Étude, modélisation des bruits et conception des circuits de lecture dans les capteurs d'images à pixels actifs CMOS

par Yavuz Degerli

Thèse de doctorat en Microélectronique, capteurs d'images

Sous la direction de Pierre Magnan.

Soutenue en 2000

à École nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse ; 1972-2007) .

mots clés

• Double échantillonnage corrélé
• Filtre passe-bande actif commutable
• Modèle diffusif
• Système APS (photographie) -- Thèses et écrits académiques
• Circuits à capacités commutées -- Thèses et écrits académiques
• Bruit thermique -- Thèses et écrits académiques

Résumé

Ce travail porte sur l'amélioration des performances en bruit et sur la conception de circuits de lecture de capteurs d'images à pixels actifs CMOS à destination des applications scientifiques. La première partie est consacrée à l'étude et à la modélisation du bruit temporel de la chaîne de lecture du capteur. Cette étude nous permet de définir des règles de conception réduisant le bruit de ces circuits. Des circuits de test ont été réalisés sur une technologie CMOS 0. 7µm, afin de valider les résultats obtenus. Le deuxième axe porte sur la conception de circuits analogiques de lecture et de traitement du signal effectuant l'extraction du signal utile, l'amplification, et la correction de bruit spatial fixe de colonnes, intégrés sur la même puce que la matrice photosensible ainsi que l'analyse de leurs performances. Trois circuits ont été réalisés sur une technologie CMOS 0. 7µm : le premier est un amplificateur à capacités commutées (c. C. ) élémentaire, le second un amplificateur à c. C. à compensation de la tension de décalage, et le troisième un filtre passe-bande actif commutable. Ils permettent des vitesses de lecture jusqu'à 10Mpixel/sec. Une analyse théorique détaillée de la réponse des circuits au bruit blanc et au bruit en 1/f[exposant α], en considérant la nature non-stationnaire des signaux de sortie, est présentée. Les résultats expérimentaux et théoriques sont comparés. Finalement un nouveau circuit de lecture du signal des colonnes est proposé et développé afin de réduire le bruit spatial fixe de colonnes. Il nécessite un seul amplificateur de colonne commun à toute une matrice de pixels. Les effets des non-idéalités des composants réels sur les performances de ce circuit sont étudiés et des solutions sont proposées et discutées afin de les minimiser. Les résultats expérimentaux ainsi que les problèmes rencontrés sur un circuit de test, comprenant 128x128 pixels et réalisé sur une technologie CMOS 0. 6µm, sont présentés.

Titre traduit

Design of readout circuitry and analysis of temporal noise in CMOS active pixel image sensors

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