Contribution to the optimization of fast and low-noise analog memories in submicronics technologies. Apllication to high-energy physics acquisition chains.
Contribution a l'optimisation des memoires analogiques rapides et bas bruit dans les technologies submicroniques. Application aux chaines d'acquisition des trajectometres de la physique des particules
Résumé
High-energy physics experiments need continuous data acquisition in analog memories done by several thousands of memory cells. A memory cell is analogous to a sample and hold structure. Constraints imposed by the severe environment are drastic. A trade-off between area, accuracy, speed and power dissipation have to be found. The study can be generalized to instrumental systems for which non-linearity is a major limitation to their integration. The present work presents a non-linearity quantitative analysis for voltage and current modes. In order to determine the ultimate accuracy we can reach with a minimum architecture, polynomial models have been developed from components large signal equations. Coefficients analysis has led to the determination of influence parameters related to cell components. The models have been confronted to simulation results and a prototype circuit has been designed in a 0.25 um technology. A 12 bits resolution can be easily obtained with a voltage mode cell whereas a 9 bits resolution is obtained in current mode. It is shown that the voltage mode is more sensitive to the technology parameters. Switched-current mode appears like an interesting alternative to design accurate analog memories in deeper technologies. A full description of models development and their exploitation are given in this thesis.
Le domaine de la physique des particules necessite l'acquisition continue de donnees dans des memoires analogiques constituees de plusieurs millions de cellules de memorisation. Une cellule de memorisation etant un simple echantillonneur-bloqueur. Les contraintes imposees par l'environnement sur ces cellules sont drastiques. Un compromis entre surface, precision, vitesse et puissance dissipee est a trouver. L'etude peut se generaliser au domaine instrumental ou la non-linearite est la principale limitation a l'integration des systemes. L'etude presente e porte sur l'analyse quantitative de la non-linearite dans une cellule minimaliste en mode tension et en mode courant. Afin de determiner la precision ultime que l'on peut atteindre avec une structure minimaliste, des modeles polynomiaux ont ete etablis a partir des equations grands signaux des composants. L'etude des coefficients des polynomes a permis de degager des facteurs d'influence relatifs aux composants de la cellule. Ces modeles ont ete confrontes a des resultats de simulations et un circuit prototype a ete concu dans une technologie 0,25um afin de faire la correlation avec des resultats de mesures. Une resolution de 12 bits peut etre facilement obtenue en mode tension alors que 9 bits sont atteints en mode courant. Il est montre que le mode tension est beaucoup plus sensible aux parametres technologiques. Le mode courant apparait alors comme une alternative interessante pour la conception de memoires analogiques precises dans des technologies fortement submicroniques. Une description complete de l'elaboration des modeles et de leur exploitation est donnee dans ce manuscrit.
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