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Circuit intégré
Nom :……………..
Prénom :…………………
Section :………………..
Groupe :…………………
Année universitaire : 2010/2011
Introduction :
Le circuit intégré (CI), aussi appelé puce électronique, est un composant
électronique reproduisant une fonction électronique plus ou moins complexe, intégrant
souvent plusieurs types de composants électroniques de base dans un volume réduit, rendant
le circuit facile à mettre en œuvre. Il existe une très grande variété de ces composants divisés
en deux grandes catégories : analogique et numérique.
Figure 1 : Une puce sur une carte Vitale.
Un circuit intégré conçu de nos jours dans une technologie CMOS submicronique utilise
plusieurs dizaines de millions de transistors de très faibles dimensions sur une surface de
quelques cm2. De plus, il fonctionne à une fréquence élevée (plus de 1,5 GHz pour les
processeurs actuels) et dissipe une puissance importante. Les performances techniques
recherchées pour les téléphones mobiles sont une bonne illustration des objectifs à atteindre
dans des marchés où la compétition est très forte : faible poids, faible volume, grande
autonomie, bonne couverture géographique, faible coût. Ces performances sont atteintes en
intégrant l’ensemble des fonctions sur un ou deux circuits intégrés spécifiques.
Le nombre de transistors par circuit intégré double tous les un an et demi. Cette évolution
déterministe a été prédite par la loi de "Moore" (du nom de G. Moore, co- fondateur de la
société Intel) et s'est vérifiée sur les trente dernières années. Ce prodigieux essor a été rendu
possible par les progrès concernant aussi bien l'architecture des transistors et leurs
technologies de fabrication que l'architecture des circuits et les méthodes de conception
assistée par ordinateur (CAO). La croissance exponentielle du nombre de transistors sur une
seule puce (une puce est le morceau de silicium sur lequel est réalisé le circuit intégré),
conséquence de l'évolution des technologies de fabrication, permet d'y intégrer des fonctions
de plus en plus complexes, avec de plus en plus de fonctionnalités, jusqu'à l'intégration de
systèmes complets.
I. Historique :
Jack Kilby (1923 – 2005) est l'inventeur du circuit intégré. En 1958, cet Américain, alors
employé par Texas Instruments, créait le tout premier circuit intégré, jetant ainsi les bases
dumatériel informatique moderne. Pour la petite histoire, Jack Kilby, qui venait de rejoindre
la compagnie, a fait cette découverte alors que la plupart de ses collègues profitaient de
vacances organisées par Texas Instruments. À l'époque, Kilby avait tout simplement relié
entre eux différents transistors en les câblant à la main. Il ne faudra par la suite que quelques
mois pour passer du stade de prototype à la production de masse de puces en silicium
contenant plusieurs transistors. Ces ensembles de transistors interconnectés en circuits
microscopiques dans un même bloc, permettaient la réalisation de mémoires, ainsi que
d’unités logiques et arithmétiques. Ce concept révolutionnaire concentrait dans un volume
incroyablement réduit, un maximum de fonctions logiques, auxquelles l'extérieur accédait à
travers des connexions réparties à la périphérie du circuit1. Cette découverte a valu à Kilby
unprix Nobel de physique en 2000, alors que ce dernier siégeait toujours au directoire
de Texas Instruments et détenait plus de 60 brevets à son nom.
1) Circuit intégré analogique
Les composants les plus simples peuvent être de simples transistors encapsulés les uns à côté
des autres sans liaison entre eux, jusqu'à des assemblages réunissant toutes les fonctions
requises pour le fonctionnement d'un appareil dont il est le seul composant.
Les amplificateurs opérationnels sont des représentants de moyenne complexité de cette
grande famille où l'on retrouve aussi des composants réservés à l'électronique
haute fréquenceet de télécommunication.
Un exemple de circuit analogique : l'ampli op LM741 et une ribambelle de cousins.
2) Circuit intégré numérique
Les circuits intégrés numériques les plus simples sont des portes logiques (et, ou, non), les
plus complexes sont les microprocesseurs et les plus denses sont les mémoires. On trouve de
nombreux circuits intégrés dédiés à des applications spécifiques (ASIC pour Application
Specific Integrated Circuit), notamment pour le traitement du signal (traitement d'image,
compression vidéo...) on parle alors de DSP (pour Digital Signal Processor). Une famille
importante de circuits intégrés est celle des composants de logique programmable
(FPGA,CPLD). Ces composants sont amenés à remplacer les portes logiques simples en
raison de leur grande densité d'intégration.
II. Composition
1) Le boîtier
Figure 2 : Circuits intégrés boîtier DIP.
Figure 3 : Un microcontrôleur boîtier DIP.
Les circuits intégrés se présentent généralement sous la forme de boîtiers pleins
rectangulaires, noirs, équipés sur un ou plusieurs côtés voire sur une face, de pattes (appelées
aussi broches ou pins) permettant d'établir les connexions électriques avec l'extérieur du
boîtier. Ces composants sont brasés, (soudé, terme impropre) sur un circuit imprimé, ou
enfichés, à des fins de démontage, dans des supports eux-mêmes brasés sur un circuit
imprimé.
Sur le boîtier sont peints : le logo du fabricant, une référence qui permet d'identifier le
composant, un code correspondant à des variantes ou révisions et la date de fabrication (4
chiffres codés AASS : année et semaine). Les progrès de l'intégration sont tels que les circuits
intégrés peuvent devenir très petits. Leur taille ne dépend plus guère que de la capacité du
boîtier à dissiper la chaleur produite par effet Joule et, bien souvent du nombre, de la taille des
broches de sortie du circuit ainsi que de leur espacement.
Différents types de boîtiers permettent d'adapter le circuit intégré à son environnement de
destination.
Le format le plus ancien a pour nom Dual Inline Package (DIP ou DIL) qui se traduit
sommairement par « boîtier avec deux lignes ».
La miniaturisation aidant, les circuits dits de surface ont fait leur apparition : le format SO.
Bien d'autres types existent :
2) Le Die
Figure 4 : Un die de circuit intégré VLSI
Le die est la partie élémentaire, de forme rectangulaire, reproduite à l’identique à l’aide d’une
matrice sur une tranche de silicium en cours de fabrication. Il correspond au circuit intégré qui
sera ensuite découpé et que l’on appellera une puce avant qu’elle ne soit encapsulée pour
donner un circuit intégré, prêt à être monté sur une carte.
Le Die d'un circuit intégré comprend sous des formes miniaturisées principalement
des transistors, des diodes, des résistances, descondensateurs, plus rarement des inductances,
car elles sont plus difficilement miniaturisables.
3) Échelle d'intégration
L'échelle d'intégration définit le nombre de portes par boîtier :
SSI (small scale integration) petite : inférieur à 12
MSI (medium) moyenne : 12 à 99
LSI (large) grande : 100 à 9 999
VLSI (very large) très grande : 10 000 à 99 999
ULSI (ultra large) ultra grande : 100 000 et plus
Ces distinctions ont peu à peu perdu de leur utilité avec la croissance exponentielle du nombre
de portes. Aujourd'hui plusieurs centaines de millions de transistors (plusieurs dizaines de
millions de portes) représentent un chiffre normal (pour un microprocesseur ou un circuit
intégré graphique haut de gamme). Afin de parvenir à de tels niveaux d'intégrations, un flot de
conception complexe est utilisé.
4) La technique de fabrication la plus courante
Figure 5 : Des microprocesseurs sur la tranche de silicium (wafer) qui sert à leur fabrication.
La fabrication d'un circuit intégré est un procédé complexe dont la tendance est à se
compliquer de plus en plus.
Le motif de base est le transistor, et ce sont ensuite les interconnexions métalliques entre
les transistors qui réalisent la fonction particulière du circuit.
L'aluminium est souvent employé dans ce but, mais une technologie plus performante
permet l'emploi du cuivre.
On utilise parfois du silicium polycristallin, également conducteur, notamment pour la
grille du transistor.
a- Matière première
La matière première de base habituellement utilisée pour fabriquer les circuits intégrés est
le silicium.
Néanmoins, d'autres matériaux sont parfois employés, comme le germanium ou l'arséniure de
gallium.
Le silicium est un semi-conducteur dans sa forme monocristalline. Ce matériau doit être pur à
99,99 %.
On fabrique d'abord un barreau cylindrique de silicium en le cristallisant très lentement. Ce
barreau est ensuite découpé pour être utilisé sous forme de galettes de 100
à 800 µmd'épaisseur et ayant jusqu'à 300 mm de diamètre, appelé wafer (galette, en anglais).
Un wafer va supporter de nombreux circuits intégrés.
b- La photolithogravure
La photolithographie, désigne l'ensemble des opérations permettant de délimiter l'extension
latérale des matériaux sur la surface d'un substrat semi-conducteur, dont la structure est plus
ou moins bidimensionnelle car basée sur l'empilement de couches à la surface d'une plaquette
de silicium. Les motifs deviendront par la suite les différentes zones actives des composants
électroniques (exemple : contact, drain...) ou les jonctions entre ces composants. Ce procédé
est actuellement le plus répandu.
Étapes de fabrication
Figure 6 : Le circuit intégré d'une puce Intel 8742
Le nombre d'étapes de la fabrication des circuits intégrés a crû considérablement depuis 20
ans. Il peut atteindre plusieurs dizaines pour certaines productions spécialisées. Toutefois, on
retrouve à peu près toujours la même série d'étapes :
Préparation de la couche : on expose le wafer à du dioxygène pur après chauffage pour
fabriquer une couche d'oxyde (isolant) en surface, ensuite le wafer est recouvert d'un
vernis photosensible.
Transfert : on transfère le dessin du circuit à reproduire sur la surface photosensible à
l'aide d'un masque, comme pour la peinture au pochoir, en l'exposant aux ultraviolets, (ou
aux rayons X, pour les gravures les plus fines). Le vernis non soumis aux rayonnements
est dissout grâce à un solvant spécifique.
Gravure : l'oxyde de silicium est donc protégé par le vernis aux endroits exposés aux
ultraviolets. Un agent corrosif va creuser la couche d'oxyde aux endroits non protégés.
Dopage : on dissout ensuite le vernis exposé avec un autre solvant, et des ions métalliques,
appelés dopants, sont introduits dans le silicium exposé là où l'oxyde a été creusé, afin de
le rendre conducteur.
Couche suivante : l'opération est renouvelée pour créer les couches successives du circuit
intégré ou du microprocesseur (jusqu'à 20).
On détermine la qualité de la gravure selon le plus petit motif qu'il est possible de graver,
en l'occurrence la largeur de la grille du transistor MOS.
En 2004, les gravures les plus fines en production sont de 0,13 µm (ou 130 nm)
et 90 nm.
En 2006, les gravures les plus fines en production sont de 60 nm et 30 nm.
c- Phases finales
On dépose une pellicule métallique aux endroits où le circuit devra être en contact avec les
broches de sortie.
Les circuits intégrés sont testés directement sur le wafer. Les puces défectueuses sont
marquées (inking). Il s'agit de l’EWS
Le wafer est finalement découpé au moyen d'une scie circulaire au diamant d'une
épaisseur de 0.02mm ou via un procédé de découpe laser pour obtenir des die.
Les puces ainsi obtenues sont insérées dans un boîtier individuel de protection et reliées
aux broches qui vont leur permettre de communiquer avec l'extérieur.
Des tests de validation sévères et individuels sont alors entrepris pour qualifier les
microprocesseurs, en fréquence et en température.
5) Technologies spécialisées
Certaines techniques sont aussi utilisées pour des circuits intégrés de type un peu spécialisé.
a- Silicium sur isolant
Le principal défaut du CMOS réside dans sa capacitance. C’est-à-dire la capacité interne et
parasite qui ralentit la vitesse de commutation d’un transistor. À la périphérie immédiate de la
source et du drain, on observe une forte accumulation de charges électriques. Ces charges
résultent de la différence de potentiel entre le substrat silicium et ces parties d’épi-couche
(c’est-à-dire de la couche de surface, proche des zones sources et drains) ionisées. À partir des
années 1990, on s’est intéressé à une solution appelée SOI ou (Silicon On Insulator, c’est-à-
dire silicium sur couche isolante) permettant de réduire ces effets nuisibles2.
La technologie (silicon on insulator - SOI) consiste à introduire une couche isolante
électriquement sous les transistors en profondeur du silicium. Cela réduit les pertes
d'électrons dans le circuit, sources de consommation statique d'énergie. Le silicium « à côté »
des transistors n'est plus fixé à un potentiel donné, ce qui introduit des performances
intéressantes (augmentation de vitesse pour les portes CMOS complexes).
b- Silicium sur saphir
Dans certains cas, le substrat en silicium monocristallin est purement et simplement
abandonné. L'avantage intrinsèque d'utiliser du silicium (l'arrangement des atomes de silicium
sur le substrat est naturellement plus régulier) peut alors être compensé pour des applications
spécialisées. C'est ainsi que le silicium sur saphir (substrat en saphir cristallin) est utilisé dans
les applications où le circuit intégré sera exploité dans un environnement spatial ou soumis à
d'intenses radiations qui rendraient les substrats de silicium inutilisables.
c- Arséniure de gallium
On réalise également des semi-conducteurs à base d'arséniure de gallium. Même si ce
matériau a eu l'antériorité sur le silicium, il avait quasiment disparu de l'industrie. Aujourd'hui
les avantages intrinsèques de ce matériau en termes de vitesse de commutation, ainsi que ses
performances supérieures à celles du silicium dans le domaine de l'opto-électronique, lui
redonnent une nouvelle jeunesse dans le domaine des hautes fréquences et l'on voit
réapparaître une fabrication industrielle sur la base de cette technologie.
d- Développements futurs
L'industrie des circuits intégrés est une de celles qui évoluent le plus rapidement de l'histoire
des technologies. Elle explore continuellement de nouvelles technologies. Parmi celles qui
semblent avoir un avenir prometteur il faut compter : les substrats en diamant3, dont on attend
beaucoup en termes de refroidissement
III. Exemple de circuit intégré
A l'intérieur de ce boîtier noir, il y a une puce de silicium de taille réduite. Elle contient
l'ensemble du circuit électronique compris dans le circuit intégré, avec tous ses composants.
L'image ci-dessous représente une coupe du circuit intégré schématisée et simplifiée.
Remarquez que les contacts du circuits convergent vers la puce de silicium. Comme déjà dit,
celle-ci contient les composants qui sont nécessaires au fonctionnement du circuit intégré.
Figure 7 : Coupe schématisée circuit intégré
Le terme "porte logique" désigne une opération d'arithmétique binaire lorsqu'un niveau 1 ou 0
est appliqué sur un contact d'entrée déterminé du circuit intégré. Le résultat de cette opération
est alors présent sur un contact de sortie (état 0 ou 1). Pour les circuits TTL, nous considérons
que si une entrée présente une tension allant de 2 à 5V, l'entrée est au niveau HAUT (état 1).
Si au contraire la tension va de 0 à 0,8V, l'entrée est au niveau BAS (état 0). Les tensions
comprises entre 0,8 et 2V sont indéterminées et ne doivent pas être utilisées. La sortie est au
niveau HAUT si sa tension est de 2,4 à 5V. Elle est au niveau BAS si la tension est de 0 à
0,4V. Examinons à présent les opérations binaires et leurs symbolisations.
1) Inverseur (porte NON)
L'inverseur est une porte utilisée pour changer un état. En d'autres termes, lorsque le niveau 1
est appliqué à sont entrée, la sortie sera au niveau 0. Inversement, si un niveau BAS est
appliqué à son entrée, le résultat sera un niveau HAUT à la sortie. Il y a plusieurs façons de
symboliser des portes logiques. Deux normes sont utilisées: l'une européenne, l'autre nord
américaine. Ici, nous utiliserons essentiellement les normes européennes. Sachez cependant
qu'il convient de connaître les deux normes, car elles sont toutes deux très utilisées. La
symbolisation européenne est illustrée à gauche, et la symbolisation nord américaine est
illustrée à droite.
Figure 8 : Symboles logiques de l'inverseur
Ci-dessous, la table de vérité est représentée. Il s'agit d'un tableau représentant tous les états
possibles de la porte logique dont il est question. L'extrémité gauche de la porte logique est
appelée "entrée", car on y applique la tension qui doit être traitée. L'extrémité droite est
appelée "sortie", car elle contient la tension traitée (1 ou 0). Dans le cas de l'inverseur, l'entrée
est simplement inversée.
Entrée Sortie
1 0
0 1
Table de vérité de l'inverseur
Cette table de vérité peut être exprimée de façon mathématique. L'expression logique de
l'inverseur est l'égalité décrite ci-dessous.
La barre au-dessus du A signifie que la valeur A est inversée. On appelle cette valeur "A
inverse". Cette égalité signifie donc que la sortie X est égale à l'entrée A inversée.
2) Porte logique ET
Une porte ET (AND en anglais) présente plusieurs entrées. Pour que la sortie soit au niveau
HAUT (1), toutes les entrées doivent être au niveau HAUT. Si cette condition n'est pas
remplie, la sortie de la porte ET est au niveau BAS (0). La symbolisation de la porte ET est
illustrée ci-dessous.
Figure 9 : Symboles de la porte ET
La porte ET peut présenter un nombre important d'entrées. Cela ne change rien à la condition,
un niveau HAUT sur toutes les entrées est nécessaire pour obtenir un niveau HAUT à la
sortie. Dans le cas contraire, comme déjà dit, la sortie sera au niveau BAS. La table de vérité
de la porte ET est décrite ci-dessous.
Entrée A Entrée B Sortie X
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
L'expression logique correspondante à la porte ET est illustrée ci-dessous.
Cette équation logique signifie que la sortie X correspond au résultat de l'opération ET avec
les deux sorties A et B.
Si l'entrée de la porte ET n'est pas stable mais est sujette à des impulsions, un niveau HAUT
sera obtenu lorsque des niveaux HAUT seront appliqués en même temps aux entrées de la
porte ET, comme le montre l'exemple suivant. Cet exemple est divisé en 5 périodes de temps
distinctes.
Application la porte ET
Remarquez que X est au niveau HAUT uniquement lorsque A et B sont au niveau HAUT.
L'expression booléenne de la porte ET est illustrée ci-dessous.
Expressions booléennes
Le point désigne la fonction ET. Lorsque nous travaillons avec des lettres (par exemple A et
B), il est possible de supprimer le point. Par exemple, la fonction ET de A par B peut s'écrire
AB.
3) Porte logique NON-ET
La porte NON-ET (NAND en anglais) présente les mêmes caractéristiques que la porte ET,
mais son résultat à la sortie est inversé. Le symbole de la porte NON-ET est illustré ci-
dessous.
figure 10 : Symboles de la porte NON-ET
Remarquez les cercles placés à la sortie de ces portes. Il s'agit d'un inverseur, semblable à
l'inverseur mentionné plus haut. Sur le symbole européen, l'inverseur peut se présenter sous la
forme d'un triangle, comme le montre l'illustration ci-dessous.
Figure 11 : Symbole de la porte NON-ET avec un inverseur triangulaire
L'état à la sortie de la porte NON-ET sera donc le résultat inversé de la porte ET. La table de
vérité ci-dessous illustre le fonctionnement de la porte NON-ET.
Entrée A Entrée B Sortie X
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Table de vérité de la porte NON-ET
L'expression logique correspondante à la porte NON-ET est illustrée ci-dessous.
Cette égalité signifie que la sortie X est égale à l'inversion de l'opération ET effectuée avec les
deux entrées A et B. Autrement dit, la sortie est au niveau BAS uniquement lorsqu'il y a deux
niveaux HAUT à l'entrée.
4) Porte logique OU
La porte logique OU (OR en anglais) est au niveau HAUT lorsqu'au moins une entrée est au
niveau HAUT. Si les deux entrées sont au niveau BAS, la sortie est au niveau BAS. Son
symbole est illustré ci-dessous.
Figure 12 : Symboles de la porte OU
La table de vérité de cette porte est illustrée ci-dessous.
Table de vérité de la porte OU
L'expression logique de la porte OU est illustrée ci-dessous. Le symbole "+" désigne
l'opération OU, décrite par la table de vérité ci-dessus.
L'expression ci-dessus signifie que la sortie X est égale à l'opération OU des deux sorties A et
B.
Entrée A Entrée B Sortie X
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
5) Porte logique NON-OU
Dans un exemple précédent, nous avons pu constater que la porte NON-ET effectue
l'opération inverse de la porte ET. D'une façon semblable, la porte NON-OU (NOR en
anglais) effectue l'opération inverse de la porte OU. En d'autres termes, un niveau HAUT est
obtenu uniquement lorsque toutes les entrées sont au niveau BAS. La sortie est au niveau
HAUT pour toutes les autres combinaisons. Les symboles de la porte NON-OU sont illustrés
ci-dessous.
Figure 13 : Symboles de la porte NON-OU
Pour mieux comprendre le fonctionnement de la porte NON-OU, observez la table de vérité
ci-dessous.
Entrée A Entrée B Sortie X
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 0
Table de vérité de la porte NON-OU
L'expression logique de la porte NON-OU est illustrée ci-dessous.
Cette équation signifie que la sortie X est égale au résultat inversé de l'opération OU de A et
B.
A présent, supposons que nous devons travailler avec une porte NON-OU à trois entrées.
Comme nous l'avons constaté précédemment, la sortie X est au niveau HAUT uniquement
lorsqu'il n'y a que des niveaux BAS sur les entrées. Remarquez, à l'aide des formes d'ondes ci-
dessous, que la sortie X est au niveau HAUT seulement lorsque les trois entrées sont au
niveau bas.
Exemple d'application
6) Porte logique OU Exclusif
La porte OU Exclusif (abrégée par "OUX" ou "XOR" en anglais) est à l'état HAUT
uniquement lorsque les entrées A et B sont à un niveau différent. Le symbole de cette porte
logique est illustré ci-dessous.
Figure 14 : Symboles de la porte OU Exclusif
Si nous appliquons deux niveaux HAUT aux entrées ou deux niveaux BAS, la sortie sera au
niveau BAS, car les deux entrées doivent avoir un niveau différent pour que la sortie soit au
niveau HAUT, comme l'exprime la table de vérité ci-dessous.
Entrée A Entrée B Sortie X
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Table de vérité de la porte OU Exclusif
La porte OU Exclusif est obtenue en combinant des portes de base, OU, ET, et l'inverseur. Ce
type de porte est présente dans l'Unité Arithmétique et Logique du processeur, et permet à
l'ordinateur d'effectuer les opérations mathématiques élémentaires, c'est à dire l'addition, la
soustraction, la multiplication et la division.
7) Porte logique NON-OU Exclusif
La porte NON-OU Exclusif est une porte OU Exclusif classique inversée. Le résultat à la
sortie est inversé en comparaison avec la porte OU Exclusif classique. Nous pouvons donc
dire que la porte NON-OU Exclusif est au niveau HAUT uniquement lorsque ses deux entrées
(A et B) sont à un même niveau. Dans le cas ou les entrées sont de niveaux opposés, la sortie
est au niveau BAS. Le symbole de la porte NON-OU Exclusif est illustré ci-dessous.
Figure 15 : Symboles de la porte NON-OU Exclusif
La table de vérité correspondante à la définition donnée ci-dessus est illustrée ici.
Entrée A Entrée B Sortie X
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 1 1
IV. Circuits intégrés et transistors
Chaque porte logique dont il a été question plus haut est contenue dans un circuit intégré.
Dans ce dernier, il y a plusieurs portes logiques, contenues dans un boîtier noir, comme celui
qui est présenté ci-dessous.
Figure 16 : Exemple de circuit intégré
Il y a bien entendu plusieurs types de circuits intégrés. Le nombre de ces différents types est
extrêmement important, car les circuits intégrés sont différents dans les portes logiques qu'ils
contiennent, le type de leurs transistors, etc.
Les circuits intégrés sont omniprésents non seulement dans les ordinateurs, mais dans tous les
circuits numériques, quelles que soient leurs applications. La fabrication du circuit intégré à
été possible vers 1950, peu après l'invention du transistor par J. Bardeen, W. Schockley et W.
Brattain (ci-dessous), qui ont obtenu le prix Nobel de physique suite à cette invention.
Figure 17 : J. Bardeen, W. Schockley et W. Brattain, inventeurs du transistor
Le transistor est encore aujourd'hui au cœur de l'électronique moderne. Il est évident que la
fabrication de circuits intégrés serait impossible sans transistors. Bien qu'il existe une grande
variété de transistor, l'image ci-dessous montre un transistor bipolaire à jonction
conventionnel.
Figure 18 : Exemple de transistor
Les circuits intégrés sont fabriqués au laser par des moyens extrêmement précis, permettant
d'intégrer une grande quantité d'éléments à l'intérieur du boîtier. Comme déjà mentionné, nous
trouvons des circuits intégrés dans toutes les applications électroniques. L'image ci-dessous
illustre un exemple dans lequel sont utilisés des circuits intégrés, tel qu'ils se présentent dans
un grand nombre d'appareils électroniques usuels.
Figure 20 : Exemple de circuit digital comprenant des circuits intégrés
1) Identification des connexions
Pour identifier la fonction de chaque "patte" du circuit intégré, nous devons connaître la façon
utilisée pour la numérotation de ces mêmes "pattes". En observant le circuit intégré, nous
remarquons que l'une des extrémité est marquée par une encoche de la forme d'un demi-
cercle. Nous en avons impérativement besoin pour identifier les connexions du circuit. En
effet, la broche 1 se trouve toujours immédiatement à gauche de cette entaille. Parfois, un
point gravé dans le boîtier du circuit intégré désigne la broche 1, mais celui-ci n'est pas
toujours présent, car il n'est pas indispensable. Les autres broches s'identifient avec la
méthode que désigne le schéma suivant.
Figure 21 : Méthode utilisée pour identifier les connexions du circuit intégré
Le circuit ci-dessus pris comme exemple comprend 16 connexions. Il existe bien sur des
circuits intégrés qui présentent plus ou moins de broches. Cela n'a pas d'importance pour
l'identification des broches, car la méthode utilisée reste la même.
Comme mentionné plus haut, nous devons connaître la numérotation des broches pour
pouvoir connecter correctement les portes logiques. L'exemple ci-dessous représente un
circuit intégré comprenant 4 portes NON-ET à deux entrées. Avec le numéro des broches,
nous pouvons savoir où se trouvent les entrées et les sorties. Cela nous permet donc de
réaliser le circuit numérique désiré.
Figure 22 : Circuit contenant des portes NON-ET
Vous remarquerez sans doute que les broches 7 et 14 ne sont affectées ni à des entrées, ni à
des sorties. Ces broches sont présentes pour recevoir l'alimentation. La masse se connecte sur
la broche 7 et le plus de l'alimentation se connecte sur la broche 14. Cela est clairement
désigné sur les feuilles de données fournies avec le circuit intégré. A présent, prenons un autre
exemple de circuit intégré. Dans le schéma ci-dessous, nous constatons que le circuit présenté
contient 4 portes NON-OU à deux entrées. Encore une fois, les broches 7 et 14 sont utilisées
pour y brancher l'alimentation du circuit.
Figure 23 : Circuit intégré contenant 4 portes NON-OU à deux entrées
2) Circuit vérificateur de portes logiques
L'exemple ci-dessus est un circuit très simple, servant à tester n'importe quelle porte à deux
entrées. Dans notre exemple nous avons pris une porte ET. Nous utilisons une alimentation à
courant continu que nous avons fixé à 12 Volts. Les deux résistances servent à limiter le
courant des entrées de la porte afin de ne pas endommager celle-ci. Lorsque le commutateur
est ouvert un niveau BAS est appliqué à l'entrée concernée. Lorsqu'il est fermé, il s'agit d'un
niveau HAUT. Si la porte fonctionne correctement, la diode LED s'allume si les deux entrées
sont au niveau HAUT. Si l'une des entrées est au niveau BAS, la diode LED demeure
inactive. Ce circuit simple permet de vérifier l'état de fonctionnement d'une porte. Il arrive
fréquemment qu'une porte soit endommagée à la suite d'un échauffement trop prolongé
provoqué par le fer à souder sur le circuit intégré. Enfin, il montre de quel façon une porte
effectuant une opération binaire peut être intégrée à un circuit quelconque.
Figure 24 : Circuit de test des portes logiques
3) Retard de propagation
Contrairement à ce qui paraît, une opération logique n'est pas instantanée. Elle nécessite un
certain temps, appelé "retard de propagation". En d'autres termes, le retard de propagation est
l'intervalle de temps entre l'apparition d'une transition à l'entrée et l'apparition du résultat
correspondant à la sortie de la porte. Plus le retard de propagation est court, plus la porte
logique dont il est question est rapide. Cela est variable selon le type du circuit intégré utilisé.
L'image ci-dessous montre un exemple de retard de propagation pour un inverseur.
Figure 25 : Exemple de retard de propagation
V. Design des circuits intégrés :
Les différentes étapes du design d'un circuit intégré sont :
1) Conception du schéma
Création d'un schéma avec l'outil de schéma du logiciel Cadence.
2) Simulations et optimisations
Paramétrages des composants, afin de permettre leur optimisation. Simulation des paramètres
demandés au cahier des charges. C'est l'étape la plus longue, car l'optimisation d'un circuit
nécessite de faire de nombreuses simulations qui amènent à modifier le schéma, voire à
l'abandonner pour repartir sur une topologie complètement différente.
3) Réalisation du masque
Une fois la simulation du schéma satisfaisante, on dessine les masques qui correspondent aux
différentes couches de la puce (transistors, résistances, couches de métal d'interconnexion...) :
c'est l'étape de layout.
Le layout terminé, il faut alors le simuler, afin de vérifier si nous retrouvons bien les mêmes
résultats que dans la simulation du schéma.
En effet, la simulation du layout prend en compte les composants parasites tels que les
capacités et les résistances induites par les lignes. En cas de différence avec les simulations du
schéma, il faut modifier le masque et itérer jusqu'à obtenir les performances spécifiées.
VI. Conclusion et perspectives :
L’évolution des techniques de conception et de fabrication des circuits intégrés permet
aujourd’hui de réaliser des systèmes intégrés de grande complexité. Diverses alternatives
d’architectures basés sur des compromis entre logique « câblée » et logique «programmée »
permettent de trouver un équilibre entre les contraintes d’efficacité et de flexibilité : pour une
même architecture, c’est le logiciel embarqué (ou enfoui, ou «Embedded ») qui permet et
(permettra de plus en plus) de personnaliser et d’adapter le circuit à une application. Le
concepteur d'Asdics a "manipulé" des transistors et des bibliothèques de cellules pendant les
années 80, des blocs fonctionnels pendant les années 90 ; il assemble déjà, et il assemblera de
plus en plus des composants virtuels complexes (qu’il configurera par programmation)
pendant la prochaine décennie. Deux techniques de réalisation des systèmes électroniques se
dégagent aujourd’hui:
matériel standard : réalisations basées sur des composants programmables au niveau
matériel (FPGA) ou logiciel (processeurs). Cette technique souple est adaptée à la
fabrication de prototypes ou de petites/moyennes séries, et est accessible à un grand
nombre d’utilisateurs. Un circuit FPGA permet aujourd’hui d’intégrer plusieurs
centaines de milliers de portes logiques, en intégrant pour certains des coeurs de
processeurs (cablés ou synthétisés), que l’utilisateur peut configurer.
matériel spécifique : réalisations basées sur la conception de systèmes sur puce (SOC)
spécifiques, en utilisant des composants virtuels (IP). Cette technique permet d’obtenir
les meilleures performances techniques (vitesse, puissance, surface), mais compte tenu
des coûts (moyens humains, logiciels, coûts des prototypes,..etc) elle est réservée à des
fabrications en grandes séries.
