GEL-‐3000 Électronique des composants
intégrés
Hiver 2015 -‐ Introduc�on -‐
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La révolu�on des circuits intégrés ¨ Produits de consomma�on
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La révolu�on des circuits intégrés ¨ Dans l’industrie
§ L’informa�que § Les télécommunica�ons § L’explora�on spa�ale § L’ère numérique
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La révolu�on des circuits intégrés ¨ Domaine de la santé et
des sciences de la vie
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§ 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)
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§ 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
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§ 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
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§ 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
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¨ 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
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¨ Le boi�er (encapsula�on) § Le boi�er est soudé sur un circuit
imprimé § Des dual inline package (DIP) aux small
outline (SO)
Composi�on des circuits intégrés
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¨ Technologies de micro-‐soudure § Wire bonding § Flip-‐chip bonding
(puce retournée)
Composi�on des circuits intégrés
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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
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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.
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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).
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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
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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%
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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%
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§ Projet de concep�on: Disposi�f d’instrumenta�on de signaux myoélectriques
§ La source de signal, c’est vous…
Signaux myoélectriques
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§ 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
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Programme du cours
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Programme du cours (suite)
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Échelle des cotes Upgrade automa�que à A+
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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.
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Concep�on et simula�on AO
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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
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¨ 1958: le premier circuit intégré
2 mm
14 mm
Bref historique
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¨ 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
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¨ 1961: Premier circuit intégré commercial § Conçu par Robert Noyce de Fairchild
§ Le circuit réalise une bascule
§ Fait de silicium
Bref historique
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¨ L’ampli-‐op: schéma du μA741
Bref historique
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¨ 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
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¨ 1972: Technologie CMOS (Complementary MOS) § Avantages: Très grande
efficacité énergé�que § Peut coûteux § Exploite la mise à l’échelle
(miniaturisa�on)
Bref historique
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¨ 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
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¨ Évolu�on du nombre de transistors
Bref historique
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¨ Évolu�on du nombre de transistors (suite)
Bref historique
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¨ Évolu�on du nombre de transistors (suite)
Bref historique
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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)
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¨ Circuits MSI – Medium scale integra�on § Con�ent jusqu’à 1000 portes logiques
§ Exemple: Compteur 74161
Échelle d’intégra�on
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¨ Circuits LSI – Large scale integra�on § Con�ennent jusqu’à 10000 portes logiques § Exemple: Microprocesseur 8 bits 8008 d’Intel
Échelle d’intégra�on
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¨ 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
Échelle d’intégra�on
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¨ 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
Échelle d’intégra�on
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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
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¨ 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
Exemple de système intégré (1)
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¨ 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.
Exemple de système intégré (1)
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¨ 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
Exemple de système intégré (1)
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¨ 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!
Exemple de système intégré (1)
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¨ …
Exemple de système intégré (1)
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¨ Autres considéra�ons…
Exemple de système intégré (1)
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¨ 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
Exemple de système intégré (1)
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¨ 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
Exemple de système intégré (1)
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¨ 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
Exemple de système intégré (2)
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¨ 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
Exemple de système intégré (2)
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¨ 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
Exemple de système intégré (2)
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¨ 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?
Exemple de système intégré (2)
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¨ 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
Exemple de système intégré (2)
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¨ 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…
Exemple de système intégré (2)
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¨ Conversion A/N
Exemple de système intégré (2)
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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