Conception, réalisation et caractérisation de l’électronique intégrée de lecture et de codage des signaux des détecteurs de particules chargées à pixels actifs en technologie CMOS

Design, realization and characterization of the integrated readout and signal encoding electronics for charged particle active pixel detectors in CMOS technology

• Auteur / Autrice : Mokrane Dahoumane
• Direction : Yann Hu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique, optoélectronique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Circuits intégrés

MOS complémentaires

Capteurs (technologie)

Convertisseurs analogique-numérique

Résumé

Les futures grandes expériences de l’exploration des lois fondamentales de la Nature (e. G. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l’origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L’encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L’objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D’abord, plusieurs architectures d’un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L’architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu’elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l’architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.

The future big experiments for exploring the fundamental laws of the Nature (e. G. International Linear Collider, ILC) require Vertex Detectors of high spatial resolution and granularity, very thin and radio-tolerant, which are out of reach of the current detection technologies. This observation is at the origin of the development of a novel technology, CMOS Active Pixel Sensors. The spatial resolution of the sensor is a major performance. It results from the sharing of the charges created by a charged particle when it crosses -and ionizes- the sensitive volume. The encoding of the charge collected by each pixel bases on an ADC (Analog-to-Digital Converter), which must be integrated on the substrate sheltering the sensitive volume of the sensor. This ADC must be precise, compact, fast and dissipating low power. The objective through this thesis was to design an ADC fulfilling these conflicting requirements. First, several architectures of a sample-hold-amplifier were studied for conditioning the low signal coming from the pixel. An original architecture of this stage was designed. The pipelined architecture was chosen to develop the ADC. The basic configuration 1. 5 bit/stage was implemented to test the validity of the concept, because it allows minimizing the constraints of each single stage. We optimized the ADC pipelined architecture by introducing the double sampling concept on a configuration of 2. 5 bits/stage, this allowed to minimize the dimensions and the power. The double sampling combined with the 1. 5 bit inter-stage resolution constituted a second improvement of the ADC architecture. A new architecture of the ADC adapted to the pixel command sequence was proposed.