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Conception d'une chaîne de traitement analogique de signaux vidéo en technologie CMOS basse tension pour applications aux instruments d'observation de la Terre

Laquerre, Pierre (2007) Conception d'une chaîne de traitement analogique de signaux vidéo en technologie CMOS basse tension pour applications aux instruments d'observation de la Terre. (Design of analog video processing chain in lowvoltage CMOS technology for application to earth observation instruments.)

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Abstract

Cette thèse s'inscrit dans la problématique d'intégration de chaînes vidéo pour le traitement de signaux issus de capteur CCD, dans le cadre des instruments d'observation de la terre. L'accent est mis principalement sur le composant central de ces chaînes de traitement, le double-échantillonneur corrélé. La solution générale retenue est l'intégration des fonctions dans des circuits intégrés spécifiques (ASIC) analogiques dans des technologies CMOS sub-microniques basse-tension. Dans une première partie, les contraintes des capteurs CCDs sont présentées, tant au niveau de la forme du signal que des différentes sources de bruit, conduisant à l'utilisation du double-échantillonnage corrélé pour le traitement de ces signaux. S'en suit une comparaison des deux principales architectures pour cette fonction, la structure clamp et la structure différentielle. La préférence étant accordée à la structure clamp, son intégration en technologie CMOS sub-micronique est étudiée. Sa sensibilité aux phénomènes d'injection de charges générées par les commutateurs analogiques est démontrée. Pour palier à cette source d'erreur, une nouvelle architecture est proposée, qui réduit fortement les injections auxquelles la structure est soumise. Les performances de la nouvelle architecture sont principalement liées à celles de ses amplificateurs opérationnels. Une étude compare donc les mérites de plusieurs architectures d'amplificateurs opérationnels, en particulier l'amplificateur à deux étages, dont l'un est cascodé, et l'amplificateur à un étage à cascode régulé. Le dispositif le mieux adapté dans le cadre des chaînes vidéo est retenu. Nous nous attardons également sur le cas des amplificateurs différentiels symétriques ainsi que sur les buffers réalisés à partir d'amplificateurs rebouclés, pour lesquels atteindre une grande précision se révèle un problème. A partir de ces études, nous démontrons enfin la faisabilité de la chaîne vidéo à travers la réalisation d'un ASIC de démonstration. Réalisé en technologie CMOS 0.35μm, avec une alimentation en (0V,+3.3V), il est prévu pour le traitement de signaux CCD à 10 MHz avec une précision globale de 12 bits sur la chaîne complète. ABSTRACT : This thesis is about integration of CCD signals video processing chains for earth observation instruments. Its main focus is the central part of such chains, the correlated double-sampler stage. The overall approach that has been selected is the integration of the different functions into analog application-specific integrated circuits (ASIC) using low-voltage submicronic CMOS technologies. First, CCD sensors specificities are presented, including signal shape and noise sources, explaining why the correlated double-sampling technic is used to process these signals. Then, a comparative study is conducted between the two most used architectures of this function, the clamp and differential architectures. The clamp architecture is preferred, therefore its integration in submicronic CMOS technology is studied. The architecture's sensibility toward charge injection, coming from switches, is demonstrated. This leads to the proposition of a new architecture, much less constrained by charge injections. Performances of the new architecture are mainly dependant on those of the operational amplifiers it is made of. Several operational amplifiers architectures are then studied, including the two-stage cascoded architecture and the one-stage regulated cascode architecture, so as to determine which one is preferable for the video chain. Special interest is shown for symmetric differential amplifiers as well as buffer stages made out of amplifiers, for which obtaining high linearity is not as straightforward as one could think. Based on all these studies, demonstration of the video chain feasibility is made through the creation of a demo ASIC. Designed in CMOS 0.35μm technology, with a 3.3V power supply, it is capable of processing CCD signals at a 10MHz rate with on overall 12 bits precision across the chain

Department or laboratory:Laboratoire d'Electronique - LEN7 (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Lescure, Marc
Uncontrolled Keywords:Chaîne vidéo - Capteurs CCD - Circuits intégrés analogiques - Double-échantillonnage corrélé - Clamp - Commutateurs analogiques - Capacités commutées. KEYWORDS : Video Chain - CCD sensors - Integrated Analog Circuits - Correlated Double Sampling - Clamp - Switches - Switched capacitors
Subjects:Electronics > Circuits design / Microelectronics and microsystems
Deposited On:26 February 2008

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