Solutions pour l'amélioration des performances des miroirs de courant dynamiques CMOS : Application à la conception de source de courant pour des dispositifs biomédicaux.

par Mohan Julien

Thèse de doctorat en SYAM - Systèmes Automatiques et Micro-Électroniques

Sous la direction de Guy Cathébras.


  • Résumé

    Ce manuscrit porte sur l'analyse, les méthodes de conception et la recherche de nouvelles structures de sources de courant, en se focalisant principalement sur les miroirs de courant, source la plus élémentaire. Le dépassement des limites actuelles pour l'optimisation du compromis vitesse-précision-consommation est l'objectif majeur des travaux présentés. La première partie est consacrée à l'étude de l'origine de ces limites et dresse l'état de l'art des structures de miroir de courant CMOS. Sont ensuite étudiées plus en détails, les possibilités offertes par les miroirs à entrée active. Une des premières contributions de nos travaux de recherche a été de proposer un formalisme dédié à l'étude et à l'implémentation de ce type de miroir, suivi de propositions d'amélioration à coût minimum de la topologie classique. Le développement d'une nouvelle approche de conception utilisant un principe de rétroaction non-linéaire en mode courant constitue la contribution majeure de cette thèse. La rétroaction est implémentée grâce à un convoyeur de courant de seconde génération dédié, très faible consommation et conçu pour avoir un comportement volontairement non-linéaire. Couplée avec des techniques classiques de régulation cascode pour une copie en courant de haute-précision, cette topologie constitue une source de courant élémentaire compétitive pour la réalisation de systèmes à haut niveau de performance. L'approche est mise en œuvre puis validée par la conception, en technologie CMOS 180nm, de deux circuits dédiés à la génération des courants dans les puces de stimulation neurale. L'ensemble des résultats obtenus dans ces dernières études démontre, qu'il est possible de dépasser les limites actuelles du compromis vitesse-précision-consommation, en se basant sur la stratégie de conception et les nouvelles topologies de miroirs à entrée active proposées.

  • Titre traduit

    Enhancement technique for dynamic CMOS current mirror: Application to high-performance current sources in biomedical devices.


  • Résumé

    The work presented in this manuscript involves analysis, design methods and search for improved structures of current sources, with main focus on the current mirrors, the most elementary current source. The main objective of our research was to outperform the present limitations in terms of speed, power and accuracy that exists in CMOS current mirror design. In the first part of the manuscript, we investigate on the origin of these limitations and present a literature review of popular and recent advanced current mirror structures. Then follow a deeper analysis of active-input current mirror capabilities. The first scientific contributions were, the development of analytical tools dedicated to the implementation of the standard active-input topology, supported by two solutions for dynamic range and stability improvements at minimal costs. The proposition of a novel design approach, relying on a power-efficient speed boosting technique based on current-mode non-linear control loops, constitutes the major contribution of the work presented in this manuscript. The feedback circuit is implemented using a custom low-power current conveyor (CCII), built to be intentionally non-linear. Coupled with classical regulated cascode structures required for high-precision current copy, this enhanced active-input current mirror topology forms a new competitive elementary current source to the design of high-performance systems. The approach is validated and illustrated with the realization of two circuits in 180 nm CMOS technology. Cores of the circuits are two examples of output stages dedicated to neural stimulation chips. Finally, Results of the last studies have demonstrated that, thanks to the design strategy and the new active-input current mirror topologies proposed, it is actually possible to outperform the present limit of the speed-power-accuracy trade-off.