Modélisation, simulation des sources de bruit dans les capteurs d’images à pixels actifs, étude et conception d’un amplificateur opérationnel faible bruit compatible avec les APS - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2001

Modeling, simulation of noise sources in active pixel sensors, study and design of a compatible low-noise operational amplifier of APS.

Modélisation, simulation des sources de bruit dans les capteurs d’images à pixels actifs, étude et conception d’un amplificateur opérationnel faible bruit compatible avec les APS

Résumé

This work focuses on the study and improvement of the noise performance of active pixel sensors (APS), under low illumination, and made in CMOS technology. The first part is devoted to the study and modeling of the noise sources associated with the photosensitive element and the MOS transistors integrated next to the pixels. We have developed an analytical method for calculating the power spectral density (PSD) of the LF noise (RTS noise and 1/f noise) of MOSFETs as a function of technological, geometrical and electrical parameters. The model established is based on the process of capture/emission of free charge carriers in the channel by oxide traps in the vicinity of the Si/SiO2 interface. Also, a noise PSD measurement has been established. This study allows us to define design rules for in-pixel transistors with optimal noise. In the second part, we presented a practical and efficient method to simulate the noise behavior of APS sensors directly in the time domain. This technique is fully compatible with the PSPICE simulator, which makes it easy to simulate transient circuit noise. Also, we have determined analytical expressions of the total noise variance at the output of the active pixel. The study developed in this section shows that the noise variance depends strongly on the technological and electrical parameters of the pixel and its associated transistors. We have studied the effect of the polarization and geometry of the transistors in the readout circuit. The effect of the charge capacitance was also discussed. The comparison between the results of the analytical study and those obtained by the PSPICE simulation shows that there is a good agreement between the two results. The last part of this work is devoted to the study and design of a transconductance operational amplifier (OTA) with differential output. This OTA is likely to be integrated in the acquisition chain of an APS sensor. The different stages of this amplifier have been developed. This study has shown that the noise generated by the differential input stage can be further reduced by optimizing the dimensions of the components used.
Ce travail porte sur l’étude et l’amélioration des performances en bruit des capteurs d’images à pixels actifs (APS), sous faible éclairement, et réalisés en technologie CMOS. La première partie est consacrée à l’étude et la modélisation des sources de bruit associées à l’élément photosensible et aux transistors MOS intégrés à côté des pixels. Nous avons développé une méthode analytique permettant de calculer la densité spectrale de puissance (DSP) du bruit BF (bruit RTS et bruit 1/f) des MOSFETs en fonction des paramètres technologiques, géométriques et électriques. Le modèle établit est basé sur le processus capture/émission des porteurs de charges libres dans le canal par les pièges d’oxyde au voisinage de l’interface Si/SiO2. Aussi, un banc de mesure de la DSP du bruit a été établit. Cette étude nous permet de définir des règles de conception des transistors ’’in-pixel’’ ayant un bruit optimal. Dans la deuxième partie, nous avons présenté une méthode pratique et efficace permettant de simuler le comportement en bruit dans les capteurs APS, directement dans le domaine temporel. Cette technique est entièrement compatible avec le simulateur PSPICE, ce qui rend facile la simulation transitoire du bruit d’un circuit. Aussi, nous avons déterminé des expressions analytiques de la variance du bruit total à la sortie du pixel actif. L’étude développée dans cette section montre que la variance du bruit dépend fortement des paramètres technologiques et électriques du pixel et de ses transistors associés. Nous avons étudié l’effet de la polarisation et de la géométrie des transistors du circuit de lecture. L’effet de la capacité de charge a été également évoqué. La comparaison entre les résultats de l’étude analytique et ceux obtenus par la simulation PSPICE, montre qu’il y a un bon accord entre les deux résultats. La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude et la conception d’un amplificateur opérationnel à transconductance (OTA) à sortie différentielle en technologie CMOS. Cet OTA est susceptible d’être intégré dans la chaîne d’acquisition d’un capteur APS. Les différents étages de cet amplificateur ont été développés. Cette étude a mis en évidence que le bruit généré par l’étage d’entrée différentiel peut être réduit davantage, en optimisant les dimensions des composants utilisés.
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  • HAL Id : tel-02429880 , version 1

Citer

Hassan Belahrach. Modélisation, simulation des sources de bruit dans les capteurs d’images à pixels actifs, étude et conception d’un amplificateur opérationnel faible bruit compatible avec les APS. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université Cadi Ayyad Marrakech (Maroc), 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02429880⟩
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