Etude et conception d'un composant analogique programmable en technologie CMOS standard

par Christophe Premont

Thèse de doctorat en Dispositifs de 1' Electronique Intégrée

Sous la direction de Richard Grisel.

Soutenue en 1998

à Lyon, INSA .

Le jury était composé de Richard Grisel, Pierre Gentil, Gaston Cambon, Pierre Pinard, Jean-Pierre Chante, Michel Jourlin, Nacer Abouchi.

Les rapporteurs étaient Pierre Gentil, Gaston Cambon.

mots clés

• Cartes à mémoire
• Amplificateurs
• Systèmes analogiques

Résumé

L’objet de ce mémoire de thèse est l'étude et la conception d'un composant analogique programmable en technologie CMOS standard. Ce composant que l'on appelle indifféremment, réseau analogique programmable ou composant analogique programmable, est constitué d'un réseau de cellules analogiques. Chaque cellule doit être configurable pour remplir différentes fonctionnalités avec des spécifications particulières. D'autre part, les interconnexions entre ces différentes cellules doivent être elles aussi configurables. La configuration du réseau pour permettre l'implémentation d'une fonction analogique donnée se fait par une interface (analogique ou numérique) qui permet la reprogrammation et la sauvegarde des informations de configuration. Une nouvelle approche basée sur des amplificateurs à transrésitance utilisant des convoyeurs de courants met en œuvre des transconductances différentielles offrant de larges gammes de programmation avec des performances électriques intéressantes. Ce mémoire décrit l'étude et la conception de ce composant et s articule principalement autour de six chapitres. Le premier chapitre développe tout d abord le concept du réseau analogique programmable. Le second chapitre propose une méthodologie de conception des circuits analogiques. On y définit l’architecture du réseau en terme d’arcs et d interconnexions, ainsi que l’élément de base utilisé pour construire de applications analogiques, la cellule analogique reconfigurable. L'objet du troisième chapitre est d'une part, de mettre en évidence les enjeux liés à la conception de circuits ana logiques utilisant le courant comme porteur de l’information utile, et d’autre part, de présenter un circuit particulier le convoyeur de courant. Le quatrième chapitre présente la cellule analogique Reconfigurable qui est utilisée comme brique élémentaire pour bâtir les différentes applications analogiques à intégrer dans le composant programmable. L'objet du cinquième chapitre est de présenter la structure du composant et les différentes solutions retenues. Le but du dernier chapitre est double. Il s'agit dans un premier temps de développer quelques exemples d’applications puis de développer des perspectives d'avenir pour ce composant analogique programmable.

Titre traduit

= Study and design of a field-programmable analogue array with a CMOS standard process

Résumé

This thesis is concerned with the study and the design of a field-programmable analogue array with a CMOS standard process. This circuit is an analogue cells based array. Each cell is programmable and can achieve various analogue functions with specific performance. Beside, the interconnections between the cells have to be programmable. The array configuration is achieved using a digital or an analogue interface circuitry to implement a particular function. For a flexible programmability and high-electrical performance, a new approach based and a transresistor amplifier using current conveyors have been developed to control full-differential transconductances. This report falls into six chapters. The first one deals with the concept of field programmable analogue array. The second chapter presents a methodology for describing analogue circuits. The array architecture is studied according to the requirements for such a programmable circuit. The main feature of the third chapter is to introduce the current-mode approach with the current conveyor. The fourth chapter presents the programmable analogue cell designed during the project. The structure of the analogue array and the proposed solutions are thoroughly described in the fifth chapter. The last chapter presents some application examples and it focuses on future works.