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Systèmes Electroniques - 2002- 2003 1 Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion.

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1 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 1 Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur Frederic.Gaffiot@ec-lyon.fr

2 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 2 Exemple de système Digital Camera

3 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 3 Exemple de système Capteur: CCD image sensor zone active

4 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 4 Exemple de système énergie Valence Band Conduction Band 1.26eV photon : 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 Capteur: Effet Photoélectrique

5 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 5 Exemple de système Capteur: CCD (charge coupled device) Interline Transfer 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 zone photosensibleregistre

6 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 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

7 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 7 Exemple de système Capteur: acquisition

8 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 8 Exemple de système Capteur: transfert vers les registres

9 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 9 Exemple de système Capteur: transfert de la première ligne

10 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 10 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne

11 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 11 Exemple de système Capteur: transfert horizontal de la première ligne

12 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 12 Photons incidents Les photons génèrent des paires électron-trou. Les electrons sont accumulés sous les électrodes de potentiel le plus élevé. Exemple de système Capteur: transfert des charges N P SiO2

13 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 13 Capteur: transfert des charges Exemple de système Energie P N Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé Charge accumulée

14 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 14 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

15 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 15 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

16 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 16 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

17 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 17 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

18 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 18 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

19 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 19 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

20 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 20 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

21 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 21 Exemple de système Capteur: transfert des charges Energie P N

22 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 22 introduction électronique analogique/numérique t v(t) t conversion analogique/numérique échantillonnage

23 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 23 mux CAN 8 bits introduction f V(f) f max f V(f) f max filtre PB 3,4 kHz éch. 8 kHz CAN 8 bits 32 voies t v*(t) 1 ech.=125µs 64 kbits/s t v 1 (t ) 32 ech.=125µs 2.048 Mbits/s

24 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 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

25 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 25 matériau SC As Si cristal de Si à la température T h dopage

26 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 26 matériau SC conduction dans les matériaux SC conduction par champ électrique (dérive) E conduction par diffusion

27 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 27 jonction PN PN As + B-B- E conduction par champ diffusion

28 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 28 jonction PN PN E conduction par champ diffusion courant intense

29 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 29 jonction PN PN E conduction par champ diffusion courant faible

30 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 30 jonction PN PN i v v i i v i R

31 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 31 composant de base : le transistor IbIb IcIc B E C V ds D S G IdsIds VgsVgs NPNNPP bipolaireMOS CEB DS V g V ds IdsIds V ce IcIc I b VceVce

32 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 32 composant de base : le transistor IbIb IcIc B E C IpIp XcXc VceVce 1 er modèle : interrupteur commandé X c « petit »: interrupteur ouvert (I p =0) X c « grand »: interrupteur fermé (V p =0) D S G IdsIds V ds VgsVgs VpVp

33 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 33 I b composant de base : le transistor R V s =V dd 0 Ip=0Ip=0 V g V ds IdsIds V ce IcIc R V s =0 1 I p =V dd /R

34 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 34 composant de base : le transistor R V dd VsVs VeVe I b =0 Ic=0Ic=0 VddVdd V e =0 V ce V dd I ds = 0 VddVdd V gs =0 V ds V dd

35 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 35 composant de base : le transistor R VddVdd VsVs VeVe IbIb I c VddVdd V e =V dd V ce 0 I ds 0 V dd V gs =V dd V ds 0

36 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 36 composant de base : le transistor IbIb IcIc B E C VceVce 2 ème modèle : source de courant contrôlée D S G IdsIds V ds VgsVgs I c = I b B IbIb I ds = f(V gs ) G VgsVgs

37 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 37 composant de base : le transistor 2 ème modèle : source de courant contrôlée IbIb IcIc VddVdd VeVe V s = V ce V ce IcIc IbIb VbeVbe VeVe VsVs S B

38 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 38 composant de base : le transistor VeVe VsVs saturation blocage fonctionnement linéaire circuits logiques électronique de puissance autres (timer, …) circuits linéaires

39 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 39 circuits intégrés substrat (Si) oxyde (SiO 2 ) résine masque UV gravure (HF ou plasma)

40 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 40 circuits intégrés oxydation (grille) gravure dépôt poly-Si gravure poly-Si gravure oxyde mince implantation-diffusion dépôt d'oxyde ouverture des contacts dépôt de métal gravure du métal

41 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 41 circuits intégrés deux grandes familles technologiques: CMOS et bipolaire C I t V diminution du paramètre techno. diminution des tensions compromis vitesse - consommation

42 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 42 circuits intégrés CMOS technologie CMOSpMOS nMOS

43 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 43 circuits intégrés CMOS pMOSnMOS VgsVgs D S G VgsVgs D S G V gs V dd V gs -V dd SD V gs 0 SD

44 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 44 circuits intégrés CMOS pMOS nMOS ESES exemple : inverseur V alim

45 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 45 circuits intégrés CMOS ES exemple : inverseur E=1 E=0 S=0 S=1 E01E01 S10S10 ES V alim

46 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 46 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur p+ caisson n n+ V alim V ref ES grille substrat p transistor ntransistor p

47 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 47 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur

48 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 48 circuits intégrés CMOS exemple : inverseur

49 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 49 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND A=1 et B=1 A=0 ou B=0 B0101B0101 S1110S1110 A S V alim B S=1 S=0 A0011A0011 A S B

50 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 50 circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND

51 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 51 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR A=1 ou B=1 A=0 et B=0 B0101B0101 S1000S1000 A0011A0011 A S B A V alim B S S=0 S=1

52 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 52 circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR

53 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 53 circuits intégrés

54 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 54 circuits intégrés 1971 1980 1990 2000 4004 8080 8086 80486 P P-II P-III évolution du nombre de transistors des µP Intel loi de Moore : N tr est multiplié par 1,4 par an

55 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 55 circuits intégrés 1971 19801990 2000 8080 8086 80486 P P-II P-III évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel MHz

56 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 56 circuits intégrés 4004P-II 1972: 2500 transistors2000: >10 000 000 transistors

57 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 57 circuits intégrés (nm) (mm 2 ) (en millions) (MHz) (W) (V)

58 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 58 circuits intégrés circuit porte fonction système composant hiérarchie

59 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 59 circuits intégrés salle blanche masque de lithographie wafer fours de diffusion

60 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 60 circuits intégrés "bonding" boitier DIL boitiers

61 Systèmes Electroniques - 2002- 2003 61 microsystèmes


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