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Languages: French
Types: Article
Subjects: Capteur d’images, APS, Double échantillonnage corrélé, Circuit de lecture, Capacités commutées, Bruit thermique, Bruit en 1/f, Filtre passe-bande actif commutable, Modèle diffusif, 621, CMOS image sensor, Correlated-double sampling, CDS, Thermal noise, 1/f noise, Fflicker noise, Readout circuit, Switched-capacitor circuit
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. This work is focused on the improvement of noise performances and the design of readout circuitry of CMOS active pixels sensors. In the first part of this thesis, the analytical noise analysis of correlated double sampling (CDS) readout circuits used in CMOS active pixel image sensors is presented. Both low frequency noise and thermal noise are considered. The results allow us to optimize the MOS transistor dimensions and capacitor values for lower noise, with the help of SPICE-based circuit simulators. Test circuits were fabricated on a CMOS 0.7µm process to validate the results. A good agreement was observed between experimental and analytical results. Then, three analog signal processing circuits are proposed for CMOS active pixel imagers, used to extract the signal level proportional to the incident light, amplify it, and to suppress the column FPN (Fixed Pattern Noise). They are based on a fully differential cascode operational transconductance amplifier, and implemented on a CMOS 0.7µm process: the first is an uncompensated SC (Switched Capacitor) voltage amplifier; the second an offset-compensated SC amplifier, and the third a comrnutable band-pass filter. They offer up to 10Mpixels/s readout rates. A detailed theoretical analysis of the amplifiers response to white noise and low frequency noise is given, considering the non-stationary nature of the output signals. A method based on diffusive Markovian representation of 1/fα-noise is used. The theoretical results are compared with experimental data. Finally, a new column readout circuit is presented. The proposed circuit is simple and requires only one output amplifier. It is based on capacitor ratios rather than MOS transistor matching, reducing the column FPN. The effects of the imperfections of the components on the performance of the circuit are investigated. Experimental results obtained on a test circuit comprising an 128x128 pixels array designed on a CMOS 0.6µm process are discussed.
  • No references.
  • No related research data.
  • No similar publications.

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