Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur Frederic.Gaffiot@ec-lyon.fr Systèmes Electroniques - 2002-2003 1
Exemple de système Digital Camera Systèmes Electroniques - 2002-2003 2
Exemple de système Capteur: CCD image sensor zone active Systèmes Electroniques - 2002-2003 3
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 - 2002-2003 4
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 - 2002-2003 5
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 - 2002-2003 6
Exemple de système Capteur: acquisition Systèmes Electroniques - 2002-2003 7
Exemple de système Capteur: transfert vers les registres Systèmes Electroniques - 2002-2003 8
Exemple de système Capteur: transfert de la première ligne Systèmes Electroniques - 2002-2003 9
Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques - 2002-2003 10
Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne Systèmes Electroniques - 2002-2003 11
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 - 2002-2003 12
Exemple de système Capteur: transfert des charges Charge accumulée N P Energie Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé Systèmes Electroniques - 2002-2003 13
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 14
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 15
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 16
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 17
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 18
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 19
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 20
Exemple de système Capteur: transfert des charges N P Energie Systèmes Electroniques - 2002-2003 21
introduction électronique analogique/numérique v(t) t t conversion analogique/numérique échantillonnage Systèmes Electroniques - 2002-2003 22
32 voies introduction filtre PB 3,4 khz éch. 8 khz V(f) f V(f) f f max f max 2.048 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 - 2002-2003 23
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 - 2002-2003 24
matériau SC hν cristal de Si à la température T As Si dopage Systèmes Electroniques - 2002-2003 25
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 - 2002-2003 26
jonction PN P N B- E As + conduction par champ diffusion Systèmes Electroniques - 2002-2003 27
jonction PN P N E conduction par champ diffusion courant intense Systèmes Electroniques - 2002-2003 28
jonction PN P N E conduction par champ diffusion courant faible Systèmes Electroniques - 2002-2003 29
jonction PN i P N i v v i i R v Systèmes Electroniques - 2002-2003 30
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 - 2002-2003 31
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 - 2002-2003 32
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 - 2002-2003 33
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 - 2002-2003 34
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 - 2002-2003 35
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 - 2002-2003 36
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 - 2002-2003 37
composant de base : le transistor V s fonctionnement linéaire blocage saturation V e circuits logiques électronique de puissance autres (timer, ) circuits linéaires Systèmes Electroniques - 2002-2003 38
circuits intégrés substrat (Si) gravure (HF ou plasma) oxyde (SiO 2 ) résine UV masque Systèmes Electroniques - 2002-2003 39
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 - 2002-2003 40
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 - 2002-2003 41
circuits intégrés CMOS nmos technologie CMOS pmos Systèmes Electroniques - 2002-2003 42
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 - 2002-2003 43
circuits intégrés CMOS exemple : inverseur V alim V alim pmos E S E S nmos Systèmes Electroniques - 2002-2003 44
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 - 2002-2003 45
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 - 2002-2003 46
circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques - 2002-2003 47
circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Systèmes Electroniques - 2002-2003 48
circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND A B S A V alim B A=1 et B=1 S=0 0 0 0 1 1 1 S 1 0 1 A=0 ou B=0 1 1 0 S=1 A B S Systèmes Electroniques - 2002-2003 49
circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND Systèmes Electroniques - 2002-2003 50
circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR V alim A B S A B S A=1 ou B=1 S=0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 A=0 et B=0 S=1 A B S Systèmes Electroniques - 2002-2003 51
circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Systèmes Electroniques - 2002-2003 52
circuits intégrés Systèmes Electroniques - 2002-2003 53
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+06 80486 P P-II 10 8 6 1,0E+05 8086 4 1,0E+04 1,0E+03 8080 4004 2 0 1971 1980 1990 2000 loi de Moore : N tr est multiplié par 1,4 par an Systèmes Electroniques - 2002-2003 54
circuits intégrés évolution de la fréquence d'horloge des µp Intel MHz 1000 fréquence d'horloge P-III P-II 100 80486 P 10 8080 8086 1 1971 1980 1990 2000 Systèmes Electroniques - 2002-2003 55
circuits intégrés 1972: 2500 transistors 2000: >10 000 000 transistors 4004 P-II Systèmes Electroniques - 2002-2003 56
circuits intégrés 300 250 200 150 100 50 1000 800 600 400 200 paramètre techno. (nm) nombre de transistors/cm2 (en millions) surface de la puce (mm 2 ) 0 1995 2000 2005 2010 2015 0 20000 200 3 15000 10000 5000 nombre d'e/s fréquence d'horloge (MHz) 150 100 50 2,5 2 1,5 1 0,5 puissance (W) alimentation (V) a 0 1995 2000 2005 2010 2015 0 1995 2000 2005 2010 2015 0 Systèmes Electroniques - 2002-2003 57
circuits intégrés hiérarchie système fonction porte composant circuit Systèmes Electroniques - 2002-2003 58
circuits intégrés salle blanche fours de diffusion masque de lithographie wafer Systèmes Electroniques - 2002-2003 59
circuits intégrés "bonding" boitiers boitier DIL Systèmes Electroniques - 2002-2003 60
microsystèmes Systèmes Electroniques - 2002-2003 61