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Systèmes Electroniques - 2002-2003 1 Systèmes électroniques Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur [email protected]

Systèmes électroniques

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Systèmes électroniques. Introduction Fonctions électroniques analogiques amplification, filtrage, oscillation Conversion Analogique-Numérique Fonctions numériques Microprocesseur. [email protected]. Exemple de système. Digital Camera. Exemple de système. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

1

Systèmes électroniques

IntroductionFonctions électroniques analogiques

amplification, filtrage, oscillationConversion Analogique-NumériqueFonctions numériquesMicroprocesseur

[email protected]

Page 2: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

2

Exemple de systèmeDigital Camera

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

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Exemple de systèmeCapteur: CCD image sensor

zone active

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4

Exemple de systèmeén

ergi

e

Valence Band

Conduction Band

1.26eV

photon photon

: trou -: électron

Les porteurs générés thermiquement sont indissociablesdes porteurs générés par effet photoélectrique : courant d ’obscurité

Le silicium est transparent pour les longueurs d ’ondesupérieures à 1µm

Capteur: Effet Photoélectrique

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

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Exemple de systèmeCapteur: CCD (charge coupled device) Interline Transfer

Phase 1: acquisition

Phase 2: transfert vers les registres

Phase 3: transfert de la 1ère lignevers le registre horizontal

Phase 4: nouveau transfert

zone photosensible registre

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

6

Exemple de systèmeCapteur: CCD (charge coupled device) Frame Transfer

zone image

zone registre

Les n lignes sont transfèréesdans les registres en n coupsd ’horloge

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Exemple de systèmeCapteur: acquisition

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Exemple de systèmeCapteur: transfert vers les registres

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Exemple de systèmeCapteur: transfert de la première ligne

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Exemple de systèmeCapteur: transfert horizontal de la première ligne

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Exemple de systèmeCapteur: transfert horizontal de la première ligne

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Photons

incidents

Les photons génèrent des paires électron-trou.Les electrons sont accumulés sous les électrodes de potentiel le plus élevé.

Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

N

P

SiO2

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Capteur: transfert des charges

Exemple de systèmeE

ner

gie

P

N

Les charges occupent les zones de potentiel le plus élevé

Charge accumulée

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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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15

Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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19

Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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20

Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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21

Exemple de systèmeCapteur: transfert des charges

En

ergi

e

P

N

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

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introduction

électronique analogique/numérique

t

v(t)

t

conversion analogique/numériqueéchantillonnage

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23

muxCAN8 bits

introduction

fV(f)

fmax

fV(f)

fmax

filtre PB3,4 kHz

éch.8 kHz

CAN8 bits

32 v

oie

s

t

v*(t)

1 ech.=125µs

64 kbits/s

t

v1(t)

32 ech.=125µs

2.048 Mbits/s

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matériau SC

Colonne IV: Si, GeAlliages III-V: AsGa, InP

le nombre de porteurs pouvant participerà 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

Page 25: Systèmes électroniques

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matériau SC

As

Si

cristal de Si à la température T

h

dopage

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matériau SCconduction dans les matériaux SC

conduction par champ électrique (dérive)

E

Ej

conduction par diffusion

xn

D)n(grad.Dj

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jonction PNP N

As+B-

E

conductionpar champ

diffusion

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jonction PNP N

E

conductionpar champ

diffusion

courant intense

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jonction PNP N

E

conductionpar champ

diffusion

courant faible

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jonction PN

P Ni

v v

i

i

v

i

R

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31

composant de base : le transistor

Ib

Ic

BE

C

Vds

D

S

G

Ids

Vgs

N P N N PP

bipolaire MOS

CE B

DS

Vg

Vds

Ids

Vce

Ic

Ib

Vce

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

32

composant de base : le transistor

Ib

Ic

B

E

C

IpXc

Vce

1er modèle : interrupteur commandé

Xc « petit »:interrupteur ouvert (Ip=0)

Xc « grand »:interrupteur fermé (Vp=0)

D

S

G Ids

Vds

Vgs

Vp

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33

Ib

composant de base : le transistor

R

Vs=Vdd0

Ip=0

Vg

Vds

Ids

Vce

Ic

R

Vs=01

Ip=Vdd/R

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composant de base : le transistor

R

Vdd

Vs

Ve

Ib=0

Ic=0

Vdd

Ve=0VceVdd

Ids=0

Vdd

Vgs=0VdsVdd

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composant de base : le transistor

R

Vdd

Vs

Ve

Ib

Ic

Vdd

Ve=Vdd

Vce0

Ids0

Vdd

Vgs=Vdd

Vds0

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

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composant de base : le transistor

Ib

Ic

B

E

C

Vce

2ème modèle : source de courant contrôlée

D

S

G Ids

Vds

Vgs

Ic = Ib

B

Ib

Ids = f(Vgs)

G

Vgs

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composant de base : le transistor

2ème modèle : source de courant contrôlée

Ib

Ic

Vdd

Ve

Vs= Vce

Vce

Ic

Ib

Vbe

Ve

Vs

S

B

Page 38: Systèmes électroniques

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composant de base : le transistor

Ve

Vs

saturation

blocage

fonctionnement linéaire

circuits logiquesélectronique de puissanceautres (timer, …)

circuits linéaires

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circuits intégrés

substrat (Si)

oxyde (SiO2)

résine

masqueUV

gravure(HF ou plasma)

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circuits intégrés

oxydation

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

Page 41: Systèmes électroniques

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circuits intégrés

deux grandes familles technologiques:

CMOS et bipolaire

C

It

V

IV

Ct

diminution du paramètre techno.diminution des tensionscompromis vitesse - consommation

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42

circuits intégrés CMOS

technologie CMOS pMOS

nMOS

Page 43: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés CMOS

pMOSnMOS

Vgs

D

S

G

Vgs

D

S

G

VgsVdd Vgs-Vdd

S D

Vgs 0 Vgs 0S D

Page 44: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés CMOS

pMOS

nMOS

E SE S

exemple : inverseur

Valim Valim

Page 45: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés CMOS

E S

exemple : inverseur

E=1

E=0

S=0

S=1

E

0

1

S

1

0

E S

Valim

Page 46: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés CMOS

exemple : inverseur

p+ p+

caisson n

n+ n+

Valim

Vref

E S

grille

substrat p

transistor n transistor p

Page 47: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés CMOS

exemple : inverseur

Page 48: Systèmes électroniques

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circuits intégrés CMOS

exemple : inverseur

Page 49: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

49

circuits intégrés CMOSexemple : porte NAND

A=1 et

B=1

A=0 ou B=0

B

0

1

0

1

S

1

1

1

0

A

S

Valim

B

S=1

S=0

A

0

0

1

1

AS

B

Page 50: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

50

circuits intégrés CMOS

exemple : porte NAND

Page 51: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

51

circuits intégrés CMOSexemple : porte NOR

A=1 ou B

=1

A=0 et B=0

B

0

1

0

1

S

1

0

0

0

A

0

0

1

1

AS

B

A

Valim

B

S

S=0

S=1

Page 52: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés CMOS

exemple : porte NOR

Page 53: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

53

circuits intégrés

Page 54: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés

1,0E+03

1,0E+04

1,0E+05

1,0E+06

1,0E+07

1,0E+08

0

2

4

6

8

10

12

nb de trans. param. techno.

197

1

198

0

199

0

200

0

4004

8080

8086

80486

P

P-II

P-III

évolution du nombre de transistors des µP Intel

loi de Moore :Ntr est multiplié par 1,4 par an

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

55

circuits intégrés

1

10

100

1000

fréquence d'horloge

197

1

198

0

199

0

200

0

8080

8086

80486

P

P-II

P-III

évolution de la fréquence d'horloge des µP Intel

MHz

Page 56: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés

4004 P-II

1972: 2500 transistors 2000: >10 000 000 transistors

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Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés

0

5000

10000

15000

20000

1995 2000 2005 2010 2015

nombre d'E/S

fréquenced'horloge

0

50

100

150

200

1995 2000 2005 2010 2015

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

puissance

alimentation

a

0

50

100

150

200

250

300

1995 2000 2005 2010 2015

0

200

400

600

800

1000

paramètretechno.

nombre detransistors/cm2

surface de lapuce

(nm)

(mm2)

(en millions)

(MHz)

(W)

(V)

Page 58: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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circuits intégrés

circuit

porte

fonction

système

composant

hiérarchie

Page 59: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

59

circuits intégrés

salle blanche

masque de lithographie wafer

fours de diffusion

Page 60: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

60

circuits intégrés

"bonding"

boitier DIL

boitiers

Page 61: Systèmes électroniques

Systèmes Electroniques - 2002-2003

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microsystèmes