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Cours d’électroniquePHELMA – 1ère année – PMP

Laurent Montès

Laurent.Montes@minatec.inpg.fr

http://communication.minatec.inpg.fr/montes/

15/09/08

V CC

I

vc1 vb1 vb2 vc2

RC RC

VSS

T1 T2

2

2

2/1

22

−−

−−=

TGS

iDiD

TGSD VV

vv

VV

IIi

-VCC

+

-

VS

+VCC

R3

R4

R

R

R1

R2

P

Ve

Figure 6

VDS

ID

E

DR

E

E

2

1

DR

E

E

E2

Dynamique 1

Dynamique 2

Vgs = Vgs0 ID0

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Revue des Techniques de l’ingénieurPrincipes d’électronique, P. Malvino, Dunod, 2002Électronique 1. Composants discrets et méthodes de calcul, J.M. Poitevin, Dunod, 1995Électronique, Théorie du signal et composants, F. Manneville et J. Esquieu, Dunod, 1997Électronique, J. Pérez, C. Lagoute, J. Y. Fourniolset S. Bouhours, Dunod, 2006Électronique analogique des circuits intégrés, TranTien Lang, Elsevier-Masson, 1996

PA. Sedra, K. Smith, Microelectronic circuits, Oxford University Press, 2004

Bibliographie

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Objectifs du cours- En savoir un minimum sur l’utilisation des composants électroniques de baseet sur leur mise en œuvre.- Analyser et comprendre un schéma analogique ou numérique basique.(aspect fonctionnel)- Faire le lien matériel entre un capteur et un ordinateur.(les grandes fonctions de l’électronique)- Etre capable de spécifier ou comprendre un cahier des charges électronique

PREREQUIS : Notions d’électronique de classe préparatoire : calcul de circuit, diagrammes de Bodes, fonctionnement des amplificateurs opérationnels parfaits.

CONTENU : - Outils pour la mise en équation et l’étude de circuits - Méthodologie de Mesure - Composants et leur modélisation (Diodes, un seul transistor TMOS )- Montages de base à transistor - Amplificateur à 1 transistor, Structure et performance des portes logiques CMOS- Structure simplifiée d’un amplificateur opérationnel- Outils mathématiques (Numération, Binaire, Boole…)- Logique combinatoire et séquentielle- Méthodes de Synthèse et Machines à états

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Plan du cours

I. Introduction à l’électronique moderne

II. Rappel de calcul des circuits

III. Les composants semiconducteurs discrets

IV. Applications linéaires – Information continue, analogique

V. Applications commutation.

VI. Applications numériques - information quantifiée

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Exemple de schéma application : dictaphone

Source: National Semi-conductor (www.national.com)

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Simulation / Logiciels

Orcadhttp://www.cadence.com/orcad/

Altiumhttp://www.altium.com/

Quartushttp://www.quartus.fr

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L’évolution de l’électroniqueces 50 dernières années

Puissance : x 1 000 000 000 (x109)

Taille : ⌯ 1 000 000 (x10-6 )

1990 2006 2010 ?1947 1980

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Electronique

Microsystèmes

Microélectronique

NanoElectronique

100µm ou 0.000 1 mètre

1µm ou 0.000 001 mètre

100nm ou 0.000 000 1 mètre

1A ou 0.000 000 01 mètreso

1mm ou 0.001 mètre

Ce pixel est 4 millions de fois plus grand qu’un atome !!!!!

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Le TransistorLa brique de base de l’électronique

C’est l’objet artificiel le plus abondant sur Terre !

C’est aussi le moins cher !

Silicium P

N+ N+

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Le TransistorToujours plus petit (‘loi de Moore’)

J. Bardeen, W. Brattain,W. SchockleyN+

50 atomes

2-30 atomes

150 atomes

1990 2006 2010 ?1947 1980

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La puce ou circuit intégréToujours plus dense

Silicium P

N+ N+Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

Silicium P

N+ N+

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Avant 1968 2007

La puce ou circuit intégréToujours plus dense

20061961 1971

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50 puces10 000 000 T

10 puces200 000 T

Voiture

Radio

50 puces100 000 000 T

Feu rouge

10 puces10 000 000 T

Téléphone

1 puce2 000 000 T

Carte de crédit

5 puces5 000 000 T

Ascenseur

50 puces300 000 000 T

Ordinateur

20 puces20 000 000 T

Télévision

1 puce

10 000 TSalle de bain

1 puce10 000 TCuisine

4 puces300 000 T

Réveil

L’électroniquedans notre vie quotidienne

GPS

1 puce2 000 000 T

Baladeur MP3

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Microsystèmes

Numérique

Analogique

Test

AntenneMémoires

IntégrationSystème sur puce

Batterie

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130 nm

90 nm

65 nm

45 nm

32 nm

More Moore More than Moore

Top-down

Bottom-up

System on Chip (SoC)

System in Package (SiP)

MEMS

Beyond Moore

Micro/Nano TechnologiesConvergences

MINATEC Centre

DNA

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Balayagede la rangée de micro-poutres

Passage du doigt sur le capteur

capteur

Conversion du signal

CANAmpli

Amplification du signal analogique

Déterminationde la flexion dela micro-poutre

Exemple d’un capteur intégré(capteur d’empreintes)

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Exemple d’un capteur intégré(capteur d’empreintes)

F. Parrain, TIMA - 1999

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I.2. Modélisation et performancesd’un système électronique

Système

ZsZe

Av.VeVe Vs

Modèle dans un domaine devalidité donné

0=

=

SIE

SV V

VA

conditionE

SI I

IA

=

-Gain en tension à vide

-Gain en courant

-Fonction de transfert (dépendance des paramètres vis à vis de la fréquence)-Transimpédance-Conductance.

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I.3. Les composants passifs.

Un composant est dit passif lorsqu’il ne peut fournir aucune puissance au circuit dans lequel il est inséré.C’est le cas des résistances, condensateurs et inductances.

Résistance : R

Capacité : C

Inductance : L

U=R.I

ωjLUdt

dILU =≈=

ωjC

IU

dt

dUCI =≈=

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VsVe

R

C VsVe R

C

Vc

Filtre passe-bas Filtre passe-haut

I.3. Les composants passifs.

Ve

tVs Passe haut

Vs Passe bas

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I.3. Les dipôles non linéaires

ID

UD

D

R

UDE

R

D

ID

ID

UD

D

UD0

ID0

E

E/R

point de fonctionnement ou point de polarisation

droite de charge

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uD(t)e(t)

R

rD

iD(t)

UD(t)

E(t)

E

UD0

e(t)

uD(t)

Chronogramme du circuit R, D Schéma dynamique équivalent petits signaux

I.3. Les dipôles non linéairesSchéma petits signaux

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ID

VD

Modèle dynamique autour dupoint de polarisation ID0, VD0

VD0

ID0

Modèle statique simplifié

Modèle statique

Pente1/rD

Modèle statique simplifié

VD <0 VD>0

Modèle statiqueVD0

VD<VD0 VD>=VD0

Modèle dynamique petits signaux

rD

I.3. Les dipôles non linéairesModèle petits signaux

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...44

33

221 ++++= SSSSR ζζζζ

magnitude gdiminishin of tscoefficiennonlinear order -higher are etc , , and

ty,responsivinonlinear quadratic theis ty,responsivilinear theis where

43

21

ζζζζ

II.7 Non Linear Optics

Superlinear and sublinear response

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II.7 Non Linear Optics

Frequency conversion

sinusoidal input (single frequency)

non-sinusoidal output (mixed frequencies)