Contribution à la conception de circuits intégrés analogiques en

N° d’ordre 2312 2005
THÈSE
présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Ecole Doctorale : Génie Electrique, Electronique et Télécommunications
Spécialité : Conception des Circuits Microélectroniques et Microsystèmes
par
Denis STANDAROVSKI
Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électrotechnique, d’Électronique, d’Informatique
et des Télécommunications
DEA Conception des Circuits Micro-Électroniques et Micro-Systèmes de l’INPT
Contribution à la conception de circuits intégrés analogiques en
technologie CMOS basse tension pour application aux
instruments d’observation de la Terre
soutenue le 19 décembre 2005 devant le jury composé de :
M. Marc LESCURE Directeur de Thèse
M. Pascal NOUET Rapporteur
M. Philippe BENECH Rapporteur
M. Jean-Yves SEYLER Membre
M. Vincent LÈBRE Membre
M. Pierre MAGNAN Membre
Thèse préparée au Laboratoire d’Électronique de l’ENSEEIHT
E.A. 829 du MNRT

Contribution à la conception de circuits intégrés analogiques
en technologie CMOS basse tension
pour application aux instruments d’observation de la Terre
Mots Clefs
 Circuits intégrés analogiques (ASICs)
 Technologie CMOS basse-tension
 Commutateur analogique
 Chaîne vidéo
 Échantillonneur-Bloqueur
 Rail-to-Rail
 Environnement Spatial
 Durcissement aux radiations
Résumé
Le présent mémoire de thèse s’inscrit dans la problématique d’intégration de chaînes pour
traitement du signal vidéo issu d’un capteur CCD dédiées aux instruments d’observation de la
Terre. La solution présentée à travers cette étude consiste à concevoir des circuits intégrés
spécifiques (ASIC) analogiques avec des technologies CMOS sub-microniques basse-tension,
principalement développées pour les circuits numériques complexes.
Dans une première partie, nous présentons le contexte de l’étude en abordant
l’environnement spatial et ses rayonnements inhérents. Nous précisons ensuite l’architecture des
chaînes vidéo des instruments d’observation de la Terre mis en œuvre dans les différents satellites
issus de la famille SPOT développés par le CNES.
Une étude approfondie est ensuite consacrée au circuit échantillonneur-bloqueur (E/B) car
cette fonction est limitante des performances des chaînes de traitement analogique du signal
vidéo CCD. La réponse transitoire du commutateur analogique dans les circuits d’échantillonnage
est à l’origine d’une erreur prédominante qui introduit une non-linéarité dans la caractéristique de
transfert de la chaîne vidéo en raison des phénomènes d’injection de charges lors des
commutations. Nous démontrons que cette erreur est minimisée par le choix de certaines
architectures d’E/B rapides et symétriques utilisant l’effet Miller.

Nous mettons en évidence la limitation dynamique des structures en boucle fermée (marge
de phase réduite) et nous proposons une structure intéressante en termes de performances et
pouvant répondre aux besoins d’une instrumentation rapide et précise.
Les résolutions visées pour notre instrumentation (12-bits, 10-20Mechs/s) nous amènent
alors à maximiser la dynamique des signaux utiles, ce qui nous conduit à la conception de circuits
rail-to-rail en entrée et sortie. Pour concevoir ces circuits, nous analysons les cellules élémentaires
CMOS basse-tension (3.3V), telles que les miroirs de courants à grande excursion, les circuits
cascodes améliorés, les sources communes classe AB ainsi que les dispositifs de contrôle de mode
commun. A partir des caractéristiques de ces cellules, nous proposons une méthodologie pour le
calcul analytique des transferts en boucle ouverte d’amplificateurs opérationnels large bande et de
circuits transconductance.
De ces études, nous démontrerons la faisabilité de la chaîne vidéo à travers la réalisation de
deux ASICs analogiques. Un premier démonstrateur en technologie CMOS 0.6µm intègre un
amplificateur opérationnel symétrique large-bande rail-to-rail ainsi qu’un circuit E/B asymétrique.
Une contribution aux besoins d’une instrumentation spatiale rapide, précise et totalement
différentielle est développée dans une technologie BiCMOS 0.35µm à travers un circuit E/B
symétrique et son étage d’entrée en prenant en compte les méthodes de durcissement aux
radiations par layout.

Contribution to low-voltage CMOS analogue integrated circuit conception
dedicated to next generation of Earth observation spatial instruments
Keywords
 Analogue integrated circuits
 Low-voltage CMOS technology
 Video Analogue Front-End circuit
 Track-and-hold circuits
 Rail-to-Rail
 Spatial Environment
 Radiations Hardening
Abstract
Thesis report describes interesting solution from integration issue of CCD signal processor
dedicated to next Earth observatory instrumentation. This one uses specific analogue integrated
circuits (ASICs) implemented on standard technology. Challenge will be so to use technologies
easily available that can be seen currently low-voltage CMOS technology, first developed to
complex digital circuit integrations.
Study context is firstly described by focusing on spatial environment and its radiations.
Structure of CCD signal processor dedicated to Earth observation is clarified and supported by
SPOT CNES program and its different satellites characteristics.
Next, the track-and-hold amplifier (THA) is studied due to its limiting characteristics on the
requirements of CCD signal processor circuit. Transient behaviour of analog switches is seen to
be the origin of dominant error on sample circuits. Due to charge injection during transition
mode, a non-linearity is introduced on the video chain transfer function. How to minimize this
error is demonstrated by choosing interesting fast and accurate THA structures using Miller
effect.
Dynamic limitation introduced by closed-loop THA architecture (with reduced phase
margin) is focused on. To meet fast and accurate instrumentation needs, a very interesting THA
structure is developed.