Conception et intégration de convertisseurs analogique/numérique, compacts, à bas bruit, adaptés aux capteurs CMOS destinés à la détection de particules chargées

Conception and integration of analog to digital converters, compact, with a low noise, dedicated to CMOS sensors for charged particle physic detectors

• Auteur / Autrice : Nicolas Pillet
• Direction : Yann Hu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, électrotechnique, automatique. Microélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

MOS complémentaires

Convertisseurs analogique-numérique

Résumé

Les capteurs CMOS ont connu un développement croissant ces dernières années dans le monde de l’instrumentation car ils permettent d’intégrer sur le même substrat un élément sensible ainsi que des éléments de traitement du signal pour un cout de fabrication faible. L’équipe CMOS-ILC de l’IPHC développe des matrices de pixels en technologie CMOS pour des détecteurs dans le domaine de la physique des particules depuis une dizaine d’année. Lors de l’utilisation de ces capteurs pour des trajectomètres, il peut être intéressant d’augmenter la résolution spatiale des détecteurs. Ceci peut être obtenu en implantant des convertisseurs analogique numérique (CAN) en bas des colonnes de matrice de pixels. Ces CANs doivent répondre à des contraintes extrêmement fortes en termes de dimension, de vitesse de conversion et de consommation. Trois prototypes de CAN présentant des architectures différentes ont été développés afin de répondre à ces spécifications. Le premier est un CAN double rampe numérique, le second un CAN à approximation successive, enfin le troisième prototype est un CAN à résolution progressive. Trois circuits intégrant ces différentes architectures de CAN ont été réalisés et caractérisés. Les résultats ont permis d’effectuer une comparaison des différents prototypes existant dans le cadre d’une intégration en bas de matrices de pixels utilisées pour la trajectometrie pour la physique des particules.

Development of CMOS sensors has grown exponentially in the world of instrumentation in the past years because of their ability to integrate a sensitive element and the associated readout electronics on the same substrate at a low price. The CMOS-ILC team of IPHC has developed matrix of CMOS pixels for detectors used in particle physics for the last ten years. While using this kind of detectors for trajectometry, it could be interesting to raise the spatial resolution of the detectors. It could be fulfilled by implementing analog to digital converter (ADC) in the bottom of the column’s matrix. These ADCs must response to very strong constraint in term of dimension, conversion speed and power consumption. Three prototypes of ADCs with different architectures have been developed in order to respond to these specifications. The first one is a double numerical ramp ADC, the second one is a successive approximation ADC and the last one is an ADC with a progressive resolution. Three chips with these different architectures have been submitted and tested. The results have led to a comparison of the different technics in use in this particular field.