GEL-‐3000 Électronique des composants intégréswcours.gel.ulaval.ca/2015/h/GEL3000/default/5notes/Cours 13 janvier... · analogique et mixte ... Mini-‐quiz (4) ... 28% Examen

GEL-‐3000 Électronique des composants

intégrés

Hiver 2015 -‐ Introduc�on -‐

Hiver 2015 ©Université Laval B. Gosselin (2015)

GEL-‐3000 Électronique des composants intégrés 2

La révolu�on des circuits intégrés ¨  Produits de consomma�on



La révolu�on des circuits intégrés ¨  Dans l’industrie

§  L’informa�que §  Les télécommunica�ons §  L’explora�on spa�ale §  L’ère numérique



La révolu�on des circuits intégrés ¨  Domaine de la santé et

des sciences de la vie



§  Composant électronique r ep rodu i s an t une , ou p l u s i e u r s f o n c � o n s électroniques plus ou moins complexes.

§  Intègre souvent plusieurs t ype s de composan t s é lectroniques de base (diodes et transistors) dans un volume réduit, rendant le circuit facile à me�re en œuvre.

Circuit intégré (ou puce électronique)



§  Circuits qui réalisent des fonc�ons analogiques: amplifica�on, modula�on, démodula�on, filtrage, oscillateurs, etc.

§  Exemples de systèmes: éme�eurs-‐récepteurs radio-‐fréquence, capteurs, alimenta�on

§  L’amplificateur opéra�onnel est à la base d’un grand nombre d’applica�ons analogiques.

Circuits intégrés analogiques



§  Circuits qui réalisent des fonc�ons numériques: Contrôle, DSP, mul�plica�on, addi�on, accumula�on, sauvegarde.

§  Exemples de systèmes: portes logiques, mémoires, microprocesseurs, microcontrôleurs, FPGA, CPLD et Digital signal processor (DSP).

Circuits intégrés numériques



§  Circuits qui con�ennent à la fois des fonc�ons analogiques et numériques sur la même puce de silicium.

§  Exemples: conver�sseurs de données, chaîne d’acquisi�on et de traitement de données biomédicales ou environnementales, circuits d’interfaces aux capteurs.

Circuits intégrés mixtes



¨  Le die (éléments semi-‐conducteurs) §  Microfabriqué par photolitographie sur une tranche de silicium (wafer) et reproduit en une grande quan�té d’éléments iden�ques

Composi�on des circuits intégrés



¨  Le boi�er (encapsula�on) §  Le boi�er est soudé sur un circuit

imprimé §  Des dual inline package (DIP) aux small

outline (SO)




¨  Technologies de micro-‐soudure §  Wire bonding §  Flip-‐chip bonding

(puce retournée)




Cours de microélectronique à l’UL GEL-‐3000 Électronique des composants intégrés

  Circuits intégrés et applica�ons de base   Circuits électroniques u�lisant des CI   Applica�ons des CI analogiques et   numériques

GEL-‐4069/7069 Microélectronique analogique et mixte

  Microélectronique CMOS   Fonc�ons analogiques avancées   Conver�sseurs de données   Systèmes radio-‐fréquence

GIF-‐4201/GEL-‐7016 Microélectronique numérique

  Circuits intégrés numériques CMOS   Flot de concep�on numérique   Fonc�ons numériques avancées

GEL-‐4072/7072 Bio-‐instrumenta�on et microsystèmes biomédicaux

  Blocs microélectroniques spécialisés   Instrumenta�on biomédicale   Systèmes micro-‐électromécaniques   Bio-‐capteurs / bio-‐actuateurs



GEL-‐3000 Électronique des composants intégrés Contenu du cours

-‐ Introduc�on (2 hrs) : Historique, évolu�on, technologie, circuits intégrés SSI, MSI, LSI, VLSI. Éléments, fonc�ons, circuits et systèmes, électronique des systèmes numériques, analogiques et mixtes. -‐ Procédés de fabrica�on des circuits intégrés (2 hrs): Procédés CMOS et bipolaire, photolithographie, masques, oxyda�on, implanta�on ionique, déposi�ons. Encapsula�on des circuits intégrés, interconnec�vité et microsoudure. Simula�on et modèles SPICE. -‐ Amplificateurs opéra�onnels (4 hrs) : Rétroac�on néga�ve. Imperfec�ons. Réponse en fréquence, stabilité, slew rate, gamme dynamique, compensa�on, impédance d’entrée et de sor�e. -‐ Configura�ons de base (3 hrs): Amplificateurs différen�el et d’instrumenta�on. Suiveur de tension. Circuits inverseur et non-‐inverseur. Circuits différen�ateur et intégrateur. Filtres ac�fs du premier ordre. Lecture de fiche techniques. -‐ Filtres analogiques (5 hrs): Synthèse de filtres ac�fs. Filtres du 1er ordre, biquadra�ques, simula�on d’inductance. Filtres microélectroniques. -‐ Autres applica�ons des ampli-‐op et fonc�ons analogiques (3 hrs) : Référence de tension. Sources commandées. Ampli tension, courant, gain tension, courant, puissance. Conversions courant/tension et tension/courant. Comparateurs. Régulateur. -‐ Oscillateurs (3 hrs): Oscillateurs harmoniques. Générateurs de fonc�ons. Rétroac�on posi�ve. Critère d’oscilla�on. Stabilité. Circuits bistables et astables. Circuit d’horloge.



GEL-‐3000 Électronique des composants intégrés

Contenu du cours (Suite) -‐ Rétroac�on : concepts avancés (3 hrs): Types de rétroac�ons, Insensibilisa�on du gain, augmenta�on de la bande passante, effets sur l’impédance d'entrée/sor�e. Calcul du gain de boucle. Compensa�on par sépara�on des pôles. -‐ Blocs intégrés fondamentaux (2 hrs): Amplificateurs MOS source commune, drain commun, grille commune et équivalents bipolaires. Résistance de source. Modèles pe�t signal. Réponse en fréquence. -‐ Circuits de polarisa�on (2 hrs): Sources de courant, miroirs de courant, applica�ons des sources et des miroirs, miroirs de courant améliorés. -‐ Ampli-‐op mul�-‐étages (6 hrs): Étage d’entrée, paire différen�elle. Étages de gain, charge ac�ve, étage cascode, cascode replié. Étages de sor�e Classe A, Classe B, Classe AB. Circuits de protec�on. -‐ Concep�on d’ampli-‐op mul�-‐étages (2 hrs): Ampli-‐op CMOS et bipolaires, ampli-‐op à 2 étage, ampli-‐op, ampli-‐op cascode replié. -‐ Applica�ons des circuits intégrés non linéaires (3 hrs) : Modula�on de largeur d'impulsions (PWM), mul�plicateur, ampli log, an�-‐log. Circuit de valeur absolue. -‐ Échan�llonnage et conversion des signaux (2 hrs) : Échan�llonneur bloqueur. Conversion analogique / numérique (A/N) et numérique / analogique (N/A).



Ac�vité Horaire Local Cours Mardi 10h30 à 12h20 PLT-‐2505

Mercredi 11h30 à 12h20 PLT-‐2505 Lab – Groupe A Mercredi 08h30 à 11h20 PLT-‐3101 Lab – Groupe B Vendredi 09h30 à 12h20 PLT-‐3101

Horaire



Évalua�on

Mini-‐quiz (4) 12% Examen par�el (10 mars) 28% Examen final (29 avril) 30% Rapports de laboratoires (7 Labs + 1 Projet de concep�on)

30%




Travaux pra�ques Pondéra�on

-‐ Lab 1: Ampli Opéra�onnel – Montages de base 1. -‐ Lab 2: Ampli Opéra�onnel – Montages de base 2. -‐ Lab 3: Amplificateur d'instrumenta�on, mode différen�el et mode commun. -‐ Lab 4 : Filtres ac�fs réalisés au moyen d'amplificateurs opéra�onnels et amplificateur audio.

3% 3% 3% 6%

-‐ Lab 5: Réalisa�on d'un générateur de fonc�on. -‐ Lab 6: Réalisa�on d'oscillateurs harmoniques. -‐ Lab 7: Réalisa�on d'un modulateur PWM. -‐ Lab 8: Projet de concep�on

3% 3% 3% 6%

30%




§  Projet de concep�on: Disposi�f d’instrumenta�on de signaux myoélectriques

§  La source de signal, c’est vous…

Signaux myoélectriques




§  Disposi�f d’instrumenta�on de signaux myoélectriques − Plusieurs circuits spécialisés devront être réalisés dont des amplificateurs, des filtres, etc.

Filtre

Conver�sseur A/N

Affichage Amplificateur




Programme du cours




Programme du cours (suite)



Échelle des cotes Upgrade automa�que à A+



Bibliographie Recommandé

S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Circuits, 6th ed. Oxford University Press, USA, 2009. Disponible à la réserve de la bibliothèque du Vachon

Op�onnel

B. Razavi, Fundamentals of Microelectronics, 1st ed. Wiley, 2008.



Concep�on et simula�on AO



Bref historique

¨  1958: Jack Kilby (Prix Nobel de Physique, 2000) fabrique le premier circuit intégré chez Texas Instruments

§  Ce circuit contenait deux transistors (une bascule) §  Il u�lise le germanium §  En comparaison, l’Itanium d’Intel con�ent plus de 2 milliard de transistors



¨  1958: le premier circuit intégré

2 mm

14 mm

Bref historique



¨  1960: Essor et u�lité des premiers circuits intégrés

§  Construc�on de systèmes de guidage pe�ts et légers pour l’explora�on spa�ale

§  Développement d’armes sophis�quées dont des missiles téléguidés − Cela donne lieu à une chute des coûts − S’ensuit une la pénétra�on du marché des consommables (récepteurs de télévision, radio, etc.)

Bref historique



¨  1961: Premier circuit intégré commercial §  Conçu par Robert Noyce de Fairchild

§  Le circuit réalise une bascule

§  Fait de silicium

Bref historique



¨  L’ampli-‐op: schéma du μA741

Bref historique



¨  1960: Les transistors MOSFET entrent en produc�on (Metal Oxide Semiconductor FET)

§  Avantage: il ne draine pra�quement pas de courant lorsqu’il est en commutateur ouvert.

§  L’idée originale du MOSFET date de 1925 (breveté par Julius Edgar Lilienfeld) mais n’avait jamais été démontrée.

§  On parle maintenant de Insulated-‐gate field-‐effect transistor (IGFET).

Bref historique



¨  1972: Technologie CMOS (Complementary MOS) §  Avantages: Très grande

efficacité énergé�que §  Peut coûteux §  Exploite la mise à l’échelle

(miniaturisa�on)

Bref historique



¨  En 2012: le Core i7 d’Intel §  La dernière architecture

§  Con�ent 4 cœurs et 1400 Millions de MOSFET

§  Largeur de canal: 22 nm

Bref historique



¨  Évolu�on du nombre de transistors

Bref historique



¨  Évolu�on du nombre de transistors (suite)

Bref historique



¨  Évolu�on du nombre de transistors (suite)

Bref historique



Échelle d’intégra�on ¨  Circuits SSI – Small scale integra�on

§  Con�ent moins d’une dizaine de portes logiques §  Exemple: L’inverseur 7404 (6 transistors par porte)



¨  Circuits MSI – Medium scale integra�on §  Con�ent jusqu’à 1000 portes logiques

§  Exemple: Compteur 74161

Échelle d’intégra�on



¨  Circuits LSI – Large scale integra�on §  Con�ennent jusqu’à 10000 portes logiques §  Exemple: Microprocesseur 8 bits 8008 d’Intel




¨  Circuits VLSI – Very large scale integra�on §  Décrit les circuits de 1980 jusqu’à présent §  Circuits de très grande densité – des centaines de milliers de transistors

§  Basé principalement sur la technologie CMOS et la miniaturisa�on constante (mise à l’échelle)

§  Procédés de microfabrica�on très op�misés §  Nécessite des salles blanches très propres




¨  Circuits ULSI – Ultra large scale integra�on §  Con�ennent plus de 1 million de transistors

¨  System-‐on-‐a-‐chip (SoC) §  L’en�èreté du système est construit dans une seule

puce ¨  Intégra�on 3D (3D-‐IC)

§  Intégra�on de système selon les axes x et y §  Con�ent plusieurs couches de circuits électroniques

¨  Wafer scale integra�on (WSI) §  Immense circuit intégré occupant la taille d’une

gaufre complète




Exemple de système intégré (1)

¨  1-‐ Téléphone cellulaire §  La téléphonie cellulaire voie le jour dans les années 80 et s’est développée rapidement dans les années 90.

§  Les téléphones modernes con�ennent plusieurs blocs électroniques numériques et analogiques qui seront couverts dans ce cours



¨  Lorsque vous parlez au téléphone … 1.  La voix est conver�e en signal électrique par le microphone 2.  Le signal est transmis par l’antenne après plusieurs traitements 3.  Le signal transmis est capté par le récepteur 4.  Le signal électrique capté est conver� en onde sonore après

plusieurs traitements

1 2 3 4




¨  Qu’y a t-‐il dans ces boîtes? §  Deux observa�ons: − La voix con�ent des fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz − La dimension de l’antenne doit être d’au moins 25% de la longueur d’onde afin que la transmission soit efficace

§  Or, comme λ = c/f, la bande de fréquence de la voix correspond à des λ allant de 15 × 106 m à 15 × 103 m, ce qui correspond à une antenne gigantesque.




¨  Inversement, §  Pour obtenir une longueur d ’antenne raisonnable, soit 5 cm par exemple, f = c/λ = 300 × 106 m/s ÷ 0.05 m = 1.5 × 109 s-‐1

§  λ doit être d’environ 20 cm et la fréquence de 1.5 GHz




¨  Solu�on: moduler le signal en le mu l�p l i a n t a v e c u ne s i n u so ï d e d’amplitude A et de fréquence fc

Signal modulant: A cos(2πfct)

§  Une mul�plica�on par un cosinus dans le domaine temporel correspond à une transla�on en fréquences

§  Donc, c’est bien une modula�on d’amplitude!




¨  …




¨  Autres considéra�ons…




¨  Au niveau du récepteur §  Le signal modulé doit être ramené dans la bande de base

§  On mul�plie le signal modulé par une sinusoïde pour ramener le spectre de la voix dans la bande originale




¨  Architecture du récepteur §  Un oscillateur §  Un filtre passe-‐bas pour enlever ±2fc §  Un amplificateur à bas bruit pour ramener le signal à un niveau acceptable sans le corrompre




¨  2-‐ Caméra numérique §  Elle permet d’obtenir un feedback immédiat §  L’appareil numérique a une plus pe�te taille que son prédécesseur analogique

§  Le format numérique permet de stocker et de transme�re des images facilement

§  Permet d’effectuer du traitement d’image




¨  Circuits analogiques d’interface (Capteur) §  Conver�r la lumière en électricité §  Nécessite un capteur comportant une matrice de pixel

§  Chaque pixel con�ent un circuit formé d’une photodiode et d’un condensateur produisant une tension propor�onnelle à l’intensité lumineuse

§  Les tensions sont ensuite numérisées et assemblées en images




¨  Circuit simplifié d’un pixel §  La photodiode produit un courant IDiode propor�onnel à l’intensité lumineuse reçue

§  IDiode passe dans CL pendant un temps t, produisant une tension propor�onnelle Vout

§  Chaque pixel produit un Vout local




¨  Soit une caméra de 6.25 million de pixels §  Nécessite un capteur comportant une matrice de 2500 x 2500 pixels

§  Comment traiter tous des Vout en respectant les contrainte de taille, de coût et d’énergie limitées?




¨  Partage des unités de traitement (UT) §  U�liser le mul�plexage temporel §  Exemple: Disposer les pixels partageant le même UT en colonnes

§  Les commutateurs connectent les pixels à l’UT

§  On ob�ent 2500 colonnes comportant 2500 UT partagés




¨  Traitements subséquents §  Les tensions Vout doivent être numérisées §  Il faut u�liser un conver�sseur analogique à numérique (ADC)

§  Or, comme ce type de circuit est complexe, il est préférable d’exploiter le partage d’UT à nouveau

§  Exemple: u�liser un ADC pour deux colonnes §  Par contre, ce ADC devra être 2 fois plus rapide…




¨  Conversion A/N




Introduc�on ¨  Lectures et Exercices suggérés

§  Sedra and Smith − Lire le Chapitre 1 − Exercices 1.1 à 1.4 et 1.10, 1.11 − Exemples 1.1 et 1.2

¨  Didac�ciel Al�um Designer

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