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Responsable(s) Nicolas Constantin

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École de technologie supérieure
Département de génie électrique
Responsable(s) de cours : Nicolas Constantin


PLAN DE COURS

Automne 2018
SYS811 : Microélectronique analogique (3 crédits)



Préalables
Aucun préalable requis




Descriptif du cours
Ce cours vise à approfondir des notions d’analyse et de conception de circuits analogiques linéaires et non-linéaires dans les domaines temporels et fréquentiels en mettant l’accent sur les techniques de circuits propres à l’intégration sur puce de semi-conducteurs.

Au terme de ce cours, l’étudiant sera en mesure d’analyser et concevoir des circuits analogiques complexes dans les technologies à semi-conducteurs; de faire le choix approprié d’un procédé de semi-conducteur en fonction des performances visées par l’intégration sur puce. Dans le cadre de séances de démonstration en classe, ou d’un projet de session, l’étudiant sera en mesure d’utiliser efficacement un logiciel pour la conception de circuits intégrés analogiques et le tracé manuel de puces (layout) et de déterminer le cheminement complet de développement d’un circuit intégré analogique. Cela inclut les étapes de conception, de simulation, de tracé de puce et de vérification.

Exemples d’architectures de circuits étudiés en profondeur : miroirs de courant; régulateurs de tension de haute précision; amplificateurs différentiels; amplificateurs opérationnels; circuits mélangeurs; circuits de protection contre les décharges électrostatiques. Structures physiques de composants intégrés sur puce; fonctionnements particuliers de différents types de transistors; modèles basses et hautes fréquences; mécanismes de génération de bruit. Notions appliquées de physique de semi-conducteur; aspects du fonctionnement des composants semi-conducteurs relatifs à leurs performances électriques.



Objectifs du cours
  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 semi-conducteurs 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 traçage physique (layout) 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 traçage manuel de puces.
  7. Se familiariser avec la conception d’un circuit intégré analogique, incluant les étapes de conception, de simulation, de traçage manuel et de vérification.



Stratégies pédagogiques

 

- Trois (3) heures de cours magistral par semaine.

 

 - Devoir 1 : Complétion d'un tutoriel en 3 parties sur le logiciel Cadence, avec vérification par

    le professeur ou un(e) auxiliaire d'enseignement.

 

- Devoir 2 : Lecture d'une section de livre ou d'article(s) suivie d'une analyse critique et

  scientifique selon les objectifs établis par le professeur.

 

- 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 (en principe pour les étudiant(e)s inscrit(e)s dans un programme d’études à forte concentration de  recherche) : conception d’une puce analogique sur ordinateur (simulation et tracé de la puce) selon des objectifs établis par le professeur ou proposés par l’étudiant(e).

 

Périodes d’encadrement par le professeur ou un(e) auxiliaire d’enseignement pour faire le suivi sur

  le projet de session.

 




Utilisation d’appareils électroniques

Tout enregistrement vidéo ou audio durant le cours est interdit.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Mardi 18:00 - 21:30 Activité de cours



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Nicolas Constantin Activité de cours nicolas.constantin@etsmtl.ca A-2579



Cours
  1. Introduction

1.1 Aperçu de l’évolution des circuits intégrés analogiques

1.2 Aspects particuliers de la conception sur puce

  1. Notions préliminaires en préparation pour le projet de session, pour le travail analytique de conception et la conception de puces analogiques

2.1  Structures physiques 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  Traçage et interconnexion

2.4  Logiciels de simulation et de traçage physique de puces (CADENCE)

2.5  Cycle de simulation, de traçage physique, et de vérification

  1. 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 aux basses fréquences

3.2 Modèles linéaires et méthodes d'analyse pour les circuits fonctionnant aux 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

  1. 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 miroirs de courant

4.4   Régulateurs de tension à haute réjection de perturbations

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

  1. 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 de contrôle du déplacement des charges.

5.2  Effets du dopage, de la mobilité des électrons, des dimensions physiques 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 mécanismes de déplacement de charges et des paramètres

        électriques critiques des composants actifs pour le choix optimal d’une technologie :

        transconductance, gain, fréquence de transition, génération du bruit, avalanche et

        claquage, mécanismes introduisant la distorsion, effets du substrat (‘Body Effect’),

        effet de modulation de longueur de canal, mécanismes et techniques d'isolation de

        composants actifs sur puce.

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; fonctionnement aux très faibles densités de courant; effet Kirk.

5.8   Paramètres et caractéristiques électriques des dispositifs d'un procédé CMOS,

        e.g. CMOS-0.18um.

  1. 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 Analyses de circuits appliquées aux modèles électriques

  1. Notions de base sur le processus de fabrication des circuits intégrés analogiques et les technologies spécifiques pour les procédés Si-CMOS et Si-BiCMOS

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)




Laboratoires et travaux pratiques

 

Travaux à remettre

  • Deux devoirs (travaux individuels); validation de la complétion du tutoriel CADENCE.
  • Un rapport de projet de session (travail individuel),  validation du projet de conception de puce sur ordinateur en laboratoire.



Évaluation

 

Activité Description % Date
  Devoirs (2 devoirs; travaux individuels) 15 %  
  Projet de session (travail individuel) 20 %  
  Examen durant la session 35 % 30 octobre 2018
  Examen final 30 %  



Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 30 octobre 2018



Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

Aucun travail en retard ne sera accepté.




Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur de département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. 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 (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/A-propos/Direction/Politiques-reglements/Infractions_nature_academique.pdf ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire

 

1.   Behzad Razavi, Fundamentals of Microelectronics, 2nd edition, John Wiley & Sons, 2014 (disponible à la coop-éts).

Diapositives du cours: figures et formulations prises de la référence obligatoire et des ouvrages de références, selon les ententes avec COPIBEC

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.




Ouvrages de références

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




Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

https://planets.etsmtl.ca/Public/Versionpdf.aspx?session=20173&sigle=SYS811&groupe=00