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École de technologie supérieure
Département de génie électrique
Maîtrise en génie électrique
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SYS861 Sujets Spéciaux I : Microélectronique Analogique
3
Automne 2014
Nicolas Constantin
PERTINENCE DU COURS
La microélectronique analogique (l’intégration de circuits analogiques sur puce de semiconducteur) offre des avantages très importants dans la conception de circuits,
particulièrement en ce qui a trait à la réduction du coût et des dimensions des circuits,
l’augmentation des performances des circuits, ainsi que l`augmentation de la fiabilité des
systèmes. C’est une technologie essentielle pour d’innombrables applications dans des
secteurs extrêmement variés de l’électronique. Pour ne mentionner que quelques
exemples d’application, on peut citer les domaines de l’audio et de la vidéo, l’électronique
biomédicale, le traitement analogique de signaux dans les systèmes de communication
sans fil et optiques, les systèmes de mesure et de commande industriels, ainsi que la très
vaste gamme de circuits intégrés analogiques offrant des fonctions à applications dédiées
telles que les circuits intégrés à application spécifiques (ASIC analogique et en mode
mixte), les régulateurs de tension, les convertisseurs de tension, les amplificateurs
opérationnels, les filtres actifs, les circuits temporisateurs, les convertisseurs analogiquesnumériques, les circuits d’interface aux capteurs, etc.
Ce cours permettra aux étudiants d’acquérir une base solide dans le cycle de
développement de circuits intégrés analogiques, incluant des techniques de conception de
circuits analogiques, la conception de puces analogiques, et des notions appliquées en
technologie de semi-conducteur pour des applications variées de la microélectronique
analogique.
DESCRIPTION SOMMAIRE
Dans ce cours, nous approfondirons certaines notions d’analyse et de conception de
circuits analogiques linéaires et non-linéaires dans les domaines temporels et fréquentiels.
Nous étudierons des structures physiques de base des composants actifs et passifs en
technologie Si-BiCMOS. Nous aborderons certains aspects du fonctionnement des
composants semi-conducteurs qui sont pertinents pour la conception de circuits intégrés
analogiques. Dans le cadre de séances de démonstration en classe, ou d’un projet de
session, l’étudiant(e) pourra se familiariser avec : les logiciels CADENCE pour la
conception de circuits intégrés analogiques et le routage manuel de puces; le
cheminement complet de développement d’un circuit intégré analogique, permettant
l’étudiant(e) d’appliquer les étapes de conception, de simulation, de routage et de
vérification.
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OBJECTIFS SPECIFIQUES
1. Savoir appliquer des techniques rigoureuses d’analyse et de conception de
circuits analogiques dans les technologies Si-CMOS et Si-BJT.
2. Comprendre les aspects du fonctionnement des composants semiconducteurs qui permettent à l’ingénieur concepteur de différencier entre des
technologies variées pour l’intégration sur puce, d’interpréter leurs
paramètres caractéristiques afin qu’il puisse faire le choix d’une technologie
appropriée pour l’application concernée, et s’assurer d’une conception
optimale.
3. Comprendre les structures physiques de base des composants actifs et
passifs en technologie Si-BiCMOS, et se familiariser avec des concepts de
base propres aux procédés de fabrication de puces.
4. Se familiariser avec les règles typiques de conception et de routage des
circuits intégrés analogiques en technologie Si-BiCMOS.
5. Se familiariser avec les techniques d’encapsulation.
6. Se familiariser avec les outils de conception des logiciels CADENCE pour la
simulation de circuits analogiques et le routage manuel de puces.
7. Se familiariser avec la conception d’un circuit intégré analogique, incluant les
étapes de conception, de simulation, de routage manuel et de vérification.
STRATEGIE PEDAGOGIQUE
- Trois (3) heures de cours magistral par semaine
- Projet de session:
1. Travail analytique de conception d’un circuit CMOS parmi une liste qui sera
proposée par le professeur
ou
2. Sur approbation du professeur: (pour les étudiants inscrits dans un
programme d’études à forte concentration de recherche) conception d’une puce
analogique sur ordinateur (simulation et tracé de la puce).
- Périodes d’encadrement par le professeur ou le chargé de travaux dirigés pour faire le
suivi sur le projet de session
- Pour les étudiants effectuant la conception de puce sur ordinateur : travaux dirigés de
simulation et de routage manuel avec les logiciels CADENCE (15 heures)
TRAVAUX A REMETTRE
- Deux devoirs (travaux individuels)
- Un rapport de projet de session (travail individuel)
PLAGIAT ET FRAUDE
Les clauses du « Chapitre 8 : Plagiat et fraude » du « Règlement des études de cycles
supérieurs » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département de
génie électrique. Afin de sensibiliser les étudiants au respect de la propriété intellectuelle,
tous les étudiants doivent consulter le document Citer, pas plagier !
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ÉVALUATION
Devoirs (2 devoirs; travaux individuels)
Projet de session (travail individuel)
Examen durant la session
Examen final
15 %
20 %
35 % Date : lundi 20 octobre
30 %
ABSENCE À UN EXAMEN : Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen,
l’étudiant devra justifier son absence auprès de la Coordonnatrice - Affaires
départementales (Génie électrique) pour un examen durant le trimestre et auprès du
Directeur du Service de la gestion académique pour un examen final. Toute absence non
justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent
immédiat ou autre) à un examen, entraînera l’attribution de la note zéro (0).
CONTENU DETAILLE DU COURS
1. Introduction
1.1. Aperçu de l’évolution des circuits intégrés analogiques
1.2. Aspects particuliers de la conception sur puce
2. Notions préliminaires en préparation pour le projet de session, pour le travail
analytique de conception et la conception de puces analogiques
2.1. Structure physique des composants semi-conducteurs propres à la technologie
CMOS abordée dans le cours
2.2. Librairies de composants actifs et passifs et cellules paramétriques
2.3. Routage et interconnexion
2.4. Logiciels de simulation et de routage (CADENCE)
2.5. Cycle de simulation, de routage, et de vérification
3. Orientation sur certaines notions critiques d’analyse de circuits et de
systèmes, en préparation pour le projet de session
3.1. Méthodes d’analyse de circuits linéaires fonctionnant à basse fréquence
3.2. Modèles linéaires pour les circuits fonctionnant à hautes fréquences
3.3. Méthodes d’analyse de circuits faiblement non linéaires
3.4. Méthodes d’analyse du bruit dans les circuits linéaires
3.5. Analyse de blocs de circuits modulaires qui se rattachent aux projets de
conception suggérés par le professeur
4. Analyse de circuits modulaires spéciaux couramment utilisés dans les circuits
intégrés analogiques CMOS et BiCMOS
4.1. Circuits de protection contre les décharges électrostatiques
4.2. Circuits de charge active
4.3. Circuits de polarisation à miroir de courant
4.4. Régulateurs de tension à haute réjection de perturbations
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4.5. Circuit régulateur de tension de type ‘Band-Gap’
4.6. Circuits échantillonneurs
4.7. Convertisseurs numérique-analogique
4.8. Amplificateurs opérationnels
4.9. Amplificateur à faible bruit
4.10.
Amplificateur à faible distorsion
4.11.
Amplificateur haute fréquence
4.12.
Multiplicateurs analogiques de type Gilbert
4.13.
Mélangeurs de fréquence
4.14.
Oscillateurs
4.15.
Détecteurs de phase
4.16.
Plaquettes pour la caractérisation et les essais de puces analogiques
5. Notions de semi-conducteurs pertinentes à la conception de circuits intégrés
analogiques
5.1. Le fonctionnement des diodes et des transistors MOS, FET, BJT, HBT,
MESFET, et HEMT selon les modèles simplifiés de contrôle du déplacement
des charges
5.2. Effets du dopage, de la mobilité des électrons, et des paramètres intrinsèques
du transistor sur les performances électriques
5.3. Étude des structures de différents types de transistor en technologies variées
de semi-conducteurs (Si-BiCMOS, SiGe-BiCMOS et autres), et leurs
implications sur les performances des circuits analogiques
5.4. Considération des paramètres électriques critiques des composants actifs pour
le choix optimal d’une technologie : transconductance, gain, fréquence de
coupure, génération du bruit, avalanche et claquage, linéarité, effets du substrat
(‘Body Effect’)
5.5. Structures passives sur puce et méthodes de mise à la terre
5.6. Effets reliés aux très faibles dimensions ; l’effet ‘short channel’ d’un transistor
MOS
5.7. Revue des paramètres électriques des transistors MOS et BJT, en relation avec
les notions de semi-conducteurs et fonction des applications visées : haute
intégration; haute fréquence; haute tension; haute efficacité énergétique.
5.8. Paramètres et caractéristiques électriques des dispositifs du procédé CMOS0.18um.
6. Modèles électriques des transistors Si-CMOS et Si-BiCMOS
6.1. Modèles électriques des diodes et des transistors MOS et BJT en régime petit
signal, en relation avec leurs structures physiques
6.2. Modèles électriques aux hautes fréquences
6.3. Modèles dérivés de SPICE
6.4. Analyse de circuits appliquée aux modèles électriques
7. Notions de base sur le processus de fabrication des circuits intégrés
analogiques et les technologies spécifiques pour les procédés Si-CMOS et SiBiCMOS
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7.1. Fabrication des gaufres; croissance en épitaxie; principe de diffusion; principe
d’implantation par faisceau d’ions; couches déposées par vapeur;
photolithographie
7.2. Méthodes de test des éléments actifs et passifs sur puce
7.3. Données de contrôle de procédés (‘PCM’); sensibilité; rendement.
7.4. Techniques d’encapsulation
7.5. Méthodes de test en production à grande échelle
7.6. Choix des fonderies (critères de sélection; support d’ingénierie)
RÉFÉRENCE OBLIGATOIRE:
1.
Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, 2
Sons, 2014 (disponible à la coop-éts).
nd
edition, John Wiley &
Diapositives du cours: figures et formulations prisent de la référence obligatoire.
Remarque : les diapositives servent de support didactique durant les séances de cours, et
de guide pour la lecture de sections choisies dans le manuel obligatoire pour le cours ;
mais la lecture des sections correspondantes tout au long du cours dans le manuel
obligatoire est essentielle.
RÉFÉRENCES RECOMMANDÉES:
2.
Paul R. GRAY, Paul J. HURST, Stephen H. LEWIS, and Robert G. MEYER,
Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, John Wiley & Sons, 5ème éd., 2009
(ou 4ème éd., 2001, disponible à la bibliothèque de l’ÉTS).
3.
Richard C. Jaeger, Introduction to Microelectronic Fabrication (Modular Series on
Solid State Devices), Volume V, Prentice Hall, 2ème éd., 2002.
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