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Cours d’introduction aux blocs analogiques [email protected] créé le 23.12.90, version du 29.2.99, imprimé 17/11/2010

Cours Electronique

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  • Cours dintroduction aux blocs analogiques

    [email protected]

    cr le 23.12.90, version du 29.2.99, imprim 17/11/2010

  • Table des matires

    Table des matires.......................................................................................2

    1. Introduction................................................................................................51.1. Le cours.........................................................................................51.2. La conception de circuits intgrs.................................................51.3. Les paramtres petits signaux...................................................... 6

    2. Les lments disponibles en technologie CMOS..................................... 82.1. lments actifs en technologie CMOS......................................... 82.1.1. Les transistors MOS............................................................................................ 82.1.2. Dfinitions............................................................................................................ 92.1.3. Equations dfinissant le comportement du transistor MOS............................... 92.1.4. Le transistor bipolaire........................................................................................ 132.1.5. Dfinitions.......................................................................................................... 132.1.6. Equations dcrivant le comportement du transistor bipolaire..........................142.2. Elements passifs en technologie MOS....................................... 152.2.1. Les rsistances................................................................................................. 152.2.2. Les capacits.................................................................................................... 152.3. Elments parasites......................................................................16

    3. Les bases des blocs fonctionnels........................................................... 183.1. Introduction..................................................................................183.2. Miroirs de courant........................................................................183.2.1. Miroir deux MOS............................................................................................ 183.2.2. Miroir fournissant plusieurs copies du courant d'entre................................... 193.2.3. Miroir amplifiant le courant................................................................................ 203.2.4. Miroir rduisant le courant................................................................................ 203.2.5. Miroir effectuant l'addition de plusieurs courants............................................. 213.2.6. Miroir effectuant une soustraction..................................................................... 213.2.7. Miroir effectuant une valeur absolue................................................................ 213.2.8. Miroirs deux bipolaires................................................................................... 223.2.9. Miroirs bipolaires amliors.............................................................................. 223.2.10. Miroir BiCMOS................................................................................................ 233.3. Paire diffrentielle........................................................................243.3.1. Principe de la paire diffrentielle....................................................................... 243.3.2. Linarisation de la paire diffrentielle............................................................... 253.4. Charges.......................................................................................263.4.1. La rsistance..................................................................................................... 273.4.2. Le MOS connect en diode.............................................................................. 27

  • 3.4.3. Le MOS connect en source de courant.......................................................... 273.4.4. Le MOS en source de courant cascode......................................................... 273.4.5. Bande passante de la charge........................................................................... 28

    4. Les blocs fonctionnels.............................................................................304.1. Les principaux blocs fonctionnels analogiques...........................304.2. Amplificateurs un tage............................................................304.2.1. Amplificateurs entre unique......................................................................... 304.2.2. Buffer................................................................................................................. 344.2.3. Amplificateur pseudodiffrentiel........................................................................ 354.2.4. Amplificateur diffrentiel.................................................................................... 354.3. OTA (Operational Transconductance Amplifier) simple.............374.4. OTA avec cascodes.................................................................... 394.5. Comparateurs..............................................................................404.6. Sources de courant..................................................................... 424.7. Sources de tension......................................................................434.8. Oscillateurs..................................................................................44

    5. Autres notions fondamentales................................................................ 465.1. Capacits commutes.................................................................465.2. Circuits BiCMOS......................................................................... 485.3. MOS bipolaire....................................................................... 495.4. Layout analogiques..................................................................... 51

    6. Exercices.................................................................................................566.1. Exercices concernant les lments............................................ 566.2. Exercices concernant les miroirs de courant.............................. 566.3. Exercices concernant les paires diffrentielles...........................576.4. Exercices concernant les charges.............................................. 586.5. Exercices concernant les OTAs simples.....................................58

    7. Laboratoires............................................................................................ 607.1. Paramtres petits et grand signaux du transistor MOS..............607.1.1. Objectif de l'exprience..................................................................................... 607.1.2. Droulement de l'exprience............................................................................ 607.2. Contruction et mesure de buffers................................................607.2.1. Objectif de l'exprience..................................................................................... 607.2.2. Droulement de l'exprience............................................................................ 607.3. Construction et mesure d'OTAs simples.....................................627.3.1. Objectif de l'exprience..................................................................................... 627.3.2. Droulement de l'exprience............................................................................ 627.4. Construction et mesure d'un oscillateur......................................637.4.1. Objectif de l'exprience..................................................................................... 637.4.2. Droulement de l'exprience............................................................................ 63

    8. Tables......................................................................................................648.1. Constantes.................................................................................. 64

  • 8.2. Formulaire................................................................................... 668.3. Les grandeurs et leurs symboles................................................ 678.4. Exemples de paramtres technologiques...................................69

    9. Plan du cours:......................................................................................... 72

  • 1. Introduction

    1.1. Le cours

    Ce cours concerne les blocs de bases de l'lectronique intgre analogique. Il contient les notions ncessaires comprendre l'architecture de blocs fonctionnels simples et dimensionner des lments tant donnes des contraintes raisonnables.

    Le cours est compos de trois parties:

    la thorie dans laquelle sont donnes les dfinitions, les explications concernant le comportement des blocs fonctionnels et les rgles de conception,

    les exercices qui permettent de revoir la matire et de vrifier que sa comprhension est correcte

    les laboratoires qui confrontent la thorie avec la ralit des mesures.

    L'tudiant est suppos avoir une connaissance gnrale de l'lectronique analogique et digitale avant le dbut du cours. Ces connaissances seront rvises et exprimes dans le language habituel des concepteurs de circuit intgrs.

    Aprs avoir suivi ce cours, l'tudiant devrait pouvoir s'intgrer rapidement dans une quipe de conception de circuit intgr en tant que technicien de support, en particulier dans la phase de dessin des gomtries du circuit intgr (layout), de mesure et de test. Les connaissances qu'il aquiert ici lui permettent de dialoguer avec les ingnieurs de dveloppement, de mieux comprendre les implications des choix qui se font lors de cette phase de la conception et ainsi d'amliorer la qualit globale du circuit intgr.

    1.2. La conception de circuits intgrs

    Le but de la conception de circuits intgrs est de transformer les contraintes et spcifications du circuit en une liste d'lments, avec leurs dimensions et proprits, qui dfinissent le circuit intgr.

    cours PDF/chevy007 page 5

  • spcifications

    schmas

    plan

    Figure: La conception est la fabrication des schmas et du plan du circuit intgr partir de sa spcification.

    1.3. Les paramtres petits signaux

    Dans les circuits analogiques, les composants n'utilisent gnralement pas toute leur plage de fonctionnement, mais qu'une petite partie de celle-ci. On dit alors qu'on volue autour d'un point de travail. On va exprimer le comportement du dispositif en paramtres petits signaux qui dpendent du point de travail. Il s'agit en fait d'une approximation linaire du comportement rel du dispositif.

    I [A]

    V [V]

    Gg

    I(V)i(v)

    Figure: Paramtres petits signaux. La pente G donne le rapport entre le courant et la tension au point de travail, alors que la pente g donne le rapport entre l'volution du courant et l'volution de la tension aurtour du point de travail

    cours PDF/chevy007 page 6

  • I [A]

    V [V]

    temps

    temps

    Figure: Signal transform par un transistor, usage des paramtres petits signaux.

    cours PDF/chevy007 page 7

  • 2. Les lments disponibles en technologie CMOS

    2.1. lments actifs en technologie CMOSLes lments actifs disponibles en technologie CMOS sont les transistors MOS et des transistors bipolaires (souvent dits parasites).

    2.1.1. Les transistors MOS

    Les transistors MOS sont raliss dans la surface du circuit intgr. Ils sont composs de deux diffusions conductrices (drain et source) spares par un espace dont la conductivit est controle par une grille (couche de polysilicium dpose sur une couche trs mince d'oxyde), le canal du transistor se formant dans le caisson situ sous la grille. Les transistors sont isols les uns des autres par des diodes.

    Dans les technologies CMOS courantes existent deux types de transistors MOS: les MOS canal n et les MOS canal p, aussi appel MOS n et MOS p. Les MOS canal n ont des drains et sources dops par un matriau ayant un excs de charges ngatives (lectrons), les MOS canal p ont des drains et sources dops par un matriaux ayant un excs de charges positives (trous). L'espace sparant les drains et sources est trs lgrement dop en polarit inverse formant donc deux diodes opposes lorsqu'il n'est pas polaris. La polarisation de la grille permet d'inverser localement la polarisation de l'espace sparant drain et source et de crer ainsi un canal conducteur.

    n-

    n+ p+ p+ n+ n+

    V+ D G S V- D G S

    Figure: Les transistors MOS dans une technologie intgre

    cours PDF/chevy007 page 8

  • 2.1.2. Dfinitions

    grille G

    drain D

    source S

    caisson B grille G

    drain D

    source S

    caisson B

    Figure: Symbole des transistors MOS n et p.

    Les tensions mesures sur les bornes du transistor MOS sont nommes:

    VGS: tension entre la grille et la source du transistor

    VDS: tension entre le drain et la source du transistor

    VD: tension entre le drain et le caisson du transistor

    VG: tension entre la grille et le caisson du transistor

    VS: tension entre la source et le caisson du transistor

    Ces tensions sont en principe utilises avec leur signe. Nanmoins, lorsqu'il n'y a pas d'ambiguit, on a tendance n'indiquer que la valeur absolue des tensions et paramtres des transistors.

    Comme le transistor MOS habituel est symtrique, le drain n'est pas diffrenciable de la source. Par commodit, on appelle gnralement drain le ct d'un canal n au potentiel le plus lev, et le ct d'un canal p au potentiel le plus faible, les charges s'coulant donc de la source vers le drain.

    Si on ne le mentionne pas autrement, on considre positif un courant qui entre dans un composant (comme le courant de drain d'un transistor n ou le courant de source d'un transistor p).

    2.1.3. Equations dfinissant le comportement du transistor MOS.

    On peut partager le fonctionnement du transistor MOS en plusieurs modes, selon le mcanisme qui prdomine au contrle du courant de drain par la tension de grille.

    Mode de forte inversion sature: comportement quadratique

    Mode linaire: comportement linaire

    Mode de faible inversion sature: comportement exponentiel

    cours PDF/chevy007 page 9

  • Transistor MOS canal n VDS >

    VG VTn

    , VG > VT

    ID =2n

    VG VT nVS( )2

    VDS VT

    ID =2n

    VG VT nVS( )VDSVDS > 4UT , VG < VT

    ID = Isat eVGV T

    nUTe

    VSUT

    Transistor MOS canal p VDS >

    VG VTn

    , VG > VT

    ID =2n

    VG VT +nVS( )2

    VDS VT

    ID =2n

    VG VT +nVS( ) VDS( )VDS > 4UT , VG < VT

    ID = Isat eVGV T

    nUT e

    VSUT

    Tableau: Equations dcrivant le comportement des transistors MOS

    Mme en saturation, il reste une influence de VDS sur ID. Par simplification, on exprime gnralement celle-ci par une tension VEARLY qui dpend linairement de la longueur du transistor. On exprime alors la diffrence de courant de la manire suivante:

    ID = IDVDS

    VEARLY

    o VEARLY = Vearly L

    Ce calcul n'est qu'une approximation trs grossire et doit tre affin par simulation.

    cours PDF/chevy007 page 10

  • Paramtre Formule RemarquesLongueur du transistor MOS

    W

    Largeur du transistor MOS

    L

    Epaisseur de l'oxyde de grille

    Tox

    Potentiel thermique UT =

    kTq

    26 mV 300 K

    Capacit d'oxyde Cox =

    oTox

    Il s'agit d'une capacit surfacique

    Cofficient d'inversion Ki =

    IDIsat

    Forte inversion si Ki>>1, faible inversion si Ki

  • Id

    Vg Vd

    linaire satur

    VG = VT

    VG >VT

    forte inversion

    faible inversion

    comportementen saturation

    VT

    Idsat

    Figure: Double graphe dcrivant les caractristiques d'un transistor MOS pour VS nul.

    Id

    Vg Vd

    go

    gm

    Figure: Paramtres petits signaux du MOS avec source au substrat.

    Dans le cas du transistor MOS, les paramtres petits signaux s'expriment facilement en fonction du courant de drain du transistor.

    Dfinition MOS faible inversion

    MOS forte inversion

    MOS linaire

    gm IDVG

    =

    IDnUT

    =

    IDnUT Ki

    =

    VDSn

    gms IDVB

    =

    IDUT

    =

    IDUT Ki

    = VDS

    go IDVD

    =

    IDVEARLY

    =

    IDVEARLY

    = VGS VT( )

    Tableau: Paramtres petits signaux des transistors MOS

    cours PDF/chevy007 page 12

  • 2.1.4. Le transistor bipolaire

    Le transistor bipolaire a un comportement diffrent du transistor MOS. Dans ce cours nous n'aborderons que son rgime dit linaire. Les diffrence principales par rapport au transistor MOS sont l'absence d'effet de substrat (c'est un composant 3 connexions), la prsence du courant de base et une fonction de transfert exponentielle.

    La dnomination des rgimes n'est pas la mme que pour le transistor MOS.

    n-

    n+ p-

    C B V-

    n+

    n+

    E

    Figure: Un transistor bipolaire intgr

    2.1.5. Dfinitions

    base B

    collecteur C

    metteur E collecteur C

    metteur E

    base B

    Figure: Symboles des transistors bipolaires npn et pnp

    Les tensions mesures sur les bornes du transistor bipolaire sont nommes:

    VCE: tension entre le collecteur et l'metteur du transistor

    VBE: tension entre la base et l'metteur du transistor

    cours PDF/chevy007 page 13

  • 2.1.6. Equations dcrivant le comportement du transistor bipolaire

    Les caractristiques courants-tensions du transistor bipolaire ressemble celui du transistor MOS, mais il n'a que 3 ports (base, metteur et collecteur) et ses courbes idales sont plus simples.

    Transistor bipolaire npn

    IC = IS eVBEV T

    Transistor bipolaire pnp

    IC = IS eVBE

    VT

    Tableau: Equations dcrivant le comportement des transistors bipolaires

    Le mode de fonctionnement du transistor bipolaire dpend de sa polarisation. On peut dfinir ses caractristiques en saturation l'aide d'un double graphe.

    IcIclin

    Vbe Vce

    Figure: Double graphe dcrivant le comportement d'un transistor bipolaire

    Dfinition bipolaire linaire

    gb ICVB

    =

    ICVT

    ge ICVE

    =

    ICVT

    go ICVC

    =

    ICVEARLY

    Tableau: Paramtres petits signaux des transistors bipolaires

    cours PDF/chevy007 page 14

  • 2.2. Elements passifs en technologie MOS

    Les principaux lments passifs en technologie MOS sont les rsistances et les capacits. Certaines technologies disposent galement de diodes flottantes qui peuvent tre utilises pour faire des redresseurs ou des rsistances de forte valeur.

    2.2.1. Les rsistances

    Il y a plusieurs types de rsistances en technologies CMOS:

    les rsistances en polysilicium utilisent les mmes couches que les grilles des transistors (CP), elles sont gnralement peu rsistives. Certaines technologie disposent de couches polysilicium faiblement dopes qui permettent d'avoir des rsistances de plus forte valeur

    les rsistances en diffusion n ou p utilisent les mmes couches que les sources et drains des transistors (DN et DP)

    les rsistances en caisson utilisent la mme couche que le caisson du transistor (CW).

    La rsistivit d'une couche est exprime en rsistance par carr. La valeur relle d'une rsistance est sa rsistivit multiplie par sa longuer, divise par sa largeur.

    2.2.2. Les capacits

    Les capacits sont de trois types principaux: les capacits situes entre les couches conductrices, les capacits de grille et les capacits de jonction. les capacits situes entre les conducteurs ont une valeur surfacique

    relativement faible. Leur valeur est indpendante de la temprature et de la tension applique. Leur appariement est gnralement trs prcis

    les capacits de grille ont une valeur surfacique suprieure aux capacits interconducteurs. Cette valeur change peu avec la temprature et la tension applique. Dans les fichiers technologiques, elle est gnralement nomme COX

    les capacites de jonction ont une valeur surfacique trs dpendante de la tension applique

    cours PDF/chevy007 page 15

  • 2.3. Elments parasites

    n-

    n+ p+ p+

    V+ D G S V-

    Figure: Les lments parasites du transistor MOS

    A chaque jonction est associe une diode et une capacit de jonction. Ces capacits limitent la frquence maximale de fonctionnement du circuit intgr et sont un important facteur de la consommation de courant des circuits haute frquence digitaux et analogiques.

    L'influence des lments parasites dpend fortement du schma. Habituellement, les lments dominants sont la capacit grille-caisson, la capacit de recouvrement grille-drain et la capacit de jonction drain-caisson.

    CgdCdw

    CwbCswCgs

    Cgw

    DG

    S

    B

    Figure: Les lments parasites du transistor MOS

    Le transistor bipolaire a moins d'lments parasites. Ses lments parasites dominants sont les rsistances de base et de collecteur, ainsi que la capacit base-collecteur.

    cours PDF/chevy007 page 16

  • n-

    n+p-

    C B V-

    n+

    n+

    E

    Figure: Les lments parasite du transistor bipolaire

    Cbc Ccs

    Cbe

    Figure: Les lments parasites du transistor bipolaire

    cours PDF/chevy007 page 17

  • 3. Les bases des blocs fonctionnels

    3.1. Introduction

    Les bases des blocs fonctionnels sont des assemblages de quelques lments pour raliser des parties de circuits fonctionnels. On verra dans ce chapitre, en particulier, des miroirs de courant varis, des paires diffrentielles et diffrents types de charges.

    Les miroirs de courant ralisent des des fonctions simples ayant en entre et en sortie des courants, les paires diffrentielles transforment des diffrences de tensions en diffrences de courants et les charges transforment des courants en tension.

    3.2. Miroirs de courant

    Les miroirs de courant permettent de copier des courants. Ils permettent galement de raliser des fonction simples des courants, comme des additions, des soustractions et des valeurs absolues.

    Ils sont utiliss de manire extensive pour polariser les blocs fonctionnels analogiques. Ils utilisent le principe de similitude.

    Principe de similitude:

    Deux dispositifs identiques mis dans des conditions identiques se comportent de manire identique

    3.2.1. Miroir deux MOS

    Le miroir de courant est l'lment de base utilis pour la rplication, l'addition et la soustraction. Il ne fonctionne qu'avec des courants unipolaires.

    cours PDF/chevy007 page 18

  • I1 I2

    M1 M2

    Figure: Miroir 2 MOS

    Polarisation des transistors:

    I1 =12n1

    VGS1 VT1( )2

    I2 =22n2

    VGS2 VT2( )2

    Conditions de fonctionnement:

    I1 > 0

    VDS2 >VGS2 VT

    n

    I2 = I1

    3.2.2. Miroir fournissant plusieurs copies du courant d'entre

    I1 I2

    M1 M2

    I3

    M3

    Figure: Miroir fournissant deux copies du signal d'entre

    I2 = I1

    I3 = I1

    cours PDF/chevy007 page 19

  • 3.2.3. Miroir amplifiant le courant

    I1I2

    M1 M2 M3

    Figure: Miroir amplifiant le courant

    I1 = ID1 = ID2 = ID3

    I2 = ID2 + ID3 = 2 I1

    Ici la multiplication de courant est ralise par la mise en parallle de transistors la sortie du miroir. On peut aussi utiliser les dimensions des transistors pour parvenir au mme rsultat.

    On conomise de la surface avec des transistors de taille diffrente, mais on perd de la prcision car les effets de bord ne sont pas les mmes l'entre et la sortie du miroir.

    3.2.4. Miroir rduisant le courant

    I1I2

    M1 M2 M3

    Figure: Miroir rduisant le courant

    ID1 = ID2 = ID3 = I2

    I1 = ID1 + ID2 = 2 I2 donc I2 =I12

    cours PDF/chevy007 page 20

  • 3.2.5. Miroir effectuant l'addition de plusieurs courants

    I1

    M1 M2 M3 M4

    I2 I3

    Figure: Miroir effectuant l'addition de plusieurs courants

    ID1 = ID2 et ID3 = ID4

    I2 = ID2 + ID3 donc I2 = I1+ I3

    3.2.6. Miroir effectuant une soustraction

    I1

    M1 M2 M3 M4

    I2 I3

    Figure: Miroir effectuant une soustraction

    I3 = I2 I1 si I2 > I1

    I3 = 0 si I1 I2

    3.2.7. Miroir effectuant une valeur absolue

    I3I2I1

    M9 M10 M11 M12M7 M8

    BA

    M13 M14

    BAM1 M2 M3 M4 M5 M6

    Figure: Miroir effectuant une valeur absolue

    cours PDF/chevy007 page 21

  • Les miroirs M1-M2-M5 et M3-M4-M6 distribuent les courants d'entre dans les soustracteurs M7-M8-M9-M10 et M11-M12-M13-M14. Les rsultats des deux soustractions sont somms pour donner I3.

    I3 = I2 I1

    Ce schma permet d'avoir une sorte de norme de la diffrence de courant. Il est utiliser pour polariser des amplificateurs adaptatifs dans lesquels le courant de polarisation est augment lorsque la norme du signal augmente.

    3.2.8. Miroirs deux bipolaires

    On peut utiliser les mmes principes pour raliser des miroirs avec des transistors bipolaires.

    I1

    Q1

    I2

    Q2

    Figure: Miroir deux bipolaires

    Dans le miroir bipolaire, il faut tenir compte du gain du transistor car une partie du courant I1 part dans la base de Q2.

    I2 = I1 2I1 = I1 1

    2

    3.2.9. Miroirs bipolaires amliors

    On peut utiliser les transistors non seulement pour la fonction de copie du miroir, mais galement pour amliorer ses performances.

    cours PDF/chevy007 page 22

  • Q3 Q4

    I1

    Q1

    I2

    Q2

    Figure: Miroir bipolaire amlior I

    Dans ce miroir, on s'arrange pour avoir deux fois la mme fuite de courant: une fois dans Q2 et une fois dans Q3, ainsi les deux fuites semblent s'annuler. En fait il reste un rsidu.

    I2 = I1+ 2I12 = I1 1+

    22

    I1

    Q1

    I2

    Q2

    V+

    Figure: Miroir bipolaire amlior II

    Dans ce miroir, on utilise un transistor suplmentaire pour isoler la base de Q2. On perd de la tension et la bande passante du miroir se dtriore.

    I2 = I1+ 2I12 = I1 1+

    22

    3.2.10. Miroir BiCMOS

    Certaines technologies permettent de mler transistors MOS et bipolaires. On verra plus loin d'autres applications.

    cours PDF/chevy007 page 23

  • I1

    Q1

    I2

    Q2

    V+

    Figure: Miroir BiCMOS

    Dans ce cas, aucun courant ne relie I1 la grille de Q2. Les remarques faites ci-dessus concernant la tension ncessaire sur l'entre et la bande passante sont toujours valables.

    I2 = I1

    3.3. Paire diffrentielle

    3.3.1. Principe de la paire diffrentielle

    La paire diffrentielle est l'lment de base pour l'acquisition de tensions. Elle est forme de deux transistors identiques de source et caisson commun, connects une source de courant.

    I1 I2

    Vi+ Vi-

    Ip

    V-

    Figure: Principe de la paire diffrentielle

    Comme pour le miroir de courant, si les tensions Vi+ et Vi- sont identiques, alors les courants I1 et I2 sont identiques.

    Pour comprendre le fonctionnement de la paire diffrentielle, on regarde son comportement autour de son point de travail. On utilise donc des approximations petits signaux.

    cours PDF/chevy007 page 24

  • i1 i2

    gm1(vi+ - v3) gm2(vi- -v3)

    ip

    v3

    Figure: Principe de la paire diffrentielle en petits signaux

    i1+ i2 = ip et i1 i2 = gm vi+ vi( )En principe, Ip ne varie pas durant la mesure, donc ip = 0.

    i1 = i2 =gm2

    v i+ vi( )

    Figure: Fonction arctan similaire au comportement de la paire diffrentielle

    3.3.2. Linarisation de la paire diffrentielle

    La linarit de la paire diffrentielle est limite par la variation du gain des transistors avec le courant qui les traverse. Pour amliorer la linarit de la paire diffrentielle on peut la dgnrer l'aide de rsistances. Il faut que la rsistance soit plus grande que l'inverse de la conductance en petits signaux pour que la variation de cette dernire n'influence plus le gain.

    cours PDF/chevy007 page 25

  • I1 I2

    Vi+ Vi-

    Ip

    V-

    Re Re

    Figure: Paire diffrentielle dgnre par des rsistances

    Les rsistances limitent le gain de la paire diffrentielle et le gain rsiduel varie moins avec le courant. La linarit est donc amliore, au prix d'une augmentation de la tension de commande.

    En fait, le courant de polarisation est inutile dans les rsistances. Il y a une possibilit d'viter cette chite de tension.

    I1 I2

    Vi+ Vi-

    Ip/2

    V-

    Ip/2

    V-

    2Re

    Figure: Paire diffrentielle dgnre par des rsistances II

    Si on met deux sources de courant de polarisation, et qu'on met les rsistances entre les deux sources, seule la diffrence de courant portant le signal passera dans les rsistances. Lea chute de tension est nettement rduite.

    3.4. Charges

    La charge gnre une tension partir d'un courant.

    cours PDF/chevy007 page 26

  • 3.4.1. La rsistance

    La rsistance est une charge linaire. Sa rsistivit (en premire approximation) ne dpend pas de sa tension.

    IR

    V

    I

    V=RI

    3.4.2. Le MOS connect en diode

    Le transistor MOS connect en diode est l'lment d'entre des miroirs de courant.

    I

    V

    I

    i=2 Ut I vI=/(2n) (Vgs-Vt) 2

    3.4.3. Le MOS connect en source de courant

    Le MOS connect en source de courant permet d'obtenir un grand gain sans grande chute de tension et sur une petite surface.

    I

    V

    I

    i=go v

    I=/(2n) (Vgs-Vt) 2

    Vmax

    3.4.4. Le MOS en source de courant cascode

    Le montage en cascode induit une contre-raction qui augmente considrablement l'impdance vue depuis le drain du transistor de cascode. Il permet donc de raliser des gains plus levs que le montage en source de courant simple.

    cours PDF/chevy007 page 27

  • I

    go1

    go2gms v1

    0

    0

    vo

    v1

    I

    Si une variation de courant est impose la sortie, elle doit passer travers go2, puis go1. Lorsque ce courant traverse go1, il gnre une tension sur v1 qui bloque le cascode par gms1, l'effet de go1 est donc amplifi par gms1.

    i = go1 go2gms2vo

    3.4.5. Bande passante de la charge

    La bande passante d'une charge RC vaut 1/(2 RC)

    I

    RC

    1/2RC

    La bande passante d'une charge rsistive associe une capacit est inversement proportionnelle son impdance, mais son gain qui lui est associ est proportionnel son impdance.

    I

    I

    I

    RC

    I

    C C

    C

    cours PDF/chevy007 page 28

  • gm/2Cgo/2C

    go2/2gmC

    Un cascode diminue la bande passante et augmente le gain associ une charge, il maintient le produit gain * bande passante (GBW). (Pour des systme de premier ordre)Dimensionnement I donn:

    I IsatnUT

    ZL > 1

    2n UT2 > n2

    UT2

    I ZL2

    WL

    =

    n

    2I ZL2 oSlew rate

    S IC

    Chute de tension

    VGS = VT +2n I

    cours PDF/chevy007 page 29

  • 4. Les blocs fonctionnels

    4.1. Les principaux blocs fonctionnels analogiques

    Les blocs fonctionnels sont des assemblages d'lments permettant de raliser une fonction. Les principaux blocs fonctionnels analogiques, qu'on retrouve dans la plus grande partie des circuits intgrs, mme digitaux, sont les amplificateurs, les comparateurs, les sources et les oscillateurs.

    4.2. Amplificateurs un tage

    Les amplificateurs un tage sont forms d'un gnrateur de courant command (ou d'un gnrateur de diffrence de courant) et d'une charge.

    4.2.1. Amplificateurs entre unique

    L'amplificateur une rsistance est utilis pour faire de petits gains (1 - 10) tout en maintenant une grande bande passante mais en perdant peu de tension (moins d'un VT).

    vo

    viM

    R

    vo = gmR( )vi

    Figure: Amplificateur une rsistance

    Les lments parasite de l'amplificateur limitent sa bande passante

    cours PDF/chevy007 page 30

  • Cgd Cdw

    CwbCsw

    Cgs

    Cgw

    Rl

    Vi

    Vo

    Figure: Les lments parasites de l'amplificateur une rsistance

    Cdwvi

    vo

    Rlgm vigo

    Cgdii

    Cgs

    Figure: Les lments parasites de l'amplificateur une rsistance

    LCK(grille): ii = vi vo( )s CGD + vi s CGS

    LCK(drain): 0 = vi vo( )s CGD go vo gm vi voRL

    => vo = vi

    s CGD gms CGD + go +

    1RL

    => vo gm RL v i en basse frquence

    => ii = vi s CGD 1+ gm RL( )+ s CGS( )L'amplificateur transistor en diode est essentiellement utilis comme entre de miroir de courant pour une charge active (voir dessous).

    cours PDF/chevy007 page 31

  • vo

    viMn

    Mp

    vov i

    =

    gmngmp

    Figure: Amplificateur transistor en diode

    vo

    vi

    Mp

    Mn

    vov i

    =

    gmngon + gop

    Figure: Amplificateur transistor en source de courant

    vo

    vi

    Mp

    Mn

    vov i

    =

    gmn + gmpgon + gop

    Figure: Inverseur

    cours PDF/chevy007 page 32

  • vo

    vi

    Ip

    M1

    M2

    M3

    vov i

    = 1

    Figure: Amplificateur suiveur gain unitaire

    vo

    vi

    Ip

    M1

    M2

    M3

    vov i

    =

    gmgms

    < 1

    Figure: Amplificateur suiveur

    vo

    vi

    M3

    M4

    M2

    M1

    vov i

    =

    gm1go1+ go2

    gms2+

    go3 + go4gms4

    Figure: Amplificateur charge cascode

    cours PDF/chevy007 page 33

  • M3

    M4

    vi M1

    voM2

    M5

    Figure: Amplificateur charge cascode replie

    4.2.2. Buffer

    Le buffer est constitu d'un transistor et d'une source de courant. Il sert isoler un noeud ou transformer l'impdance du signal.

    Figure: Le buffer et son schma quivalent

    Calcul de sa fonction de transfert:

    vo =gm vi vo( )

    ZL1 + go

    vov i

    =

    gmZL1 + gm + go

    vov i

    1 1gm ZL

    cours PDF/chevy007 page 34

  • Saturation: gm =I IsatnUT

    4.2.3. Amplificateur pseudodiffrentiel

    L'amplificateur pseudo-diffrentiel est form de deux transistors chargs de gnrer un courant dpendant du signal, et d'un miroir actif qui propoage la diffrence de courant vers la sortie. Il sert comparer deux tensions (boucle ouverte) ou gnrer une tension identique une tension de commande (boucle ferme).

    V+

    I1

    V-

    I2

    Figure: Amplificateur pseudo-diffrentiel en boucle ouverte

    V+

    I1

    V-

    I2

    Figure: Amplificateur pseudo-diffrentiel en boucle ferme

    La consommation de l'amplificateur pseudo-diffrentiel dpend fortement du signal d'entre.

    4.2.4. Amplificateur diffrentiel

    L'entre d'un amplificateur diffrentiel est compose d'une paire diffrentielle. La consommation de cet amplificateur ne dpend pas (en premire approximation) du signal d'entre. On apple amplificateur compltement diffrentiel un amplificateur diffrentiel dont les sorties sont diffrentielles.

    cours PDF/chevy007 page 35

  • vi+ vi-

    vo- vo+

    Ip

    Figure: Amplificateur compltement diffrentiel faible gain

    vi+ vi-vo-

    vo+

    Ip

    Figure: Amplificateur compltement diffrentiel haut gain

    vi+vi-

    vo-vo+

    Ip

    Figure: Amplificateur compltement diffrentiel gain unitaire

    cours PDF/chevy007 page 36

  • vi-

    vo

    Ip

    Figure: Amplificateur diffrentiel charge active

    4.3. OTA (Operational Transconductance Amplifier) simple

    vi+ vi-vo

    Ip

    M5 M3 M4 M6

    M1 M2

    M7 M8

    1:N

    1:N

    C l

    Figure: L'OTA simple

    L'OTA simple est constitu d'une paire diffrentielle et de trois miroirs de courant. Son entre et sa sortie sont haute impdance. Ce circuit est utilis pour commander des rseaux de capacits. Il peut travailler trs faible tension d'alimentation.

    Ses fonctions sont semblables celle de l'amplificateur diffrentiel charge active, mais le potentiel de son noeud de sortie peut varier quasiment d'une alimentation l'autre.

    cours PDF/chevy007 page 37

  • vi+ vi-

    Ip

    1:N

    1:N

    Ip/2Ip/2

    N * Ip/2

    Figure: Les courants dans l'OTA simple au repos

    La polarisation de l'OTA se fait par une source de courant. Ce courant est rparti par la paire diffrentielle, puis copi dans les miroirs de courant. Si on a pas de signal diffrentiel l'entre de l'OTA, le courant rsultant la sortie de l'OTA est nul.

    vi+ vi-

    1:N

    1:N

    I N * II

    N * I

    2N * I

    Figure: Variations de courant dans l'OTA simple soumis une diffrence de tension d'entre.

    Si une tension diffrentielle est prsente l'entre de l'OTA, alors la diffrence de courant se propage jusqu' sa sortie. C'est elle qui engendre un signal de sortie.

    cours PDF/chevy007 page 38

  • 4.4. OTA avec cascodes

    vi+ vi-

    voIp

    Figure: OTA avec cascode

    L'OTA avec cascode a plus de gain en tension que l'OTA simple, mais le mme produit gain * bande passante. L'excursion de sa tension de sortie est rduite.

    vi+ vi-

    voIpIp/2

    Figure: OTA cascode repli

    L'OTA cascode repli est particulirement rapide car un miroir de courant est supprim. La plage de tension d'entre peut tre tendue vers le haut.

    On trouve les relations suivantes entre tension d'entre et signal de sortie:

    cours PDF/chevy007 page 39

  • gain = vovi

    =

    gm1Ngo6 + go8

    BW = go6 + go82pi CL

    GBW = vovi

    =

    gm1 N2pi CL

    SR = NIpCL

    4.5. Comparateurs

    Le comparateur sert d'interface entre le monde analogique et le monde digital.

    Figure: Diffrents types de comparateurs

    Figure: Comparateur ralis par une chaine d'amplificateurs

    cours PDF/chevy007 page 40

  • I22

    I2

    I21I12I11

    I1

    Ip

    1:M M:1

    Vo+

    Vi-

    Vo-

    Vi+

    Figure: Comparateur ralis par contre-raction positive dans un amplificateur

    Dans ce dernier comparateur, le courant qui traverse les deux miroirs cre une contre-raction positive. On peut calculer la diffrence de tension ncessaire l'entre pour stopper cette contre-raction (exemple en faible inversion): il faut que la diffrence de courant due la paire diffrentielle soit suprieure celle due aux miroirs.

    I1 = M I2

    I1 = Isat eVG1V T

    nUT

    I2 = Isat eVG2 VT

    nUT

    I1I2

    = e

    VG1VG2nUT

    = M

    => VG1 VG2 = nUT ln M( )

    cours PDF/chevy007 page 41

  • 4.6. Sources de courant

    Figure: Sources de courants simples

    1:N

    1:MR

    I2I1

    Figure: Rfrence de courant

    Calcul des dimensions de la rfrence de courant

    I2 = N I1 I1 = Is eVGVT

    I2 = M Is eVG I2 R

    VT

    I1I2

    =

    1M

    e

    I2 RVT

    =

    1N

    cours PDF/chevy007 page 42

  • I1 =VTR

    ln 1N M

    N

    I2 =VTR

    ln NM

    Remarque: VT T , R T

    4.7. Sources de tension

    R

    Ip

    Vref

    V+

    V-

    +

    -

    R1 Vref

    V+

    V-

    +

    -

    R2

    R

    Vref

    V+

    V-

    +

    -

    Q

    Figure: Sources de tension

    R1

    V+

    Q1 Q2

    R2 R3

    +

    -

    Vref

    V1V2

    Figure: Rfrence de tension

    cours PDF/chevy007 page 43

  • Temperature

    Voltage

    Vbe1Vbe2

    Vbe

    Vbe1 + K Vbe2

    Figure: Principe de la rfrence de tension

    4.8. Oscillateurs

    Figure: Oscillateur en anneau

    f 2pi gmC

    cours PDF/chevy007 page 44

  • Figure: Oscillateur en anneau

    f 2pi gmC ,

    gm =I Isatn UT

    , I Vi VT( )2

    R

    S

    V+

    V-

    Figure: Oscillateur relaxation

    cours PDF/chevy007 page 45

  • 5. Autres notions fondamentales

    5.1. Capacits commutes

    A B

    C

    Figure: Base des capacits commutes

    q = C VA VB( )I = f q = f C VA VB( )

    Requ =1

    R C

    Vi

    C

    C

    Vo

    Figure: Intgrateur en capacit commutes

    cours PDF/chevy007 page 46

  • ViC

    C

    Vo

    Figure: Intgrateur en capacit commutes

    ViC

    C

    Vo

    Figure: Intgrateur en capacit commutes

    ViC

    C

    Vo

    Sr

    Figure: Amplificateur en capacit commutes

    V2- 2C

    C

    Vo

    Sr

    V2+

    V1- 1C

    V1+

    Figure: Additionneur en capacit commutes

    cours PDF/chevy007 page 47

  • Vi CC

    Vo

    Sr

    Vref

    So

    Figure: Amplificateur avec auto-zro en capacit commutes

    Vi CC

    Vo

    Sr

    Vref

    So

    Figure: Amplificateur avec auto-zro en capacit commutes

    5.2. Circuits BiCMOS

    Ii Io

    Figure: Miroir de courant BiCMOS

    cours PDF/chevy007 page 48

  • Figure: Amplificateur deux tages BiCMOS

    5.3. MOS bipolaire

    Certains schma peuvent tre raliss aussi bien en technologie MOS que bipolaire. On peut alors comparer les possibilits des deux types de technologies. Dans la pratique, les facteurs de cots sont si nettement l'avantage du CMOS que seules des contraintes trs svres de frquence, de bruit et de consommation peuvent encore faire choisir le bipolaire ou le BiCMOS pour un nouveau design. C'est le cas pour certains produits utiliss en tlcommunication et certains processeurs trs rapides.

    vi+ vi-

    vo

    Ip

    Figure: Amplificateur MOS

    vi+ vi-

    vo

    Ip

    Figure: Amplificateur bipolaire

    cours PDF/chevy007 page 49

  • Remarques

    (+ = prfr)

    Gain- + gm

    go plus lev en bipolaire

    Surface + - gomtrie des transistors plus malables en MOS

    Impdance dentre

    + - impdance DC infinie en MOS

    Bruit- + bruit 1/f important en MOS

    GBW- + fT du bipolaire peut tre trs lev

    Tension doffset- + tension de seuil du MOS nest pas un

    paramtre physique

    cours PDF/chevy007 page 50

  • 5.4. Layout analogiques

    Mthodologie:

    1) Evaluation de la taille des blocs2) Evaluation des noeuds sensibles3) Placement des blocs en tenant compte du routage4) Layout des blocs5) Vrification des rgles de layout et lectriques6) Placement et routage7) Eventuellement compaction8) Vrification des rgles de layout et lectriques9) Back annotation et simulation globale

    Figure: coupe d'un circuit CMOS

    cours PDF/chevy007 page 51

  • Figure: Un transitor MOS minimal

    Figure: Un transistor MOS en U

    cours PDF/chevy007 page 52

  • Figure: Un transistor MOS en peigne

    Figure: Un transistor MOS en serpentin

    cours PDF/chevy007 page 53

  • Figure: Miroir 1-8 appari

    Figure: Rsistances apparies

    cours PDF/chevy007 page 54

  • Figure: Rsistances apparies

    Figure: Capacits apparie (ancienne mthode)

    cours PDF/chevy007 page 55

  • 6. Exercices

    6.1. Exercices concernant les lments

    Exercice 1:

    Calculer les paramtres Cox et beta0 des technologies A, B et C.

    Exercice 2:

    Calculer le courant de drain pour des MOS n et p carrs en technologie A, B et C avec une tension de grille de 3 V.

    Exercice 3:

    Calculer le courant de drain pour des MOS n et p carrs en technologie A, B et C avec une tension de grille de 0.5 V.

    Exercice 4:

    Calculer les paramtres petits signaux d'un transistor n avec W/L=100 en technologie A et C travers par un courant de 10 nA.

    Exercice 5:

    Calculer les paramtres petits signaux d'un transistor n minimal en technologie A et C travers par un courant de 10 A.

    6.2. Exercices concernant les miroirs de courant

    Exercice 6:

    Calculer les dimensions des transistors pour avoir un miroir de courant n en faible inversion (Ki < 0.1) en technologie B pour un courant de 1 A.Exercice 7:

    Calculer les dimensions des transistors pour avoir un miroir de courant p en forte inversion (Ki > 10) en technologie C pour un courant de 1 A.

    cours PDF/chevy007 page 56

  • Exercice 8:

    Calculer les dimensions des transistors pour avoir un miroir de courant p en faible inversion (Ki < 0.1) en technologie C pour un courant de 1 A.Exercice 9:

    Calculer l'impdance et la tension d'entre ainsi que la tension de saturation de sortie des miroirs des exercices 7 et 8.

    Exercice 10:

    On veut raliser un miroir de courant qui recevant un courant de 100 nA dlivre 800 nA. Ce miroir doit tre polaris en forte inversion et on travaille avec la technologie C. Dimensionner le miroir.

    Exercice 11:

    On veut copier 1 A. La tension l'entre du miroir doit tre infrieure 1.5 V et la tension la sortie est de 500 mV. Quelles doivent tre les dimensions des transistors en technologie C pour que le miroir travaille en forte inversion (Ki > 10) sature ?Exercice 12:

    Calculer l'impdance et la tension d'entre d'un miroir bipolaire en technologie A (utiliser le bipolaire latral) pour 1 A.Exercice 13:

    Calculer la tension d'entre ncessaire pour le miroir de l'exercice 12 si on lui ajoute un transistor d'isolation MOS de dimensions minimales.

    6.3. Exercices concernant les paires diffrentielles

    Exercice 14:

    Calculer le gain d'une paire diffrentielle en faible inversion polarise 100 nA.

    Exercice 15:

    Calculer la rsistance ncessaire pour amliorer d'un facteur 10 la linarit de cette paire diffrentielle (Re = 10/gm) et la chute de tension qui en rsulte si la rsistance est mise entre la source du MOS et la source de courant.

    cours PDF/chevy007 page 57

  • 6.4. Exercices concernant les charges

    Exercice 16:

    Calculer la rsistance quivalente au point de travail, la bande passante et la chute de tensionsur les charges suivantes: a) une rsistance, b) un transistor MOSp en diode, c) un transistor MOSp en source de courant. Chacun en parallle avec une capacit de 2 pF, travers par un courant de 10 uA, un W/L de 10, en technologie C.

    Exercice 17:

    Pour comparaison, calculer Cgate et Cdrain.

    Exercice 18:

    Calculer le gain si la source de courant est un MOSn de dimension W/L=100 dans les cas A), B) et C). (L'entre du signal est la grille du MOSn, la sortie est le drain du MOSn).Exercice 19:

    Calculer le rapport gain * bande passante dans les cas A), B) et C).

    6.5. Exercices concernant les OTAs simples

    vi+ vi-vo

    Ip

    M5 M3 M4 M6

    M1 M2

    M7 M8

    1:N

    1:N

    C l

    Pour les exercices suivants, Ip = 1 uA, la technologie est A, Cl vaut 500 fF.

    Exercice 20:

    Calculer W/L pour avoir M1 et M2 en faible inversion (Ki < 0.1).Exercice 21:

    Calculer W/L pour avoir M3 et M4 en forte inversion (Ki > 10').Exercice 22:

    cours PDF/chevy007 page 58

  • Calculer W/L de M6 et M8 pour avoir un slew rate de 20 V/us.

    Exercice 23:

    Calculer gain, BW et GBW de l'OTA dimensionn.

    Exercice 24:

    Calculer la tension minimale de fonctionnement (Vdsat de la source Ip vaut 350 mV).Exercice 25:

    Calculer le courant total traversant l'OTA.

    cours PDF/chevy007 page 59

  • 7. Laboratoires

    7.1. Paramtres petits et grand signaux du transistor MOS

    7.1.1. Objectif de l'exprienceL'objectif de cette exprience est de comprendre la signification des paramtres petits et grands signaux du transistor MOS.

    7.1.2. Droulement de l'exprience

    On mesure ID(VDS, VG, VS) d'un transistor MOS n et d'un transistor MOS p. On en extraiera ensuite les paramtres grands signaux (VT, ) et petits signaux (gm, gms et go). La mesure sera faite pour VDS =[0, 8] V par pas de 0.25 V, VG =[0, 8] V par pas de 0.5 V et VS =[0, 2] V par pas de 0.5 V.

    On commence par dessiner le schma du circuit de mesure et prparer les tableaux et graphes ncessaires. On monte (et on vrifie) le circuit de mesure. Ensuite on effectue les mesures qu'on reporte au fur et mesure sur les tableaux.

    7.2. Contruction et mesure de buffers

    7.2.1. Objectif de l'exprienceL'objectif de cette exprience est de comprendre le fonctionnement et les limitations des buffers.

    7.2.2. Droulement de l'exprience

    Toute l'exprience va se drouler avec une tension d'alimentation de 5 V. Le courant d'alimentation du buffer sera vari pour le faire passer de faible en forte inversion.

    cours PDF/chevy007 page 60

  • Vin Vout

    Figure: Inverseur

    Vin VoutIbias

    Figure: Inverseur suivi d'un buffer avec caisson au substrat

    Vin VoutIbias

    Figure: Inverseur suivi d'un buffer avec caisson la source

    On commence par monter et caractriser en frquence un inverseur CMOS travaillant en petits signaux autour de son point de gain maximal. Ensuite on

    cours PDF/chevy007 page 61

  • fait suivre l'inverseur d'un buffer avec caisson l'alimentations minimale et on refait la caractrisation. Enfin on fait suivre l'inverseur d'un buffer avec caisson la source et on refait la caractrisation.

    7.3. Construction et mesure d'OTAs simples

    7.3.1. Objectif de l'exprienceL'objectif de cette exprience est de comprendre le fonctionnement et les limitations des OTAs.

    7.3.2. Droulement de l'exprience

    Toute l'exprience va se drouler avec une tension d'alimentation nominale de 5 V, l'exception du test de la rjection des tensions d'alimentation. Le courant d'alimentation de l'OTA sera vari pour faire passer la paire diffrentielle de faible en forte inversion.

    vi+ vi-vo

    Ip

    Figure: L'OTA simple

    On commence par monter et caractriser en frquence l'OTA simple travaillant en petits signaux autour de son point de gain maximal avec une tension de mode commun de 3V, on observera en particulier le gain, la bande passante et le produit gain * bande passante en fonction du courant de polarisation. On mesurera galement le slew rate positif et ngatif ainsi que les rjections d'alimentation et de mode commun. Ensuite on fait varier la tension de mode commun de 1V 5.5 V et on refait les caractrisations en gain et bande passante.

    On refait la mme exprience avec un OTA cascod (cascodes en srie ou replies).

    cours PDF/chevy007 page 62

  • 7.4. Construction et mesure d'un oscillateur

    7.4.1. Objectif de l'exprienceL'objectif de cette exprience est de comprendre le fonctionnement d'un oscillateur.

    7.4.2. Droulement de l'exprience

    Toute l'exprience va se drouler avec une tension d'alimentation de 5 V.

    R

    S

    V+

    V-

    Figure: Oscillateur raliser

    L'oscillateur sera ralis en plusieurs tapes. On commence par raliser la logique de contrle qu'on teste. Ensuite on ralise l'intgrateur command. Enfin on assemble le tout. On vise une frquence de travail de 1 kHz.

    On essaye ensuite, en variant la capacit et la rsistance, d'obtenir les frquences d'oscillation les plus leves et faibles possibles.

    cours PDF/chevy007 page 63

  • 8. Tables

    8.1. Constantes

    Constantes physiques:

    cours PDF/chevy007 page 64

  • Constante Unit0 8.85 10-12 F/mk 1.38 10-23 J/K

    cours PDF/chevy007 page 65

  • q 1.602 10-19 C

    Constantes du silicium 300 K:Constante Unit (SiO2) 3.9

    8.2. FormulaireTransistor MOS canal n VDS >

    VG VTn

    , VG > VT

    ID =2n

    VG VT nVS( )2

    VDS VT

    ID =2n

    VG VT nVS( )VDSVDS > 4UT , VG < VT

    ID = Isat eVGV T

    nUTe

    VSUT

    Transistor MOS canal p VDS >

    VG VTn

    , VG > VT

    ID =2n

    VG VT +nVS( )2

    VDS VT

    ID =2n

    VG VT +nVS( ) VDS( )VDS > 4UT , VG < VT

    ID = Isat eVGV T

    nUT e

    VSUT

    Transistor bipolaire npn IC = IS e

    VBEV T

    Transistor bipolaire pnp

    IC = IS eVBE

    VT

    Tableau: Comportement des transistors

    cours PDF/chevy007 page 66

  • Dispositif Formule RemarquesMOS: UT =

    kTq

    26 mV 300 K

    Cox = oTox

    Ki =ID

    IsatIsat = 2n UT2o = Cox = Cox WLn = 1+ CDCox

    CD dpend de VS. On prend souvent n=1.5 comme rgle de conception.

    bipolaire: VT =kTq

    26 mV 300 K

    Tableau: Paramtres grands signaux

    MOS faible inversion

    MOS forte inversion

    MOS linaire bipolaire linaire

    gm ,gb=

    IDnUT

    =

    IDnUT Ki

    =

    VDSn

    =

    ICVT

    gms ,ge=

    IDUT

    =

    IDUT Ki

    = VDS=

    ICVT

    go=

    IDVEARLY

    =

    IDVEARLY

    = VGS VT( )=

    ICVEARLY

    Tableau: Paramtres petits signaux

    8.3. Les grandeurs et leurs symboles

    Grandeur Nom Symbol RemarqueDistance mtre mTension volt VCourant ampre APuissance watt WCapacit farad F

    cours PDF/chevy007 page 67

  • Rsistance ohm utiliser Ohm si pose problme

    Inductance/Self henry HConductance siemens S

    Prfixes Nom Symbol Remarque

    1012 tera T (rare)

    109 giga G

    106 mga M on utilise parfois MEG (ancien)103 kilo k

    10-3 milli m

    10-6 micro utiliser u si pose problme

    10-9 nano n

    10-12 pico p

    10-15 femto f

    10-18 ato a (rare)

    Exemples

    12 pF = 12 picofarad = 12.10-12 farad

    102 A = 102 uA = 102 microampre = 102.10-6 ampre

    3.4 G = 3.4 GOhm = 3.4 gigaohm = 3.4 .106 ohm

    Anglais

    En anglais, tera, giga et mga scrivent Tera, Giga et Mega.

    Les grandeurs drives dun nom propre prennent une majuscule (Volt, Ampere, Watt, Farad, Ohm, Henry et Siemens).

    cours PDF/chevy007 page 68

  • 8.4. Exemples de paramtres technologiques

    Technologie A:

    cours PDF/chevy007 page 69

  • Paramtre MOS n MOS p UnitVT 0.8 0.7 VTox 40 40 nmmu 70 10-3 25 10-3 m2/VsCox F/m2 = pF/m2beta0 (0) A/V2Lmin 2 2 mWmin 3 3 mCovl 5 5 fF/mIs bipolaire latral 1.2 10-16 AIs bipolaire verti. 1 10-17 Abeta bipolaire 25R(CP) 30 R(DN) 25 R(DP) 100 R(CW) 4 k

    cours PDF/chevy007 page 70

  • Vearly 5 8 V/m

    Technologie B:Paramtre MOS n MOS p UnitVT 0.9 1.2 VTox 30 30 nmmu 90 10-3 30 10-3 m2/VsCox F/m2beta0 A/V2Lmin 0.7 0.7 mWmin 1 1 mCovl 5 5 fF/mR(CP) 25 R(DN) 25 R(DP) 90 R(CW) 3 kVearly 10 15 V/m

    Technologie C:Paramtre MOS n MOS p UnitVT 0.7 0.65 VTox 20 20 nmmu 90 10-3 30 10-3 m2/VsCox F/m2beta0 A/V2Lmin 0.35 0.35 mWmin 0.5 0.5 mCovl 5 5 fF/mR(CP) 25 R(DN) 20 R(DP) 150 R(CW) 2 kVearly 10 15 V/m

    cours PDF/chevy007 page 71

  • 9. Plan du cours:

    Introductionconventions

    Miroirs decourant I

    Miroirs decourant II

    Paire diff

    Elmentsparasites

    OTA I TE IOTA II OTA III

    Buffers

    CorrectionTE I

    Sources TE II

    Mesurer un MOS, contruire et mesurer un miroir

    Construire et mesurer des OTA simples

    Construire et mesurer un oscillateur

    Construire et mesurer des buffers

    CorrectionTE II

    Capacitscomm. II

    Layoutanal. I

    Capacitscomm. I

    Lundi

    Mardi

    Mercredi

    Jeudi

    VendrediOscillateurs

    Figure: Plan du cours

    cours PDF/chevy007 page 72

    Table des matires1.Introduction1.1.Le cours1.2.La conception de circuits intgrs1.3.Les paramtres petits signaux

    2.Les lments disponibles en technologie CMOS2.1.lments actifs en technologie CMOS2.1.1.Les transistors MOS2.1.2.Dfinitions2.1.3.Equations dfinissant le comportement du transistor MOS.2.1.4.Le transistor bipolaire2.1.5.Dfinitions2.1.6.Equations dcrivant le comportement du transistor bipolaire

    2.2.Elements passifs en technologie MOS2.2.1.Les rsistances2.2.2.Les capacits

    2.3.Elments parasites

    3.Les bases des blocs fonctionnels3.1.Introduction3.2.Miroirs de courant3.2.1.Miroir deux MOS3.2.2.Miroir fournissant plusieurs copies du courant d'entre3.2.3.Miroir amplifiant le courant3.2.4.Miroir rduisant le courant3.2.5.Miroir effectuant l'addition de plusieurs courants3.2.6.Miroir effectuant une soustraction3.2.7.Miroir effectuant une valeur absolue3.2.8.Miroirs deux bipolaires3.2.9.Miroirs bipolaires amliors3.2.10.Miroir BiCMOS

    3.3.Paire diffrentielle3.3.1.Principe de la paire diffrentielle3.3.2.Linarisation de la paire diffrentielle

    3.4.Charges3.4.1.La rsistance3.4.2.Le MOS connect en diode3.4.3.Le MOS connect en source de courant3.4.4.Le MOS en source de courant cascode3.4.5.Bande passante de la charge

    4.Les blocs fonctionnels4.1.Les principaux blocs fonctionnels analogiques4.2.Amplificateurs un tage4.2.1.Amplificateurs entre unique4.2.2.Buffer4.2.3.Amplificateur pseudodiffrentiel4.2.4.Amplificateur diffrentiel

    4.3.OTA (Operational Transconductance Amplifier) simple4.4.OTA avec cascodes4.5.Comparateurs4.6.Sources de courant4.7.Sources de tension4.8.Oscillateurs

    5.Autres notions fondamentales5.1.Capacits commutes5.2.Circuits BiCMOS5.3.MOS bipolaire5.4.Layout analogiques

    6.Exercices6.1.Exercices concernant les lments6.2.Exercices concernant les miroirs de courant6.3.Exercices concernant les paires diffrentielles6.4.Exercices concernant les charges6.5.Exercices concernant les OTAs simples

    7.Laboratoires7.1.Paramtres petits et grand signaux du transistor MOS7.1.1.Objectif de l'exprience7.1.2.Droulement de l'exprience

    7.2.Contruction et mesure de buffers7.2.1.Objectif de l'exprience7.2.2.Droulement de l'exprience

    7.3.Construction et mesure d'OTAs simples7.3.1.Objectif de l'exprience7.3.2.Droulement de l'exprience

    7.4.Construction et mesure d'un oscillateur7.4.1.Objectif de l'exprience7.4.2.Droulement de l'exprience

    8.Tables8.1.Constantes8.2.Formulaire8.3.Les grandeurs et leurs symboles8.4.Exemples de paramtres technologiques

    9.Plan du cours: