v v i i R v Systèmes Electroniques

31 composant de base : le transistor N P N P N P E B C S G D C bipolaire I c D MOS I ds I b B E V ce V gs S V ds I c Ib I ds V g V ce V ds Systèmes Electroniques

32 composant de base : le transistor 1 er modèle : interrupteur commandé C D I b I c G I ds B E V ce V gs S V ds Xc I p V p X c «petit»: interrupteur ouvert (I p =0) X c «grand»: interrupteur fermé (V p =0) Systèmes Electroniques

33 composant de base : le transistor I c I ds I b V g V ce V ds R R I p =0 I p =V dd /R 0 V s =V dd 1 V s =0 Systèmes Electroniques

34 composant de base : le transistor V dd I b =0 I c =0 V e =0 V ce V dd R V dd V dd V s I ds =0 V e V gs =0 V ds V dd Systèmes Electroniques

35 composant de base : le transistor V dd V e =V dd I b I c V ce 0 R V dd V dd V s I ds 0 V e V ds 0 V gs =V dd Systèmes Electroniques

36 composant de base : le transistor 2 ème modèle : source de courant contrôlée C D I b I c G I ds B E V ce V gs S V ds B G I b Ids = f(vgs ) I c = β I b V gs Systèmes Electroniques

37 composant de base : le transistor 2 ème modèle : source de courant contrôlée V dd I c I c I b I b V e V s = V ce V ce V be V s B S V e Systèmes Electroniques

38 composant de base : le transistor V s fonctionnement linéaire blocage saturation V e circuits logiques électronique de puissance autres (timer, ) circuits linéaires Systèmes Electroniques

39 circuits intégrés substrat (Si) gravure (HF ou plasma) oxyde (SiO 2 ) résine UV masque Systèmes Electroniques

40 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

41 circuits intégrés deux grandes familles technologiques: CMOS et bipolaire t I V C diminution du paramètre techno. diminution des tensions compromis vitesse - consommation t = V C I Systèmes Electroniques

42 circuits intégrés CMOS nmos technologie CMOS pmos Systèmes Electroniques

43 circuits intégrés CMOS D D G G V gs S V gs S nmos pmos S D V gs V dd V gs -V dd S D V gs 0 V gs 0 Systèmes Electroniques

44 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim V alim pmos E S E S nmos Systèmes Electroniques

45 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim E=1 S=0 E S E S 0 1 E S E=0 S=1 1 0 Systèmes Electroniques

46 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim grille E S n+ n+ p+ p+ substrat p V ref transistor n transistor p caisson n Systèmes Electroniques

47 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques

48 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques

49 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND A B S A V alim B A=1 et B=1 S= S A=0 ou B= S=1 A B S Systèmes Electroniques

50 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND Systèmes Electroniques

51 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR V alim A B S A B S A=1 ou B=1 S= A=0 et B=0 S=1 A B S Systèmes Electroniques

52 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Systèmes Electroniques

53 circuits intégrés Systèmes Electroniques

54 circuits intégrés évolution du nombre de transistors des µp Intel nb de trans. param. techno. 1,0E+08 P-III 12 1,0E+07 1,0E P P-II ,0E ,0E+04 1,0E loi de Moore : N tr est multiplié par 1,4 par an Systèmes Electroniques

55 circuits intégrés évolution de la fréquence d'horloge des µp Intel MHz 1000 fréquence d'horloge P-III P-II P Systèmes Electroniques

56 circuits intégrés 1972: 2500 transistors 2000: > transistors 4004 P-II Systèmes Electroniques

57 circuits intégrés paramètre techno. (nm) nombre de transistors/cm2 (en millions) surface de la puce (mm 2 ) nombre d'e/s fréquence d'horloge (MHz) ,5 2 1,5 1 0,5 puissance (W) alimentation (V) a Systèmes Electroniques

58 circuits intégrés hiérarchie système fonction porte composant circuit Systèmes Electroniques

59 circuits intégrés salle blanche fours de diffusion masque de lithographie wafer Systèmes Electroniques

60 circuits intégrés "bonding" boitiers boitier DIL Systèmes Electroniques

61 microsystèmes Systèmes Electroniques