Conception de la gestion de l'alimentation à faible bruit, de petite taille et sur-puce pleinement pour les capteurs à pixels CMOS dans des expériences en physique des hautes énergies

Design of a low noise, limited area and full on-chip power management for CMOS pixel sensors in high energy physics experiments

• Auteur / Autrice : Jia Wang
• Direction : Yann Hu, Deyuan Gao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation et microélectronique
• Date : Soutenance le 03/09/2012
• Etablissement(s) : Strasbourg en cotutelle avec Northwestern Polytechnical University (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Patrick Garda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Knittel, Tingcun Wei
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yu-Shan Li

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique des hautes énergies

Appareils électroniques -- Alimentation en énergie

Circuits intégrés

Capteurs d'images CMOS

Mots clés libres

Capteur CMOS

CMOS pixel sensors (CPS)

Full on-chip

Linear regulator

Low noise

Low dropout (LDO) regulator

Monolithic active pixel sensors (MAPS)

Power management

Résumé

Quelles sont les particules élémentaires et comment l'univers proviennent sont les principales forces motrices de la physique des hautes énergies. Afin de démontrer le modèle standard et découvrez la nouvelle physique, plusieurs détecteurs sont construits pour les expériences en physique des hautes énergies. Capteurs à pixels CMOS offrent un compromis attirant entre la vitesse de lecture, le budget matériel, la tolérance au rayonnement, la consommation d'énergie et la granularité, par rapport aux capteurs à pixels hybrides et des dispositifs à transfert de charge. Ainsi, les CPS sont un bon choix pour détecter les particules chargées dans les détecteurs de vertex et des télescopes de faisceau. La distribution de puissance devient un enjeu important dans les détecteurs à venir, puisque une quantité considérable de capteurs seront installés. Malheureusement, le «Independent Powering» échoue, comme l'approche traditionnelle. Afin de résoudre les problèmes de distribution de puissance et de fournir des tensions silencieuses, cette thèse se concentre sur la conception de la gestion de l'alimentation à faible bruit, à basse consommation d'énergie, de petite taille et sur-puce pleinement pour les CPS. Les CPS sont d'abord introduits en tirer les exigences de conception de la gestion de l'alimentation. La distribution de puissance dédiées à les CPS est ensuite proposé, dans laquelle la gestion de l'alimentation est utilisée comme seconde étape de conversion de puissance. Deux régulateurs sur-puce pleinement sont proposés pour générer la tension d'alimentation analogique et de la tension d'alimentation de référence requis par l'opération d'échantillonnage double corrélé, respectivement. Deux prototypes ont vérifié ces régulateurs. Ils peuvent répondre aux exigences des CPS. En outre, les techniques de gestion de l'alimentation et de la conception tolérance au rayonnement sont également présentés dans cette thèse.

What are the elementary particles and how did the universe originate are the main driving forces in the high energy physics. In order to further demonstrate the standard model and discover new physics, several detectors are built for the high energy physics experiments. CMOS pixel sensors (CPS) can achieve an attractive tradeoff among many performance parameters, such as readout speed, granularity, material budget, power dissipation, radiation tolerance and integrating readout circuitry on the same substrate, compared with the hybrid pixel sensors and charge coupled devices. Thus, the CPS is a good candidate for tracking the charged particles in vertex detectors and beam telescopes.The power distribution becomes an important issue in the future detectors, since a considerable amount of sensors will be installed. Unfortunately, the independent powering has been proved to fail. In order to solve the power distribution challenges and to provide noiseless voltages, this thesis focuses on the design of a low noise, limited area, low power consumption and full on-chip power management in CPS chips. The CPS are firstly introduced drawing the design requirements of the power management. The power distribution dedicated to CPS chips is then proposed, in which the power management is utilized as the second power conversion stage. Two full on-chip regulators are proposed to generate the analog power supply voltage and the reference voltage required by correlated double sampling operation, respectively. Two prototypes have verified these regulators. They can meet the requirements of CPS. Moreover, the power management techniques and the radiation tolerance design are also presented in this thesis.