n oRappels (U=ZI, ) & Transistors pLogique combinatoire ... · PDF fileSource: Source: plusquel/vlsiII/slides/mos3.html N P N P ELN

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© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

1

ElectroniqueCours 2: Rappels (U=ZI, ...)

Dr. Christian [email protected]


2

Plan

ElectroniqueIntroduction: Notion de SystèmeRappels (U=ZI, ...) & TransistorsLogique combinatoireLogique séquentielleSystèmes à MicroprocesseursInterfaces numériques de communication + Interfaces analogiquesSystèmes mixtes Analogique & NumériqueConclusion: SoC & perspectives économiques


3

RappelsRLC


4

Tension (U)

• Une tension est une différence de potentiel entre deux points.

Source: Traité de l’électronique, P. Horowitz, Publitronic


5

Courant (I)

• Un courant est un nombre de charges circulant par seconde.



6

R

U=RI

RI

U

2


7

U=RI

• R: Resistor

• Résiste au passage du courant

• Le courant est strictement proportionnel à la différence de potentiel



8

U=RI, P=UI

Source: http://www.uoguelph.ca/~antoon


9

R (réalisation)

• Identification: 10KΩ, 20%, 1/4W (E3)

• Réalisation: Piste de carbone

• Réalisation sur Silicium: Poly-Silicium

• Pas de stockage d’énergie

"Résiste au passage du courant"

Source: http://aept.ncms.org/0203%20IPC%202002%20DuPont%20EP%20Process%20and%20%20Design.doc

Source: http://www.sfu.ca/adm/resistor_snake.html


10

Code des couleurs

0 Noir Ne

1 Marron Manger

2 Rouge Rien

3 Orange Ou

4 Jaune Jeûner

5 Vert Voilà

6 Bleu Bien

7 Violet Votre

8 Gris Grande

9 Blanc Bêtise

Source: http://www.triatek.com


11

Z=R (effet sur un courant alternatif)

• Pas de déphasage

Source: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html#ahph


12

C

q=CV

I=+dq/dt

C

I

U

+q -q

3


13

C

• C: Capacitor

• Une capacité est un réservoir d’électrons



14

C (réalisation)

• Identification: 100µF, Polarisée, Chimique, 16V

• Réalisation: Diélectrique entre deux électrodes

C=ε0.εr.S/e

• Réalisation sur Silicium: Capacité inter-métalisations

• L’énergie est stockée sous forme electro-statiqueSource: http://web.media.mit.edu/~elroyp/6.152/overview.htm

Source: http://aept.ncms.org/0203%20IPCεο=8,85 .10-12 F/m ερSiΟ2=3,9


15

Z=1/jCϖ (effet sur un courant alternatif)

• Déphasage: Négatif (retard)



16

L

U=L.dI/dt

I

U

L


17

L (réalisation)

• Identification: 1µH

• Réalisation: Bobinage autour de ferrites par exemple

• Réalisation sur Silicium: Très difficile (process spéciaux: MEMS)

• L’énergie est stockée sous forme electro-magnétique

Source: http://holst.stanford.edu/~CPYue/cpyue_thesis.pdf Source: http://www.stanford.edu/group/quate_group/Home/HomeP

µo=1,257 .10-6 H/m


18

Surtension Inductive


4


19

Transformateur

N

Source: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hph.html


20

Z=jLϖ (effet sur un courant alternatif)

• Déphasage: Positif (avance)



21

Z

U=ZI

Z=R + 1/jCϖ + jLϖ

ϖ=2Πf

ZI

U


22

Diagramme de Fresnel



23

RappelsRLC

Assemblages de dipoles


24

Mailles (U)

• Lois de Kirchhoff


Kirchhoff's Voltage Law (KVL)

5


25

Noeuds (I)

• Lois de Kirchhoff


Kirchhoff's Voltage Law (KVL) Kirchhoff's Current Law (KCL)


26

Série



27

Parallèle



28

Z équivalent

Source: http://www.uoguelph.ca/~antoon


29

Pont diviseur & Modélisation Thévenin


30

Charactéristiques U(I)

• Série

• Parallèle

U

I R

U

I R

U

IR

U

I R

U

IR

6


31

RC

1.

2.

3. Solving equations:

R1

Ci1

vs

v1

vC R2

iC i2

t=0

v/i relationships: 111 Riv = , 22RivC = , dtdvCi C

C =

Using KVL and KCL: 01 =++− Cs vvv , 021 =−− iii C

021

=−−−

Rv

dtdvC

Rvv CCCs ( ) sC

C vRvRRdtdvCRR 22121 =++⇒

( )21

221

21

RRvRAetv s

tCRRRR

C ++=

+− vC(0) = 0⇒ ( )

−

+=

−τt

sC e

RRvRtv 1

21

2

21

21

RRCRR

+=τ

0t

vC

τ

21

2

RRvR s

+


32

0t

vC

τ

21

2

RRvR s

+

τ=RC

R1

C

i1

vs

v1

vC

iC

t=0τ=RC

Réponse Impulsionnelle

tτ

H(ϖ)


33

Passive Symbols

Source: http://www.mitedu.freeserve.co.uk/Prac/symbol.htm© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

34

Passive and Active Components on Silicon

Source: Dispositifs et circuits intégrés semiconducteurs, Physique et technologie, A. Vapaille, R. Castagné, Ed. Dunod, ISBN 2-04-016522-3


35

Composants Actifs


36

La jonction PN

7


37

Diodes

• Diode

Exemple: 1N4148, 1N4001

• Diodes Electroluminescentes (LED: Light Emitting Diode)

• Diode Zener

• Diode Schottky

Exemple: BAT41

• Photo-Diode

Exemple: BPW41

Anode Cathode

Source: http://www.LightEmittingDiodes.org


38

Exemple: R + LED en série

R

LED

U

I R

U

I

Source: http://www.philipslogic.com/support/appnotes/an264.pdf


39

Point de fonctionnement: Exemple: R + LED

R + LED en série

E + R interne

U

I R

U

I

U

I R int

U

I

LED

EUR ULED

U

I LED

ULED

E + R interne + R

Source: http://www.fairchildsemi.com



40

Alimentation

Source: http://www.toroid.com


41

Voltage Doubler (e.g. ICL7660)

Source: http://www.intersil.com

High Voltage MultiplierSource: http://home.earthlink.net/~gweaver/hv-page.htm


42

Transistors

8


43

Avant le transistor

• Relais

• Triode Tube

Source: http://www.educatorscorner.com/experiments/pdfs/exp17g.pdf


44

Active Symbols

Source: http://www.mitedu.freeserve.co.uk/Prac/symbol.htm


45

Periodic Table of Elements

IV V VIIIIII

NP

Source: http://www.webelements.com


46

December 1947: First Transistor ("Crystal Triode")

Source: http://www.navyrelics.com/tribute/be

John Bardeen, Walter Brattain & William Shockley from Bell Laboratories in Murray Hill, NJ.

They were awarded the Nobel Prize in physics in 1956.


47

Transistor (Definition)

According to Webster's New World Dictionary:

transistor (tran-zis’-tur) n. [TRAN(sfer)+(re)SISTOR:

it transfers current across a resistor] a solid-state electronic device, composed of semiconductor material, as germanium, silicon, etc., that controls current flow without the use of a vacuum. Transistors are similar in function to electron tubes, but have the advantages of being compact, long-lived, and low in power requirements.


48

Transistors

Transistor: "Trans-Resistor"

Analogie Hydraulique: La vanne

Source: http://ourworld.compuserve.com/homepages/Andrew_Wylie/LS737.HTM

Commande: Courant IB

Commande: Tension VG


9


49

Transistors

NPN


50

Transistor NPN




51

Transistor NPN (Vanne)


Source: Traité de l’électronique, P. Horowitz, Publitronic© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

52

Transistor NPN (Diodes)




53





54




10


55

Transistor NPN (Amplificateur)




56

Transistor NPN (Modelisation)



hFE=β


57

Transistors (Différentes vues)

Transistor: "Trans-Resistor"

Analogie Hydraulique: La vanne

Source: http://ourworld.compuserve.com/homepages/Andrew_Wylie/LS737.HTM



Source: Traité de l’électronique, P. Horowitz, Publitronic© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

58

Exemple: 2N2222 Test Circuit

Source: http://www.fairchildsemi.com/ds/PN/PN2222A.pdf


59

Vbe (T), Mirroir de courant

Ic = Is.e(qVBE

/kT)

∆VBE: -2 mV/degree CSource: http://www.national.com/rap/Story/vbe.html

I= ((VDD-VEE)-VBE)/Rbias


60

Darlington

Source: http://www.st.com BD679, BD678

NPN PNP

11


61

Thyristor

Source: http://us.st.com/stonline/books/pdf/docs/5201.pdf

Source: http://www.csee.umbc.edu/~plusquel/vlsiII/slides/mos3.html

NPNP


62

Transistors

NMOS


63

Transistor NMOS




64


Transistor NMOS (Vanne)



65

Transistor NMOS (à enrichissment)

N+ N+

Grille

Substrat P

V

Source Drain

Analogie hydraulique

Transitor Bloqué


66

Transistor Passant


N+ N+

Grille

Substrat P

V

Source Drain


12


67

Grille

Transistor Passant


N+ N+Substrat P

V

Source Drain

électrons

Analogie hydraulique© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

68

Transistor Passant


N+ N+

Grille

Substrat P

V

Source Drain

électrons

Transitor Bloqué



69

Transistor NMOS (Vue du dessus)

SourceN+

DrainN+

GrillePoly

Caisson P

Locos

W

L

Source: http://web.media.mit.edu/~elroyp/6.152/overview.htm© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

70

Process: 3D

Source: TCS


71

Transistor NMOS (Modelisation)



G

S

D

IV

ID=f(VG)


72

Caractéristiques d’un Transistor MOS

VDS

ID

( )[ ]I W CL

V V V VDn

GS T DS DS≈ µ − −. . 0

22

( )I W CL V VDsatn

GS T≈ µ −. . . ²02

13


73

Technologies

Bipolaires


74

Logic Families Life Cycle Curve

Source: http://www.fairchildsemi.com/collateral/logic/catalog/logic_product_catalog.pdf


75

Bipolar

Transistor SCHOTTKY

ts: temps de stockage


76

TTL: Transistor-Transistor Logic

TTL

Source: http://www.ti.com (SN7404.pdf)

TTL-S TTL-LS


77

ECL (Emitter Coupled Logic ) & PECL (Positive ECL)


78

Amplificateur Opérationnel (Vue Interne)

Source: Traité de l’électronique, P. Horowitz, Publitronic• Schéma annoté du LF411

14


79

Simulation : Exemple SPICE

Source: http://www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp


80

Simulation Statique: Exemple SPICE


81

Simulation Temporelle: Exemple SPICE

Source: http://www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp© 1992-2002 Christian CHABRERIEELN 2002 (18/09/02)

82

Simulation Fréquentielle: Exemple SPICE

Source: http://www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp


83

Technologies

CMOS


84

Inverseur CMOS

NMOS

PMOSRLC

15


85

Inverseur CMOS: Coupe


86

Fonctionnement de l’inverseur

Vin

Vout

Vdd

Vdd


87

Inverseur CMOS: Capacité d’entrée

≡

Icc dynamique α C.V.fIcc statique α Courants de fuite


88

Inverseur CMOS: Consommation dynamique

Source: http://tech-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/cmos/cmosdemo.html

input voltage

output voltage

short circuit current

input current


89

Consumption (Technology)

Power Consumption for Hypothetical Microprocessor System Support LogicSource: http://www.fairchildsemi.com (AN-319.pdf)


90

BiCMOS

Source: Catalogue Verospeed

16


91

Sortie de l’inverseur

VddVdd

Out

Ouvert

Décharge

Vdd

Ouvert

Charge

SinkSource


92

Physical Layout of a CMOS Inverter

Source: Pr. H.S. Hinton, University of Colorado


93

RLC + Transistors

Application à un petit robot


94

Robot Ultra Simple (ROM-Bot 650 ou 700MB)

Source: Elektor 7-8/2002 p.130


95

Simple Robot (Line Tracker)

Source: http://robotikitsdirect.com


96

Simple Robot (Line Tracker): Video

Source: http://robotikitsdirect.com

17


97

Simple Robot (Line Tracker) : Block Diagram

Source: MOVIT® / OWIKIT™ Documentation, OWI Inc.


98

Simple Robot (Line Tracker) : Schematic



99

Simple Robot (Line Tracker) : Schematic Analysis



100

Simple Robot (Line Tracker): Explications (Définitions)


PTR1

PTR2 R

L ML

MR


101

Simple Robot (Line Tracker): Explications Noir-Noir (1)


PTR1

PTR2 R

L ML

MR


102



PTR1

PTR2 R

L ML

MR

18


103



PTR1

PTR2 R

L ML

MR

R

C


104



PTR1

PTR2 R

L ML

MR


105



PTR1

PTR2 R

L ML

MR


106



PTR1

PTR2 R

L ML

MR


107



PTR1

PTR2 R

L ML

MR


108



PTR1

PTR2 R

L ML

MR

19


109



PTR1

PTR2 R

L ML

MR ON

ON


110

Circuit Imprimé (PCB: Printed Circuit Board)

Source: http://www.cadsoftusa.com


111




112




113

Approche expérimentale

Source: http://www.elektor.presse.fr


114

Merci pour votre attention.

Questions ?

Petites Classes

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