Design of high resolution analog-to-digital converters for CMOS image sensors
Etude et conception de CAN haute résolution pour le domaine de l’imagerie
Résumé
This thesis deals with the conception and design of high resolution analog-to-digital converters (ADC) for CMOS image sensor (CIS) applications with the 0.18 μm technology. A CIS is a system able to convert light to digital data to be processed. This system includes a pixel array, ADCs, registers and a set of clocks to acquire and transport the data. At the beginning, a single ADC was used for the whole matrix of pixels, converting the pixel value in a sequential way. With the growing size of the pixel array and the increasing frame rate, the ADC became one of the bottleneck of these system. A solution was found to use column ADC, located at the bottom of each column in order to parallelize the conversions. These column ADC are going to be my point of interest in this thesis.First of all, a state of the art of the ADC for CIS is realized in order to determine the best architecture to use. A two-step incremental sigma-delta is chosen and investigated. A theoretical analysis is done, especially on the modulator in order to determine the order of this modulator and the oversampling ratio of the conversion. Then a schematic is realized, with a special feature on the amplifier. Indeed, an inverter is used as amplifier in order to reduce the size of the ADC. A montecarlo and corner studies are then realized on the ADC, a layout is proposed and the ADC is compared to the state of the art of the ADC for CIS.
Cette thèse porte sur la conception et la réalisation de convertisseurs analogique/numérique (ADC) haute résolution dans le domaine de l’imagerie spatiale en technologie 0.18 μm.Un imageur CMOS est un système destiné à acquérir des informations lumineuses et les convertir en données numériques afin que cellesci soient traitées. Ce système est composé d’une matrice de pixels, d’ADC, de registres et de blocs de signaux de commande afin de rendre toutes ces données disponibles. Avec la taille grandissante de la matrice de pixels et la cadence d’image par seconde croissante, l’ADC doit réaliser de plus en plus de conversions en moins de temps et est donc devenu l’un des « bottleneck » les plus importants dans les systèmes d’imagerie. Une solution adaptée a donc été le développement d’ADC colonne situé en bout de colonnes de pixels afin de réaliser des conversions en parallèles et c’est ce sujet qui va m’intéresser.Dans une première partie, n’ayant pas de contraintes sur l’architecture d’ADC à utiliser, une étude de l’état de l’art des ADC pour l’imagerie est réalisée ainsi que les spécifications visées pour notre application. Une architecture sigma-delta incrémental à deux étapes semble la plus prometteuse et va être développée. Ensuite, une étude théorique de l’ADC choisi, et plus particulièrement du modulateur sigma-delta à utiliser est effectuée, afin notamment de déterminer l’ordre de ce modulateur, mais également le nombre de cycles de cette conversions. Une fois les paramètres de modélisation définis, un schéma transistor est réalisé au niveau transistor, avec une particularité au niveau de l’amplificateur utilisé. En effet, afin de gagner en surface qui est l’un des points importants dans les systèmes d’imagerie, un inverseur est utilisé. Une étude de cette inverseur, afin de choisir le plus adapté à notre besoin est effectuée avec des simulations montecarlo et aux « corners ». Pour finir, un routage global de l’ADC est réalisé afin de pouvoir comparer ces performances à l’état de l’art.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)
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