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Contribution à la conception de circuits intégrés analogiques en technologie CMOS basse tension pour application aux instruments d'observation de la Terre

Standarovski, Denis (2005) Contribution à la conception de circuits intégrés analogiques en technologie CMOS basse tension pour application aux instruments d'observation de la Terre. (Contribution to low-voltage CMOS analogue integrated circuit conception dedicated to next generation of Earth observation spatial instruments.)

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Abstract

Le présent mémoire de thèse s'inscrit dans la problématique d'intégration de chaînes pour traitement du signal vidéo issu d'un capteur CCD dédiées aux instruments d'observation de la Terre. La solution présentée à travers cette étude consiste à concevoir des circuits intégrés spécifiques (ASIC) analogiques avec des technologies CMOS sub-microniques basse-tension, principalement développées pour les circuits numériques complexes. Dans une première partie, nous présentons le contexte de l'étude en abordant l'environnement spatial et ses rayonnements inhérents. Nous précisons ensuite l'architecture des chaînes vidéo des instruments d'observation de la Terre mis en œuvre dans les différents satellites issus de la famille SPOT développés par le CNES. Une étude approfondie est ensuite consacrée au circuit échantillonneur-bloqueur (E/B) car cette fonction est limitante des performances des chaînes de traitement analogique du signal vidéo CCD. La réponse transitoire du commutateur analogique dans les circuits d'échantillonnage est à l'origine d'une erreur prédominante qui introduit une non-linéarité dans la caractéristique de transfert de la chaîne vidéo en raison des phénomènes d'injection de charges lors des commutations. Nous démontrons que cette erreur est minimisée par le choix de certaines architectures d'E/B rapides et symétriques utilisant l'effet Miller. Nous mettons en évidence la limitation dynamique des structures en boucle fermée (marge de phase réduite) et nous proposons une structure intéressante en termes de performances et pouvant répondre aux besoins d'une instrumentation rapide et précise. Les résolutions visées pour notre instrumentation (12-bits, 10-20Mechs/s) nous amènent alors à maximiser la dynamique des signaux utiles, ce qui nous conduit à la conception de circuits rail-to-rail en entrée et sortie. Pour concevoir ces circuits, nous analysons les cellules élémentaires CMOS basse-tension (3.3V), telles que les miroirs de courants à grande excursion, les circuits cascodes améliorés, les sources communes classe AB ainsi que les dispositifs de contrôle de mode commun. A partir des caractéristiques de ces cellules, nous proposons une méthodologie pour le calcul analytique des transferts en boucle ouverte d'amplificateurs opérationnels large bande et de circuits transconductance. De ces études, nous démontrerons la faisabilité de la chaîne vidéo à travers la réalisation de deux ASICs analogiques. Un premier démonstrateur en technologie CMOS 0.6µm intègre un amplificateur opérationnel symétrique large-bande rail-to-rail ainsi qu'un circuit E/B asymétrique. Une contribution aux besoins d'une instrumentation spatiale rapide, précise et totalement différentielle est développée dans une technologie BiCMOS 0.35µm à travers un circuit E/B symétrique et son étage d'entrée en prenant en compte les méthodes de durcissement aux radiations par layout. ABSTRACT : Thesis report describes interesting solution from integration issue of CCD signal processor dedicated to next Earth observatory instrumentation. This one uses specific analogue integrated circuits (ASICs) implemented on standard technology. Challenge will be so to use technologies easily available that can be seen currently low-voltage CMOS technology, first developed to complex digital circuit integrations. Study context is firstly described by focusing on spatial environment and its radiations. Structure of CCD signal processor dedicated to Earth observation is clarified and supported by SPOT CNES program and its different satellites characteristics. Next, the track-and-hold amplifier (THA) is studied due to its limiting characteristics on the requirements of CCD signal processor circuit. Transient behaviour of analog switches is seen to be the origin of dominant error on sample circuits. Due to charge injection during transition mode, a non-linearity is introduced on the video chain transfer function. How to minimize this error is demonstrated by choosing interesting fast and accurate THA structures using Miller effect. Dynamic limitation introduced by closed-loop THA architecture (with reduced phase margin) is focused on. To meet fast and accurate instrumentation needs, a very interesting THA structure is developed. Regards to expected instrumentation resolution (12bits, 10-20 Msamples/s), signals dynamic range has to be maximised. Large excursion current mirrors, high-swing cascode circuits, class AB common sources and common-mode feedback circuits are then necessary. Finally, analogue circuit's feasibility will be demonstrated by two ASIC realizations. A wideband rail-to-rail operational amplifier and an asymmetric THA are implemented on a CMOS 0.6µm technology. Our contribution to fast and precise spatial instrumentation needs is to integrate a full-differential THA with its input stage using BiCMOS 0.35µm technology and radiations hardening techniques by layout

Department or laboratory:Laboratoire d'Electronique - LEN7 (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Lescure, Marc
Uncontrolled Keywords:Circuits intégrés analogiques (ASICs) - Technologie CMOS basse-tension - Commutateur analogique - Chaîne vidéo – Échantillonneur-Bloqueur – Rail-to-Rail - Environnement Spatial - Durcissement aux radiations. KEYWORDS : Analogue integrated circuits - Low-voltage CMOS technology - Video Analogue Front-End circuit - Track-and-hold circuits – Rail-to-Rail - Spatial Environment - Radiations Hardening
Subjects:Electronics > Circuits design / Microelectronics and microsystems
Deposited On:18 January 2011

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