Design of CMOS analog integrated circuits as readout electronics for High-Tc superconductor and semiconductor terahertz bolometric sensors

• Auteur / Autrice : Vratislav Michal
• Direction : Alain Kreisler, Jiri Sedlacek
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Électronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Université technique de Brno

Mots clés

Mots clés libres

Amplificateurs differentiels

Cmos

Instrumentation cyrogénique

Filtres de fréquences

Amplification bas bruit

Bolomètres

Résumé

Cette thèse porte sur la conception d'un circuit intégré CMOS pour l'électronique de lecture de capteurs bolométriques à base de semiconducteurs ou supraconducteurs haute-température. Dans ce manuscrit, une chaîne de traitement du signal est étudiée. Elle est composée d'un amplificateur différentiel à gain fixé pour des températures de 40 à 400K, ainsi que d'un filtre de fréquence passe-bas actif à haute dynamique. Une architecture optimale d'amplificateur est définie sans contre-réaction, permettant d'atteindre une large bande passante (17MHz pour un gain de 40dB), une consommation réduite (Iq = 2mA) et une haute impédance d'entrée. Afin de fixer le gain avec précision dans la structure CMOS, deux méthodes différentes sont présentées et vérifiées sur un circuit intégré. Par la suite, le comportement des filtres dans la bande d'atténuation est étudié afin d'augmenter la fréquence de coupure maximale. Deux structures avec une faible influence des éléments actifs « réels » sont conçues: le filtre Sallen-Key amélioré et la structure basée sur un convoyeur du courant CCII-. Enfin, nous présentons un CCII- intégré en CMOS ayant une très faible impédance de sortie.

This PhD thesis deals with the design of a CMOS integrated circuit as a readout electronic for the THz bolometric detectors, either semiconductor or high-Tc superconductor. We study a chain of the analog signal processing composed of the differential fixed-gain amplifier for the temperature range of 40 to 400K, as well as of the high dynamic range low-pass active frequency filter. As the optimal amplifier configuration, a feedback-free architecture was selected in order to reach high frequency bandwidth (17MHz for gain 40dB), low quiescent current (Iq=2mA) and high input impedance. In this amplifier, the gain is set in the CMOS structure via two different methods and the accuracy is verified by wide-temperature measurements of the fabricated integrated circuit. Consequently, the behaviour of the frequency filters is examined namely in the stopband, aiming to increase the maximal cut-off frequency. As an outcome, two structures with low influence of real active elements' parameters are designed: improved type-II Sallen-Key and the structure based on the CCII- current conveyor. In the last part, the integrated CCII- with very low output impedance is presented.