Memoire de courant

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THÈSE
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Docteur de l’Institut National Polytechnique de Toulouse
par

Olivier BERNAL
Équipe d’accueil : Groupe Systèmes Opto-électroniques - LEN7 École Doctorale : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications Spécialité : Conception des Circuits Micro-Electroniques et Micro-Systèmes

Titre de la thèse :

Conception deConvertisseurs Analogique-Numérique en technologie CMOS basse tension pour chaînes Vidéo CCD Spatiales

Soutenue le 19/10/2006 devant le jury composé de: MM. : M. : MM. : Alain Pascal Marc Jean-Yves Philippe Francis FABRE NOUET LESCURE SEYLER AYZAC BONY Rapporteurs Directeur de thèse Examinateurs

Thèse préparée au Laboratoire d’Électronique de l’E.N.S.E.E.I.H.T.

Conception de ConvertisseursAnalogique-Numérique en technologie CMOS basse tension pour chaînes Vidéo CCD Spatiales
Mots clefs
– – – – – – – – – Convertisseur Analogique/Numérique (CAN) Technologie CMOS basse-tension Durcissement aux radiations Mémoire de courant Calibrage numérique Bruit Capacités commutées Courants commutés Commutateur analogique

Résumé
Dans le cadre des Instruments d’Observation de la Terre, lestechnologies microélectroniques sur lesquelles sont basés les systèmes spatiaux embarqués, ont tendance à être de moins en moins basées sur les technologies dites durcies aux radiations au profit de technologies CMOS sub-microniques basse-tension dédiées principalement aux circuits numériques. Aussi, dans un premier temps, des méthodes de durcissement aux radiations présentes dans l’espace ont dû êtreanalysées tant au niveau système qu’au niveau circuit et layout pour améliorer la fiabilité des Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) utilisés dans les chaînes Video CCD. Pour atteindre les performances des futurs imageurs CCD (12 bits à 20 Méchantillons/s), les CAN à architecture pipeline apparaissent comme les plus adaptés. Pour anticiper l’évolution des technologies vers les très bassestensions, les méthodes de conception en courant et en tension ont toutes deux été analysées. Dans ce cadre, l’approche originale en courant a aussi été abordée de par ses propriétés d’auto-calibrage (température, vieillissement). Afin de démontrer la faisabilité de CAN de haute résolution en courant, une mémoire de courant, cellule fondamentale d’un CAN en courant, a été implémentée en technologie CMOS0.35µm. Le prototype de cette mémoire atteint une résolution supérieure à 13bits à 10Méchantillons/s. Toutefois, les performances en bruit de cette mémoire de courant (≈ 65dB) ne satisfont pas les critères en bruit d’un CAN 12bits. Aussi, une analyse comparative en bruit entre les circuits à capacités commutées en tension et à courants commutés a été effectuée afin de caractériser chacune desapproches en bruit et de déterminer l’approche la moins pénalisante. Elle a permis de mettre en évidence un gain de 17dB environ des structures en tension sur celles en courant. C’est pourquoi, une approche en tension dont une méthode de conception optimisée a été développée, apparaît comme nécessaire pour les premiers étages de haute résolution au moins. Contrairement à l’approche en courant qui nerequiert pas de commutateurs analogiques performants et qui par là-même est plus adaptée au contexte spatial, l’approche en tension nécessite des commutateurs fonctionnant sur une large plage de tension. En géné-

ii ral, les méthodes de conception basse-tension reposent sur une architecture dite “bootstrappée” pour améliorer leurs caractéristiques. Toutefois, non applicables directement de parles contraintes de l’environnement spatial, une autre architecture basée sur des transistors PMOS a été proposée. Enfin, pour pouvoir relaxer les contraintes sur la conception des circuits analogiques, une nouvelle méthode de calibrage et de correction numérique adaptable à la fois aux CAN en tension et en courant est proposée. Elle permet de corriger les erreurs de gain, d’offsets, et des niveaux...
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