Choix UE Parc. InSys Parc. Impact Entrepreneurship

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• Dans ce cours, l’étudiant entre dans la peau d’un ingénieur en mission pour pour Thales Alenia Space, chargé de développer et implanter sur FPGA un analyseur de spectre. Il doit notamment remplir les tâches suivantes :
  • Analyse d’architecture de systèmes de traitement du signal
  • Création d’une IP par synthèse haut niveau en C++ (HLS)
  • Codage et synthèse de l’architecture et de l’IP en VHDL
  • Vérification
  • Implantation sur FPGA
  • Test sur carte

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1. Introduction

• Présentation des enjeux du test et de la simulation de fautes.

• Importance de la sûreté de fonctionnement dans les circuits intégrés modernes.

2. Notions de base

• Mécanismes destructeurs : usure, vieillissement, défaillances physiques.

• Techniques de protection : redondance, durcissement des circuits.

• Sûreté de fonctionnement : fiabilité, disponibilité, maintenabilité.

3. Test des circuits logiques

• Fautes et modèles : fautes classiques (stuck-at, transition, retard…), modèles de fautes.

• Génération du test : ATPG (Automatic Test Pattern Generation), couverture de fautes.

• Circuits séquentiels : test des registres et automates.

• Test des mémoires : défaillances spécifiques, algorithmes de test mémoire (March, BIST).

4. Conception en vue du test (DFT – Design for Testability)

• Principe : améliorer la testabilité dès la conception du circuit.

• Techniques génériques : scan chains, testabilité structurée.

• Test semi-intégré (BIT – Built-In Test) : principes et applications.

• Test intégré (BIST – Built-In Self-Test) : architectures et implémentation.

5. Test des circuits analogiques, mixtes et RF

• Spécificité : différences avec le test des circuits numériques.

• Méthodes de test : test paramétrique, test fonctionnel.

• DFT pour circuits analogiques et RF : stratégies et défis.

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Plan du cours :

• Introduction

–        Advantages of using switching power supply

• Buck converter

–        Principle of operation

–        Continuous and Discontinuous Current Modes (CCM, DCM)

–        Losses and efficiency

–        Overview of closed-loop stability study

• Boost converter

–        Principle of operation

–        Continuous and Discontinuous Current Modes

–        Overview of closed-loop stability study

• Multiphase converter

–        Principle of operation

–        Transient response performances and filter reduction

• DC-DC Converter Regulation Loop Analysis

–        Theoretical analysis of switched systems using state variables

–        Different types of control loops

–        Considerations for the controller design

•  Buck : Voltage and Voltage/Current loop cases
•  Boost & Buck- Boost : Voltage and Voltage/Current loop cases

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Plan du cours :

• Part 1:
   Introduction to the power switches

• Part 2:
  Driver design

• Part 3:

Drivers & power supply topologies

Images

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Plan du cours :

• Technology limits
  • Silicon components (MOSFET, Diode)
  • Passive devices (Inductance, Capacitance)
• EMC
  • DC/DC converter Spectral analysis
  • EMI filter design
  • Board and IC Layout : rules of thumb

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Les étudiants sont amenés à réaliser un projet dont l'objectif est de simuler, par la méthode des éléments finis, à l'aide du logiciel Comsol Multiphysics, le
comportement électromagnétique d'un inducteur couplé à deux phases afin de pouvoir identifier les paramètres du circuit électrique équivalent classique. La connaissance de ces paramètres, mais aussi des paramètres de perte, sur une gamme de fréquences réaliste, est en effet nécessaire pour pouvoir ensuite simuler électriquement le fonctionnement global
de l'alimentation électrique.

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Cours de S. George, Thales Alenia Space :

• Information générales sur les satellites:
  • Les missions satellites
• Architecture des charges utiles de télécommunications:
  • Équipements
  • Technologies
• Évolutions futures : Charges utiles flexibles
  • Impact sur les équipements et technologies

BE d'application :

• Développement de l'architecture d'une charge utile satellite à partir de composants COTS (Components On The Shelf) devant répondre à des critères de : gain, figure de bruit et linéarité

• Conception d'une équipement (VGA : Voltage Gain Amplifier) en technologie MMIC à 12GHz.

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• CM 1 : Des semiconducteurs aux transitors RF – Sébastien Delcourt – THALES ALENIA SPACE

• CM 2 : des transistors aux MMIC – Sébastien Delcourt – THALES ALENIA SPACE

• CM3 : Conception MMIC – Fabrice Delahaye – THALES ALENIA SPACE

• CM4 : Etude de cas : de l’antenne au MMIC - Fabrice Delahaye – THALES ALENIA SPACE

• Apprentissage par projet : Réponse à un cahier des charge industriel (LNA, LLA ou MLA)

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• MEMS : Qu'est ce que c'est?
• Application des MEMS dans les domaines :
  • Optique
  • Mécatronique
  • Médical
  • RF
• Notions de technologie salle blanche
• Modèle mécanique du MEMS :
  • Modèle Statique
  • Modèle Dynamique
• Modélisation RF du MEMS
• Exemple de procédure de conception d'un MEMS-RF

Projet d'application : Conception d'un système RF accordable utilisant un MEMS en bande V (60GHz)

• Mise en œuvre d'un modèle électromagnétique de MEMS (HFSS)
• Extraction du modèle électrique (ADS) et mise en application d'un modèle paramétrique pour la conception de filtre passe-bande accordable de 60GHz à 40 GHz.
• Définition d'une fonction accordable à imaginer, mettre en oeuvre et valider par la simulation.

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Ce cours présente les dernières évolutions pour les systémes optoélectroniques dans le domaine des hautes fréquences avec un focus sur les applications télécos courtes distance telles que la norme 10Gb ethernet. La modélisation des composants essentiels à ces systèmes : diode laser, photodiode, modulateur électro-optique, etc. est présentée en détail. La conception de circuits dédiés à la modulation haute-fréquence des diodes laser et à l’amplification des signaux photodétectés est permet d’envisager dans une approche système la conception d’une système de communication dans le domaine GHz.

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Cet enseignement est un apprentissage par projet de conception de multiplexeurs hyperfréquences à partir de la détermination de matrices de couplage.

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1. Introduction à la photonique intégrée

• Rappel des principes de base de l’optique guidée : équations de propagation, modes guidés, dispersion.

• Notion d'indice effectif, indice de groupe

• Comparaison des principales plateformes de photonique intégrée (Silicium, SiN…).

• Comparaison fibre optique / photonique intégrée

2. Structures fondamentales et composants passifs

• Couplage optique : edge coupler, grating coupler.

• Structure passive: Guide optique simple, Guide optique courbe, Y-splitter, Multi-Mode Inteferometer, coupleur directionnel

• Interféromètres et filtres optiques : Mach-Zehnder Interferometer (MZI), anneaux résonants (microring resonator), réseaux de guides d’ondes (AWG).

3. Composants actifs et modulateurs

• Principe des modulateurs optiques : modulateurs électro-optiques, thermo-optiques et acousto-optiques.

• Détection et conversion opto-électronique.

4. Outils et techniques de simulation

• Introduction aux méthodes de simulation : méthodes EME (Eigenmode Expansion), FDTD (Finite-Difference Time-Domain).

• Prise en main des logiciels de simulation et paramétrage des structures photoniques.

5. Bureau d’étude : conception d’un réfractomètre intégré

• Spécifications du projet : détection de biomolécules via un changement d’indice de réfraction.

• Conception et optimisation de la structure à l’aide des logiciels de simulation.

• Analyse des performances et validation du dispositif.

• Rédaction d’un rapport de conception détaillé.

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1)                  Généralités sur IoT: Histoire et évolution – architecture – applications

2)                  Données dans IoT : Codage – Modulation – Intégrité des données – Sécurité des données  – choix en fonction des applications

3)                  Exemple des systèmes IoT : NFC (Fréquence/portée/application – Standards NFC – Exemple ISO/IEC14443 – Solutions proposées par NXP)

4)                  Couche physique et exemples de conception électronique : circuit de couplage inductif pour applications HF – problématique d'alimentation des tags passifs – adaptation  d'antenne – bilan des puissances

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Première partie : Vision globale du monde de la microélectronique (2h - Cours magistral)

• Introduction à la microélectronique

• • Principes de base et rôle dans l’industrie électronique.
  • Évolution historique et avancées technologiques.

• Présentation des matériaux et composants clés

• • Wafer : fabrication et rôle dans la conception des circuits.
  • Masques et boîtiers : processus de fabrication et impact sur les performances.
  • Types de circuits intégrés : analogiques, numériques, mixtes (exemples et applications).

• Présentation des structures et contraintes de base du VHDL
• Présentation du projet

Deuxième partie : Introduction et approfondissement du langage VHDL (TP – 3 sessions de 4h)

TP1 – Introduction aux structures de base (4h)

• Compréhension et modélisation de composants clés (RAM, ROM, DSP…).
• Utilisation des structures génériques (génériques, constantes, bus complexes).

TP2 – Simulation et implémentation (4h)

• Création et validation d’un Testbench.
• Simulation et debugging des circuits numériques.
• Introduction aux notions de timing (Setup/Hold) et contraintes associées.

TP3 – Synthèse et optimisation (4h)

• Processus de synthèse et routage sur FPGA/ASIC.
• Analyse des performances et stratégies d’optimisation.
• Tradeoff puissance/performance/cible : découpage, parallélisation, mutualisation des ressources.

Troisième partie : Notion de timing, métastabilité et asynchronisme ( 2h - Cours magistral; TP – 1sessions de 4h)

TP4 – Timing, métastabilité et asynchronisme (4h)

• Les contraintes de flux de données et les asynchronismes
• Les notions de violations de timing et métastabilité
• Les techniques pour gérer les asynchronismes

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1. Introduction à la CEM

• Définition et enjeux de la compatibilité électromagnétique.

• Contexte d’application aux circuits intégrés.

2. Mécanismes de couplage électromagnétique

• Couplage capacitif, inductif, rayonné et conduction.

• Impact des mécanismes de couplage sur le comportement des circuits intégrés.

3. Concepts fondamentaux et unités en CEM

• Grandeurs et unités utilisées en CEM.

• Mesures de compatibilité électromagnétique.

4. Utilisation des bandes de fréquence

• Réglementations et allocations des bandes de fréquence.

• Applications et contraintes liées aux bandes de fréquence en CEM.

5. Analyse des signaux en CEM

• Domaine temporel : théorie du signal carré et impact sur la CEM.

• Domaine fréquentiel : théorie de la mesure de puissance et implications en CEM.

6. Classification des broches et conformité des circuits intégrés

• Typologie des broches et impact sur la CEM.

• Classes de conformité et exigences spécifiques.

7. Normes et réglementations CEM pour l’automobile

• Introduction aux standards CEM appliqués aux circuits intégrés automobiles.

• Principales normes IEC et ISO.

• Spécifications de test génériques pour les circuits intégrés (Generic IC EMC Test Specification v1.2).

8. Processus de certification et tests de conformité

• Classification des tests et niveaux de conformité.

• Limites et seuils acceptables en CEM pour l’automobile.

• Prolifération des standards et leur évolution.

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L’enseignement de System-On-Chip se compose de 2 CM et d’une dizaine de séances de projet.

Les CMs décrivent de façon précise ce qu’est un System-On-Chip, quels en sont les avantages technologiques et économiques, les limites et les enjeux, et pourquoi ces circuits constituent un marché en pleine expansion. En particulier sont détaillées les notions de reuse, d’IP et de co-développement matériel/logiciel.

Les séances de projet mettent en pratique ces dernières notions, par la conception, dans l’environnement de développement Xilinx Vivado, sur carte de développement Zynq, d’un dispositif d’effet audio. Durant les première séances, les étudiants développent la configuration matérielle du Zynq et programment le microcontrôleur en langage C afin de piloter succinctement un Codec audio. Ensuite, ils développent et ajoutent, à cette configuration de base, des effets audio de leur choix, en C ou en VHDL.

L’évaluation comporte deux parties : une démonstration en séance du circuit et des effets développés, et un rapport, en anglais, sur le modèle d’une notice d’utilisation du dispositif 

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Les différentes architectures de convertisseurs analogique-numérique sont présentées  ainsi que les paramètres utilisés pour caractériser les convertisseurs.

Le schéma d'un convertisseur en technologie CMOS est conçu pour répondre à un cahier des charges données et vérifié par simulation.

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Cet enseignement est dispensé par plusieurs intervenants extérieurs sur la thématique des systèmes embarqués spatiaux. Les sujets sont divers et peuvent inclure

- l’espace durable
- les antennes pour les smallsats
- les technologies hyperfréquences embarquées sur satellites
- les effets radiatifs sur les équipements avioniques

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Le but de cet approndissement est de découvrir des techniques de conceptions CMOS utilisés pour la partie analog-front end des capteurs: bas bruit, différentiel, courant de fuite ...

Lors de cet enseignement, il faut concevoir et simuler un circuit CMOS pour interfacer un accéléromètre MEMS en mettant en place un amplificateur fully-differential avec son contrôle de mode commun intégré et son système de "Chopping".

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1- Introduction à la sûreté de fonctionnement

• Définition et importance de la sûreté de fonctionnement (Functional Safety).

• Historique et évolution des normes de sûreté.

• Approche générale de la gestion des risques et classification des pannes (systématiques vs aléatoires).

• Gestion du risque dans l'industrie automobile.

• Concepts de safety goals et safety integrity levels (ASIL).

• Introduction à la norme ISO 26262.

2 - Sensibilisation à la sûreté de fonctionnement

• Vue d’ensemble de la norme ISO 26262 et structure du standard.

• Phase conceptuelle

  • Définition des items.

  • Analyse des risques et HARA (Hazard Analysis and Risk Assessment).

  • Développement du Functional Safety Concept (FSC).

• Développement au niveau système

  • Définition du Technical Safety Concept (TSC).

  • Décomposition ASIL et décisions de conception.

  •  Méthodes d’analyse de sûreté à l’échelle du système.

  • Tests et intégration dans le cycle de développement.

3- Développement matériel et analyses de sûreté

• Cycle de vie du hardware et exigences spécifiques en sûreté.

• Élaboration du Hardware Safety Concept et des mécanismes de sûreté associés.

• Techniques d’analyse de sûreté matérielle :

  • FTA (Fault Tree Analysis) : arbre de défaillances.

  • DFA (Dependent Failure Analysis) : analyse des fautes dépendantes.

  • Calcul du taux de défaillance.

  • FMEDA (Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis) : étude des modes de défaillance et de la couverture diagnostique.

• Contraintes spécifiques aux semi-conducteurs dans l’industrie automobile.

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Au cours de cette initiation, la prise en main du logiciel professionnel de conception de circuits intégrés CADENCE se fait à l'aide d'un amplificateur opérationnel CMOS en technologie 0.35µm.

Le dessin de masques (layout) doit être réalisé en respectant les règles de dessin. Les outils de vérification DRC/LVS ainsi que les simulations post-layout prenant en compte les parasites liés aux masques sont aussi abordés.

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Composition de la matière : 2 séances de CM + 18 séances de Travaux Pratiques

Le projet consiste à découvrir, comprendre et maitriser les différentes étapes de conception d’un circuit intégré analogique complexe. Dans ce cadre, les outils de conception Virtuoso® Schematic & Layout sont utilisés pour la conception d’un régulateur linéaire incluant une référence de tension de type Bandgap (5V/2V 10mA, BW >1MHz, PSRR 50dB) dans une technologie CMOS sub-micronique. A l’issue de 2 séances de cours apportant des compléments d’information nécessaires aux notions de bases acquises en L3 et M1, un projet articulé sur N séances de TP propose de suivre les étapes de conception menant du cahier-des-charges jusqu’au dessin des masques du circuit par la mise en œuvre du design flow analogique de l’environnement Cadence® . Les principales étapes sont : une recherche bibliographique des topologies existantes, une phase de conception au niveau transistor des blocs analogiques constitutifs du circuit, une validation « pire-cas » par variation paramétrique des modèles des composants utilisés, la réalisation et le dessin des masques dans le respect des règles d’appairage.

La méthode d’apprentissage utilisée pour cette matière est l’Apprentissage Par Problème offrant aux étudiants une grande liberté de créativité lors de la conception de leurs circuits. L’accès aux documentations en ligne (bibliothèques ouvertes, articles scientifiques IEEE par exemple) donne la matière nécessaire pour explorer diverses architectures de circuits pouvant répondre aux demandes du projet.

Mode d’évaluation : remise d’un rapport d’étude complet à l’issue du projet.

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