1 Cours dElectronique Analogique ENSPS - 1 ière année. Année universitaire : 2004/2005 Thomas Heiser Laboratoire PHASE-CNRS (Physique et Applications des

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  • 1 Cours dElectronique Analogique ENSPS - 1 ire anne. Anne universitaire : 2004/2005 Thomas Heiser Laboratoire PHASE-CNRS (Physique et Applications des Semiconducteurs) Campus Cronenbourg tel: 03 88 10 62 33 mail: heiser@phase.c-strasbourg.fr (http://www-phase.c-strasbourg.fr/~heiser/EA2004/) http://www-phase.c-strasbourg.fr/~heiser/EA/
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  • 2 Quest-ce que llectronique ? Domaine de la physique applique qui exploite les variations de grandeurs lectriques pour capter, transmettre ou analyser des informations. Introduction Le traitement de linformation est gnralement assur par des circuits lectroniques.
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  • 3 Un ensemble de composants (rsistances, condensateurs, diodes, transistors, circuits intgrs: AOP, microprocesseurs, ) qui agissent sur les courants et tensions lctriques Quest-ce quun circuit lectronique ? ils engendrent, modifient et utilisent des signaux lectriques. gnrateur, capteur, compteur,. amplificateur, redressement, modulateur, stockage et traitement de linformation, commande et contrle dappareillage,...
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  • 4 Technologie des composants semiconducteurs Lhierarchie de lElectronique Conception de circuits lectroniques et microlectroniques Ralisation de systmes complets - Conception et modlisation des composants physique des semiconducteurs (transport de charge, interfaces,) - Fabrication des composants physique de la matire condense (croissance cristalline, dopage, ) - Conception de circuits fonctionnels - Conception assiste par ordinateur Traitement du signal, algbre de Boole - Architecture des systmes - Interfaces avec lenvironnement - Systmes asservis
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  • 5 Electronique Analogique ou Numrique Electronique analogique - Variation continue des grandeurs lectriques Information valeurs instantanes I(t) et V(t) Electronique numrique - Variation binaire des grandeurs lectriques Codage de lInformation Niveau dabstraction supplmentaire
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  • 6 Instrumentation Robotique Communications Multimdia Systmes informatiques Cartes mmoires Pourquoi quelles applications ?
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  • 7 R&D sur les composants lectroniques rduction des dimensions, introduction de nouveaux matriaux, nouveaux types de composants: optolectronique, de puissance, mmoires,... Simulation et programmation R&D sur la simulation de la fabrication et du fonctionnement des C.I. Conception de circuits lectroniques conception, simulation et ralisation de circuits pour toute application Pourquoi quels mtiers ?
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  • 8 Llectronique : Un domaine en volution exponentielle En 1947 : le premier transistor En 1957 : le premier CI (Texas / Kilby)
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  • 9 En 1971 : le premier Processeur 4004 dINTEL : 15/11/1971 (2250 Transistors Bipolaires, 108 KHz, 4bits, 604 mots ad.)
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  • 10 Hier : le Pentium IV 42.10 6 TMOS (taille dun transistor: ~0,18 m)
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  • 11 La loi empirique de Moore Taille des transistor Taux dintgration Vitesse de calcul
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  • 12 et demain La nano-lectronique Transistor 25nm (10nm possible) Couplage avec la micro-mcanique et loptique (MEMS, MOEMS)
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  • 13 Electronique molculaire Une molcule comme composant Electronique sur plastique Les technologies mergentes
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  • 14 Mais a ne se fait pas tout seul...
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  • 15 L Electronique lENSPS 1A: Les bases : - Electronique Analogique - Electronique Numrique - Complment dlectronique 2A: Notions avances : - Electronique Numrique et Analogique II - Simulation et modlisation en microlectronique - Microcontrleurs En option : - Physique des dispositifs semiconducteurs - Technologie des composants numriques 3A: La spcialisation : - ENSPS: OPTION ELEC - MASTER Micro- et Nano- Electronique: Composants et Systmes
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  • 16 Physique de la matire semiconducteurs, thorie des bandes, transport de charges Emetteurs capteurs physique des composants semiconducteurs Systmes asservis systmes linaires, circuits contre-raction Traitement du signal filtrage, systmes linaires, modulation... Le lien avec les autres enseignements (1A) :
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  • 17 Contenu du cours d lectronique analogique 1.Quelques rappels utiles 2. Les Diodes 3. Applications des diodes 4. Le Transistor bipolaire 5. Les Transistors effet de champ 6. Rtroaction et amplificateur oprationnel Bibliographie * Trait de l lectronique analogique et numrique (Vol.1), Paul Horowitz & Winfield Hill, Elektor,1996 * Principes dlectronique, Alberto P. Malvino, McGraw-Hill, 1991 * Electronique: composants et systmes d'application, Thomas L. Floyd, Dunod, 2000 *Microlectronique, Jacob Millman, Arvin Grabel, Ediscience International, 1994
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  • 18 1. Les bases 1.1 Composants linaires et loi dOhm : Le modle linaire ne dcrit le comportement rel du composant que dans un domaine de fonctionnement (linaire) fini. I V Rsistance lectrique = composant linaire : V = R I loi dOhm V I R Gnralisation aux circuits en rgime harmonique (variation sinusodale des tensions et courants) : C L composant linaire : impdance :
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  • 19 1.2 Source de tension, source de courant : 1.2.1 Sources idales : I V IoIo IoIo Vcharge I source de courant idale : le courant fourni par la source est indpendant de la charge source de tension idale : V I VoVo VoVo Vcharge I la tension aux bornes de la source est indpendante de la charge
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  • 20 V 1.2.2 Sources relles : I IoIo source de courant relle : Le domaine de linarit dfini la plage de fonctionnement du composant en tant que source de courant domaine de fonctionnement linaire ou domaine de linarit source de courant R i >> V/I = Z e = impdance dentre de la charge. tant que I >> courant dans la rsistance interne schma quivalent Schma quivalent: IoIo RiRi Vcharge I R i = rsistance interne (G i = 1/R i = conductance interne) hyp : V domaine de linarit
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  • 21 V I VoVo source de tension relle : domaine de linarit schma quivalent VoVo Vcharge I source de tension R i
  • 22 Transformation de schma : selon la valeur de Z e /R i on parle de source de tension (Z e >>R i ) ou source de courant (Z e ~0.7, le courant augmente rapidement avec une variation peu prs linaire la diode est dite passante mais I d nest pas proportionnel V d (il existe une tension seuil~ V o ) VoVo
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  • 27 VdVd n Zone du coude : V d [0,~ V o ] : augmentation exponentielle du courant avec 1 2 (facteur didalit) V T = k T/e k = 1,38 10 -23 J/K= constante de Boltzmann e= 1.6 10 -19 Coulomb, T la temprature en Kelvin I s = courant inverse le comportement est fortement non-linaire forte variation avec la temprature VoVo * V T (300K) = 26 mV
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  • 28 n Zone de claquage inverse Ordre de grandeur : V max = quelques dizaines de Volts peut conduire la destruction pour une diode non conue pour fonctionner dans cette zone. V max = P.I. V (Peak Inverse Voltage) ou P.R.V (Peak Reverse Voltage) IdId VdVd V max claquage par effet Zener ou Avalanche VoVo Limites de fonctionnement : Il faut que V d I d =P max n Limitation en puissance V d I d =P max n Influence de T : V d ( I d constant) diminue de ~2mV/C diode bloque : I d = I S double tous les 10C diode passante : (diode en Si)
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  • 29 2.3 Diode dans un circuit et droite de charge 2.3.1 Point de fonctionnement V al RLRL VRVR IdId I d, V d, ? nComment dterminer la tension aux bornes dune diode insre dans un circuit et le courant qui la traverse? VdVd I d et V d respectent les Lois de Kirchhoff I d et V d sont sur la caractristique I(V) du composant Au point de fonctionnement de la diode, (I d,V d ) remplissent ces deux conditions
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  • 30 V al /R L V al Droite de charge IdId VdVd Caractristique I(V) 2.3.2 Droite de charge n Loi de Kirchoff : = Droite de charge de la diode dans le circuit Connaissant I d (V d ) on peut dterminer graphiquement le point de fonctionnement * procdure valable quelque soit la caractristique I(V) du composant ! On peut calculer le point de fonctionnement en dcrivant la diode par un modle simplifi. Q= Point de fonctionnement IQIQ VQVQ Q
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  • 31 2.4 Modles Statiques segments linaires 2.4.1. Premire approximation: Diode idale On nglige lcart entre les caractristiques relle et idale V al >0 IdId VdVd V al pente=1/R i V al < 0 IdId VdVd V al RiRi IdId VdVd IdId VdVd l pas de tension seuil l conducteur parfait sous polarisation directe l V d
  • 32 2.4.2 Seconde approximation IdId VdVd IdId VdVd l tension seuil V o non nulle l caractristique directe verticale (pas de rsistance srie) l V d
  • 33 2.4.3 3 ime Approximation IdId VdVd l tension seuil V o non nulle l rsistance directe R f non nulle l V d V o : V al RiRi IdId VdVd RrRr diode bloque V al > M
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  • 34 Remarques : n n Le choix du modle dpend de la prcision requise. n Les effets secondaires (influence de la temprature, non-linarit de la caractristique inverse, .) sont pris en compte par des modles plus volus (modles utiliss dans les simulateurs de circuit de type SPICE).
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  • 35 2.4.4 Calcul du point de fonctionnement via lutilisation des schmas quivalents : Problme: le schma dpend de ltat (passante ou bloque) de la diode. Dmarche (pour dbutant...): a) choisir un schm