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

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

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

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 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 1ère ligne vers le registre horizontal Phase 4: nouveau transfert Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 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

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

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

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

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

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 introduction filtre PB 3,4 kHz éch. 8 kHz f V(f) fmax f V(f) fmax 2.048 Mbits/s 64 kbits/s mux CAN 8 bits 32 voies CAN 8 bits v1(t) v*(t) t t 32 ech.=125µs 1 ech.=125µs Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 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

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

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

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 jonction PN P N  E conduction par champ diffusion courant intense Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 jonction PN P N E  conduction par champ diffusion courant faible Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 jonction PN i P N i v v i i R v Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor G S D N P N P N P E B C bipolaire MOS D Ic C Ids Ib Vce Vds B Vgs S E Ic Ids Ib Vg Vce Vds Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor 1er modèle : interrupteur commandé C D Ic Ids Ib G Vce Vds B S E Vgs Ip Xc Vp Xc « petit »: interrupteur ouvert (Ip=0) Xc « grand »: interrupteur fermé (Vp=0) Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor Ic Ids Ib Vg Vce Vds R R Ip=0 Ip=Vdd/R Vs=Vdd Vs=0 1 Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor Vdd Ic=0 Ib=0 VceVdd R Ve=0 Vdd Vdd Vs Ve Ids=0 VdsVdd Vgs=0 Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor Vdd Ic Ib Vce0 R Ve=Vdd Vdd Vdd Vs Ve Ids0 Vds0 Vgs=Vdd Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor 2ème modèle : source de courant contrôlée C D Ic Ids Ib G Vce Vds B S Vgs E B G Ib Vgs Ic =  Ib Ids = f(Vgs) Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 composant de base : le transistor 2ème modèle : source de courant contrôlée Vdd Ic Ic Ib Ib Vce Vs= Vce Ve Vbe Vs B S Ve Systèmes Electroniques - 2002-2003

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 circuits intégrés gravure (HF ou plasma) substrat (Si) oxyde (SiO2) résine UV masque Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 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

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

circuits intégrés CMOS nMOS technologie CMOS pMOS Systèmes Electroniques - 2002-2003

circuits intégrés CMOS D Vgs D S G G Vgs S nMOS pMOS S D VgsVdd Vgs-Vdd S D Vgs  0 Vgs  0 Systèmes Electroniques - 2002-2003

circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Valim Valim pMOS E S E S nMOS Systèmes Electroniques - 2002-2003

circuits intégrés CMOS exemple : inverseur Valim S=0 E=1 E 1 S E S E S E=0 S=1 Systèmes Electroniques - 2002-2003

circuits intégrés CMOS exemple : inverseur grille Valim n+ n+ p+ p+ E S substrat p caisson n Vref transistor n transistor p Systèmes Electroniques - 2002-2003

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

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

circuits intégrés CMOS exemple : porte NAND A 1 B 1 S 1 Valim S=0 A=1 et B=1 A B S A=0 ou B=0 S=1 A S B Systèmes Electroniques - 2002-2003

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

circuits intégrés CMOS exemple : porte NOR Valim A 1 B 1 S 1 A A=1 ou B=1 S=0 B S A=0 et B=0 S=1 A S B Systèmes Electroniques - 2002-2003

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 circuits intégrés Systèmes Electroniques - 2002-2003

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 circuits intégrés évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel MHz P-III P-II P 80486 8086 8080 1971 1980 1990 2000 Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 circuits intégrés 1972: 2500 transistors 2000: >10 000 000 transistors 4004 P-II Systèmes Electroniques - 2002-2003

Systèmes Electroniques - 2002-2003 circuits intégrés (nm) (en millions) (mm2) (W) (V) (MHz) Systèmes Electroniques - 2002-2003

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

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

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

Systèmes Electroniques - 2002-2003 microsystèmes Systèmes Electroniques - 2002-2003