Conversion analogique numérique basse consommation pour micro-capteurs

par José Bonan

Thèse de doctorat en Informatique, télécommunications et électronique

Sous la direction de Alain Greiner.

Soutenue en 2008

à Paris 6 .


  • Résumé

    Au cours des prochaines décennies, le marché lié à la conception d’actionneurs et de capteurs ainsi qu’à leur intégration dans des systèmes, va connaître une forte expansion. En effet la tendance générale qui consiste à concevoir des systèmes plus sûrs et plus intelligents dans des domaines tels que ceux de l’automobile, de l’avionique, du bâtiment a conduit à intégrer de plus en plus de capteurs dans la vie quotidienne. Le marché économique lié aux applications civiles de ces derniers est prometteur et s’évalue pour 2008 à plus de 50,6 milliards d'euros. Le succès des capteurs et en particulier de ceux basés sur la technologie CMOS tient à leur possibilité d’intégrer des systèmes microélectromécaniques (MEMS) à des circuits intégrés dédiés à des fonctions de traitement du signal sur un même substrat de silicium. Dans ce travail, c’est dans le cadre d’une application embarquée qui offre une densité de mémoire ultra-haute que nous avons conçu le convertisseur analogique numérique (CAN) ainsi que son optimisation sur la base des spécifications du frontal analogique (AFE). Le haut débit des données exigées à la sortie du système conduit à concevoir un traitement du signal massivement parallèle et de ce fait à considérer une architecture matricielle. Toutefois, le principal inconvénient dans le choix d’une telle configuration réside dans la forte contrainte imposée à la consommation et à la surface occupée par le convertisseur. Dans ce contexte, Le CAN constitue la partie la plus complexe et la plus critique du bloc analogique dans le système puisque d’une part il assure l’interface entre le monde de l’analogique et celui du numérique et d’autre part il présente une conception sujette à de fortes contraintes de réalisation. Les principales contributions de ce travail peuvent être déclinées en cinq axes de recherche qui peuvent être les suivants: L’identification des architectures de convertisseurs qui répondent aux spécifications du système. La mise en place d’une méthodologie dans la conception de convertisseurs compacts et de faible consommation. L’identification des contraintes limitant la conception de CAN compact et de faible consommation réalisée à l’aide de la méthode des capacités commutées. Dans ce cadre nous avons conçu un modulateur Sigma Delta du premier et second ordre et un Convertisseur Cyclique. Les modulateurs  du premier et second ordre implémentés à l’aide de la technique des capacités commutées, ainsi que leur version optimisée en termes de consommation et de surface occupée, sont électriquement testés et leurs performances comparées. Une nouvelle architecture du convertisseur cyclique a été alors proposée. L’objectif étant d’optimiser l’architecture dite ‘’classique’’ en termes de consommation et de surface occupée et de répondre ainsi aux spécifications demandées. A partir des résultats de mesures faites sur les puces, nous avons comparé les performances des convertisseurs et confirmé notre méthode de conception. L’étude de convertisseurs analogiques numériques, en temps continu et en mode courant dans le cadre de la conception de CAN compact et de basse consommation (Modulateur Sigma Delta du second ordre temps continu mode courant). Sur la base de la transformée z modifiée, grâce à laquelle nous établissons l'équivalence entre les convertisseurs en temps discret et ceux conçus en temps continu, nous discutons et réalisons les compromis et les optimisations que l’on fait en terme de faibles consommation et de surface occupée par le convertisseur. Pour confirmer nos propos nous avons conçu un  en temps continu et en mode courant du second ordre de type NRZ et HRZ. Les performances du circuit sont discutées. Une conception automatisée du convertisseur analogique numérique. L'outil de CAO Cairo + développé au LIP6 est présenté. Nous démontrons que l’outil Cairo+ permet de par sa flexibilité et l’existence d’un protocole de communication entre les différents blocs du système, de gérer avec efficacité les paramètres de conception. Ce travail témoigne de l'aisance avec laquelle le concepteur met à jour ces circuits en les faisant migrer d'une technologie à une autre grâce à Cairo+Nous démontrons son utilisation et son efficacité avec la migration d’un modulateur  temps continu en mode courant de type HRZ d’une technologie de 250nm vers une technologie 180nm. La fabrication et les mesures des différents circuits conçus nous a permis la validation de nos méthodes de conception. La comparaison des performances de nos circuits avec ceux obtenus par la recherche par ailleurs nous a conduits à confirmer l’excellence de nos résultats.

  • Titre traduit

    Low power A/D conversion for micro-sensors


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Informations

  • Détails : 1 vol. (XLII-186 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 175-186. 127 réf. bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie . Section Mathématiques-Informatique Recherche.
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  • Cote : T Paris 6 2008 550
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