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« Conception d'un convertisseur Analogique-numérique à rampe par morceaux pour capteur d'image avec techniques de calibration ».

Auteur : C. Pastorelli
Directeur de thèse : S. Mir
Co-directeur de thèse : P. Mellot
Rapporteur(s) de thèse : G. N. Lu, L. Latorre,
Examinateur(s) de thèse : G. Sicard, P. Magnan,
These de Doctorat Université Grenoble Alpes
Spécialité : Nanoélectronique et Nanotechnologies
Soutenance : 15/12/2016
ISBN : 978-2-11-129222-2

Résumé

Le travail de cette thèse vise la réalisation d’un nouveau capteur d’images pour mobile en technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Ce capteur a été développé en vue de répondre à une forte demande du marché. Les prochaines générations de produits, nécessitent des capteurs d’image avec des performances agressives. Par exemple, le niveau de qualité d’image peut être fortement amélioré avec des architectures faible bruit, ou l’utilisation de nouvelles technologies, pour augmenter le niveau du signal ou diminuer la consommation. L’augmentation de la qualité d’image entraîne un agrandissement de la taille des matrices de pixels, et de la résolution des données. La vitesse de conversion devient donc critique. Le sujet de cette thèse porte sur l’amélioration de ce dernier point. Une étude comparative a été réalisée pour étudier différentes architectures. Le convertisseur à rampe est le mieux adapté pour les petits pixels. Toutefois, son principal inconvénient est son temps de conversion qui nécessite 2N cycles d’horloge. Afin d’obtenir un frame rate plus élevé, une méthode tirant profit du bruit photonique a été proposée. Ce circuit de lecture est fondé sur un convertisseur à rampe par morceaux, et un algorithme qui permet la linéarisation des données. Afin de réduire le bruit, cette nouvelle architecture doit prendre en compte le double échantillonnage corrélé digital. Durant la période de conception, des modes de test ont été mis en place pour permettre la caractérisation du circuit. L’innovation se trouve dans le développement d’une rampe par morceaux qui réduit le temps de lecture d’une ligne de 1us. Cependant, ce développement a besoin d’une calibration adaptée. Un prototype de capteur d’image CMOS de 13Mpixel a été fabriqué en 65 nm, 5 niveaux de métaux, et 1 seul niveau de poly en technologie CMOS standard. Les mesures ont montré que l’INL et DNL du convertisseur étaient aussi performantes qu’avec une rampe linéaire classique. Une attention particulière a été apportée sur la mesure du bruit. Malheureusement, le bruit s’est montré plus élevé qu’avec un capteur « classique ». Cependant, la consommation reste identique en ayant une vitesse de conversion plus rapide. Les solutions proposées sont simples à intégrer structurellement, et faciles à mettre en oeuvre. Elles ont l’avantage de ne pas impacter la surface du pixel et préservent donc les performances de ce dernier. Les résultats issus des mesures sur silicium sont très encourageants, car on obtient un gain de presque 20% sur le temps de lecture.

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