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

Bernal, Olivier (2006) Conception de Convertisseurs Analogique-Numérique en technologie CMOS basse tension pour chaînes Vidéo CCD Spatiales. (Design of pipelined Analogue-to-Digital Converters (ADC) in low-voltage CMOS technology for space systems.)

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Abstract

Dans le cadre des Instruments d'Observation de la Terre, les technologies 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 être analysées 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 basses tensions, 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 CMOS 0.35μm. Le prototype de cette mémoire atteint une résolution supérieure à 13bits à 10Méchantillons/s. Toutefois, les performances en bruit de cette mémoire de courant (¼ 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 des approches 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 ne requiert 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 général, les méthodes de conception basse-tension reposent sur une architecture dite “bootstrappée” pour améliorer leurs caractéristiques. Toutefois, non applicables directement de par les 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 de référence utilisés. Elle améliore aussi la linéarité du convertisseur, sa précision absolue, sa consommation et sa robustesse vis-à-vis des radiations. Pour le cas des structures en courant, la méthode proposée permet de doubler la vitesse d'échantillonnage du CAN. ABSTRACT : Over the last few years, circuit technologies used in space embedded systems have evolved from radiation-hardened technologies to more conventional CMOS/BiCMOS ones for three main reasons : cost effectiveness, wide availability of these technologies and greater integration. In fact, full monolithic CMOS Analogue-Front-Ends (AFEs) are required for low-power consumption and higher-level integration purposes. Therefore, radiation hardening methods have been firstly studied to improve the reliability of both Analogue-to-Digital Converter design and layout dedicated to space CCD processors. Instead of flash, successive approximation or sigma-delta converters, pipelined ADCs are employed to achieve the required performances of future CCD processors (12bits, 20MSamples/s) because both high-speed and high-resolution can be obtained simultaneously. Moreover, since CMOS technologies are scaling toward smaller device sizes and lower supply voltage, both voltage and current mode approaches have been analysed. Indeed, the current mode approach has self-calibrating characteristics (for example : temperature, ageing and process) as well as low-voltage low-power architectures, which can be useful for designing low-power ADCs in such a harsh environment. Consequently, to verify that current pipelined ADCs can reach high-resolutions, a current memory cell, which is the fundamental structure of such ADCs, has been designed and implemented in 0.35μm CMOS technology. Although this current memory cell can fulfill such high performances (14bits, 10MSamples/s), its noise characteristics are not suitable for 12bits ADCs. Actually, noise is a key parameter which has a large influence on both power consumption and bandwidth. A comparative noise analysis between switched-capacitor and switched-current structures indicates that voltage mode structures are less noisy relative to current mode ones by more than 17dB. Therefore, the voltage mode approach is required for the first few ADC stages. Contrary to the current mode approach which does not require any high-swing analogue switches, thereby, suiting better space conditions, the voltage mode approach needs such switches to improve their noise performances. Bootstrapped switch structures are usually used to improve their characteristics in low-voltage designs. Since space radiations can damage these switch architectures, another switch design based on the bootstrapped principle and PMOS devices has been proposed to improve their reliability. In addition, to relax the analogue design requirements, a new digital calibration method has been proposed to correct gain, voltage references and offset errors occurring in both voltage and current ADCs. It is shown that this calibration algorithm significantly improves the linearity, precision, power consumption and radiation robustness of pipelined ADCs. Finally, as far as current pipelined ADCs are concerned, such a calibration method can enhance the sampling frequency by a factor of two.

Department or laboratory:Laboratoire d'Electronique - LEN7 (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Lescure, Marc
Uncontrolled Keywords:Convertisseur Analogique/Numérique (CAN) - Technologie CMOS basse-tension - Durcissement aux radiations - Mémoire de courant - Calibrage numérique - Bruit - Capacités commutées - Courants commutés - Commutateur analogique. KEYWORDS : Analogue-to-Digital Converter (ADC) - Low-Voltage CMOS technologies - Radiation Hardening - Current Memory Cell - Digital Calibration - Noise - Switched-Capacitors - Switched-Currents - Analogue Switches
Subjects:Electronics > Circuits design / Microelectronics and microsystems
Deposited On:13 November 2006

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