université de montréal circuits analogiques de lecture pour un

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
CIRCUITS ANALOGIQUES DE LECTURE POUR
UN CAPTEUR D’IMAGES COULEUR CMOS
À PHOTODÉTECTEURS SANS FILTRE
PHILIPPE MÉNARD BEAUDOIN
DÉPARTEMENT DE GÉNIE ÉLECTRIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE ÉLECTRIQUE)
DÉCEMBRE 2009
© Philippe Ménard Beaudoin, 2009.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé:
CIRCUITS ANALOGIQUES DE LECTURE POUR
UN CAPTEUR D’IMAGES COULEUR CMOS
À PHOTODÉTECTEURS SANS FILTRE
présenté par: MÉNARD BEAUDOIN Philippe
en vue de l'obtention du diplôme de: Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d'examen constitué de:
M. SAWAN Mohamad, Ph.D., président de jury
M. AUDET Yves, Ph.D., membre et directeur de recherche
M. FAYOMI Christian J.B., Ph.D., membre externe

iii
REMERCIEMENTS
Je tiens tout d’abord à remercier mon directeur de recherche, monsieur Yves Audet,
professeur adjoint au département de génie électrique de l’École Polytechnique de
Montréal, pour avoir dirigé mon projet de main de maître et m’avoir aidé à réaliser
certains de mes objectifs professionnels. Ses qualités humaines ont grandement
contribué à rendre mon parcours aux cycles supérieurs aussi plaisant que possible.
Je souhaite aussi adresser mes remerciements à messieurs Mohamad Sawan et Christian
J. B. Fayomi, pour avoir accepté de participer au jury d’examen de ce mémoire en tant
que président et membre externe, respectivement.
Mes plus sincères remerciements vont à monsieur Victor Hugo Ponce-Ponce, professeur
invité, pour m’avoir aidé à la réalisation de plusieurs dessins des masques. Son attitude
professionnelle et sa personnalité remarquable m’ont inspiré à devenir un meilleur
étudiant et à grandir en tant qu’individu.
Je ne peux passer sous silence l’apport inestimable des techniciens Laurent Mouden et
Jacques Girardin, qui ont collaboré de façon significative à la partie expérimentale de
mon projet.
Merci à Sanyo Corporation, à Univalor et au Ministère du Développement Économique,
de l’Innovation et de l’Exportation (MDEIE) pour leur appui financier qui fût, bien
évidemment, une composante essentielle à la réalisation de ce projet.
Finalement, merci à monsieur Réjean Lepage, administrateur système au Groupe de
Recherche en Microélectronique et Microsystèmes (GR2M), pour avoir fait en sorte que
les systèmes informatiques soient des outils de travail efficaces et fonctionnels en tout
temps.

iv
RÉSUMÉ
La résolution spatiale des capteurs d’images couleur actuels, qu’ils soient de type CCD
(Charge-Coupled Device) ou à base de circuits CMOS (Complementary Metal-Oxide-
Semiconductor), est limitée par leur méthode de discrimination des couleurs. En fait,
comme la plupart des photodétecteurs ne sont sensibles qu’à l’intensité de la lumière et
non pas à sa longueur d’onde, il faut déposer un filtre chromatique à la surface du
capteur pour ne transmettre que la longueur d’onde désirée vers chaque photodétecteur.
On extrapole par la suite la couleur équivalente d’un regroupement de pixels à l’aide
d’algorithmes mathématiques, ce qui restreint l’atteinte d’une résolution spatiale
comparable à celle d’une pellicule chimique photosensible de bonne qualité. De surcroît,
la déposition du filtre chromatique réduit la sensibilité du capteur en absorbant une
partie de l’énergie lumineuse, ce qui impose une restriction supplémentaire au niveau de
la gamme dynamique. Dans le but de corriger ces lacunes, l’équipe de recherche du
professeur Yves Audet a développé et breveté un photodétecteur innovateur permettant
la discrimination des couleurs sans recourir à un filtre chromatique. Réalisable en
technologie CMOS standard, ce photodétecteur est un candidat idéal pour l’intégration
des circuits périphériques de traitement des signaux et la réalisation d’un circuit intégré
de type COC (Camera On Chip). Le présent travail de recherche s’inscrit dans le
processus de développement et de caractérisation de ce photodétecteur. Plus
spécifiquement, il consiste à concevoir les circuits analogiques de traitement de signal en
vue d’obtenir un capteur d’images intégré complet comportant trois sorties analogiques
qui correspondent aux couleurs détectées par le photodétecteur. Pour ce faire, une
nouvelle topologie de pixel actif APS (Active Pixel Sensor) a été développée à partir des
caractéristiques expérimentales du photodétecteur. Par la suite, les circuits analogiques
de traitement du signal périphériques ont été conçus afin de compléter le système
d’acquisition d’images. Le prototype a été fabriqué en technologie 0.25μm 3.3V et les
résultats obtenus témoignent du fonctionnement adéquat des circuits conçus.

v
ABSTRACT
Many of today’s CCD (Charge-Coupled Device) and CMOS (Complementary Metal-
Oxide-Semiconductor) color image sensors exhibit a lower than desirable spatial
resolution on behalf of their color detection and extrapolation mechanisms. Indeed, most
photodetector units respond to light energies whose wavelengths are within their
sensitive range, without actually distinguishing the actual wavelength. Hence, a method
for separating colors must be implemented. The most popular of these methods consists
in placing a CFA (Color Filter Array) atop the pixel array in order to define the
wavelength received by every pixel. As it requires many pixels to determine a single
element of color information in the image, the spatial resolution is limited to numbers
well below those of a high-quality photo film. Furthermore, optical filtering reduces
sensor sensitivity by absorbing part of the energy contained in the incoming light, thus
limiting the available dynamic range. In order to alleviate these shortcomings, Professor
Yves Audet’s design team has developed and patented an innovative photodetector
structure with integrated color detection that doesn’t require the addition of a CFA.
Since this photodetector can be fabricated using a standard CMOS technology, signal
processing circuits can be implemented on the same chip to produce a COC (Camera On
Chip). This work is part of the ongoing development and characterization process of the
filterless photodetector. More specifically, it consists of the design of the analog circuits
required to achieve a complete integrated image sensor having three analog signal
outputs corresponding to the detected colors. Based on previously collected
experimental data about the photodetector, an innovative APS (Active Pixel Sensor)
architecture was created. Then, the peripheral analog signal processing circuits were
designed to complete the analog image capture system. The prototype has been
fabricated using 0.25μm 3.3V CMOS technology and experimental results demonstrate
the functionality of the circuits.