Titre: Contribution à la conception d’un circuit analogique programmble en technologie CMOS: Conception et caractérisation d’une cellule de calcul analogique
Auteurs: Alain Aubert
Ecole/Université: L’institut national des sciences appliquées de Lyon
Résumé: Le développement d’une application en analogique est long et nécessite souvent de multiples itérations. Or, l’électronique d’aujourd’hui exige des produits qui arrivent rapidement sur le marché, c’est à dire des durées de conception et de production courtes. Face à ce défi, le concepteur analogicien est démuni de moyens et d’outils contrairement au concepteur numéricien qui lui, dispose d’un large éventail de composants logiques programmables.
Cette thèse expose la contribution à la conception d’un circuit analogique programmable qui intègre des cellules configurables de calcul analogique visant une application de conditionnement capteur, réalisant des opérations de linéarisation. Dans la plupart des cas, la courbe de réponse du capteur n’est pas linéaire ou alors le conditionneur du capteur introduit une non-linéarité. Cette application émane de la demande d’industriels désireux de réduire leur cycle et leur coût de développement dans ce domaine.
Après avoir dressé un état de l’art dans le domaine de l’analogique programmable tant au niveau universitaire qu’au niveau industriel, les spécifications d’un cahier des charges de la cellule sont exposées. La cellule de calcul analogique doit réaliser les fonctions d’amplification, d’addition, de soustraction, de multiplication, de division et de racine carrée. Cette cellule est totalement différentielle en entrée et en sortie.
Par la suite, la cellule de calcul basée autour de multiplieurs et d’amplificateurs inverseurs, est décrite et caractérisée en simulation et expérimentalement. La caractérisation expérimentale met en évidence des défauts d’offset, tous liés à des problèmes d’appariement de composants. C’est pourquoi, une seconde cellule a été développée permettant de compenser ces offsets indésirables. Des résultats de test montrent que les performances du multiplieur sont améliorées en termes de linéarité et d’offset. Enfin, un réseau de huit cellules de calcul a été conçu dans le but de valider les performances de la cellule à travers l’exemple de linéarisation d’un capteur résistif.
Extrait du sommaire:
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX16
TABLE DES SYMBOLES 20
INTRODUCTION 21
CHAPITRE 1 :25
LES DIFFERENTES APPROCHES DANS LE DOMAINE DE L’ANALOGIQUE PROGRAMMABLE25
1 INTRODUCTION 26
2 LES APPROCHES UNIVERSITAIRES26
2 1 L’approche de l’université de Toronto26
2 1 1 Présentation de la cellule 27
a) le convoyeur de courant (Figure 3) 27
la transconductance (Figure 4)28
2 1 2 Présentation du réseau 28
2 1 3 Performances électriques de la cellule 29
2 2 L’approche C Prémont 30
2 2 1 Cellule configurable 1ère génération 30
2 2 2 Cellule configurable 2nde génération 31
2 2 3 Cellule configurable 3ème génération 32
a) Présentation de la cellule 32
b) Calcul de la fonction de transfert de la cellule33
c) Etude de l’amplificateur de courant différentiel (Figure 14) 34
2 3 Les travaux de l’université Johns Hopkins36
2 4 Les autres approches 38
3 LES REALISATIONS INDUSTRIELLES 40
3 1 Introduction 40
3 2 Les composants LATTICE 41
3 2 1 Structure de la macrocellule41
3 2 2 Performances électriques de la macrocellule 43
3 2 3 Exemples d’application 45
a) Etage de gain : gain de 47 45
b) Filtre Biquad : filtre passe-bas et passe-bande du 2nd ordre45
3 3 Le composant ANADIGM46
3 3 1 Structure du circuit47
3 3 2 Caractéristiques du circuit 47
Alain AUBERT / 2001 / Institut National des Sciences Appliquées de Lyon 12
Table des matières
3 3 3 Bibliothèque d’IP et exemples d’application 48
a) Amplificateur inverseur (Figure 23)48
b) Filtre biquad passe bas (Figure 24) 48
3 4 Les composants Cypress Microsystems : CY8C25/26xxx50
3 4 1 Architecture du circuit 50
3 4 2 Organisation des blocs PsoC analogiques51
3 4 3 Etendue des fonctions réalisables52
3 4 4 Exemple de fonctions : amplificateur à gain programmable 53
3 5 Le circuit SIDSA54
3 6 Le composant ZETEX54
4 CONCLUSIONS 55
CHAPITRE 2 :56
SPECIFICATIONS ET ANALYSE DU CAHIER DES CHARGES 56
1 INTRODUCTION 57
2 BESOIN INDUSTRIEL57
2 1 Linéarisation d’un capteur résistif de température 58
2 2 Correction de non-linéarité d’un conditionneur de capteur passif 59
2 3 Méthodes analogiques générales de linéarisation d’un signal61
3 SPECIFICATIONS DU CAHIER DES CHARGES62
3 1 Signaux différentiels63
3 2 Intérêts du mode différentiel64
3 3 Linéarité de la cellule65
4 REALISATION AVEC LES APPROCHES EXISTANTES 66
4 1 L’approche C Prémont 67
4 1 1 Etude de la transconductance différentielle 67
4 1 2 Dissymétrie des tensions de sorties 69
4 1 3 Impédance d’entrée sur l’entrée VE de la cellule71
4 2 L’approche ZETEX71
5 ANALYSE DU CAHIER DES CHARGES74
5 1 Spécification du multiplieur 74
5 2 Recherche d’architecture de multiplieur 75
5 2 1 Principe du multiplieur utilisant des transistors en régime ohmique 75
5 2 2 Principe du multiplieur utilisant des transistors en régime de saturation 77
5 2 3 Etude comparative des multiplieurs en termes de linéarité 78
a) Transistor en régime linéaire 78
b) Transistor en régime de saturation80
5 2 4 Choix du type de multiplieur 81
5 3 Conception d’un multiplieur BICMOS utilisant les transistors en régime linéaire 81
5 3 1 Schéma du multiplieur BiCMOS 81
5 3 2 Fonction de transfert du multiplieur82
5 3 3 Résultats de simulations83
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Table des matières
5 4 Premières approches de solution de la cellule de calcul analogique à partir du multiplieur BiCMOS 83
6 CONCLUSION 84
CHAPITRE 3 :86
DESCRIPTION ET CARACTERISATION DE LA CELLULE DE CALCUL ANALOGIQUE 86
1 INTRODUCTION 87
2 ARCHITECTURE DU CIRCUIT87
2 1 Présentation de la cellule87
2 2 Fonctionnement de la cellule 88
2 3 Imperfections de la cellule 89
3 STRUCTURE DU MULTIPLIEUR ADDITIONNEUR91
3 1 Schéma du multiplieur additionneur 91
3 2 Résultats de simulation92
4 STRUCTURE DE L’AMPLIFICATEUR INVERSEUR94
4 1 Schéma de l’amplificateur inverseur (Figure 56)94
4 2 Résultats de simulation96
5 COMPORTEMENT DE LA CELLULE DE CALCUL EN SIMULATION96
5 1 Cellule programmée en gain 96
5 2 Cellule programmée en fonctions non linéaires97
5 3 Bande passante99
6 RESULTATS EXPERIMENTAUX 100
6 1 Présentation du circuit de test (Figure 62)100
6 2 Environnement de test 101
Test de la cellule multiplieur type1101
6 3 1 Résultats de test 102
6 3 2 Analyse des résultats de test103
6 4 Test du circuit inverseur104
6 5 Test de la cellule de calcul analogique105
7 DEFINITION DE LA NOUVELLE ARCHITECTURE DE LA CELLULE DE CALCUL 107
7 1 Analyse de l’architecture précédente107
7 2 Correction sur la structure de la cellule108
7 3 Principe de la compensation d’offset108
7 4 Règles de layout utilisées 110
7 5 Tests du nouveau circuit110
7 5 1 Cartes de tests111
7 5 2 Test de l’AOP111
7 5 3 Test du circuit multiplieur 112
7 5 4 Test du circuit inverseur113
7 5 5 Conclusion des tests113
8 CONCLUSIONS 114
Alain AUBERT / 2001 / Institut National des Sciences Appliquées de Lyon 14
Table des matières
CHAPITRE 4 :115
ETUDE D’UN RESEAU DE CELLULES115
1 INTRODUCTION 116
2 CELLULE RESEAU116
2 1 Présentation de la cellule réseau 116
2 2 Configurations possibles de la cellule réseau 117
2 2 1 Fonctions analogiques réalisables118
3 LE RESEAU D’INTERCONNEXION DES CELLULES120
4 APPLICATION DU RESEAU D’INTERCONNEXION A LA LINEARISATION D’UN CAPTEUR RESISTIF 123
5 ENVOI DES DONNEES DE CONFIGURATION 124
5 1 Liaison série124
5 1 1 Principe124
5 1 2 Trame de communication125
5 2 Architecture 125
5 3 Entrées/sorties du décodeur128
5 4 Mémoire de stockage 128
6 CONCLUSION 130
CONCLUSION 131
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES135
ANNEXE140
DISPERSION DE PROCESS ET MATCHING141
1 DISPERSION DE PROCESS 143
2 MATCHING ENTRE COMPOSANTS 144
3 TECHNIQUES DE LAYOUT147
3 1 Règle n°1 : même motif147
3 2 Règle n°2 : même température147
Règle n°3 : même orientation148
3 4 Règle n°4 : minimiser les distances 149
3 5 Règle n°5 : Centroïde commune149
3 6 Règle n°6 : même environnement150
Alain AUBERT
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