Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les dispositifs à transfert de charges regroupent toute une génération de circuits électroniques, de la ligne à retard analogique jusqu’aux imageurs les plus performants utilisés dans les caméras embarquées à bord de satellites, en passant par les machines d’analyse et transmission de document dans l’industrie et le médical, mais aussi les appareils photos numériques… Après le rappel de quelques notions physiques, cet article s’attarde sur chacun de ces dispositifs. Sont présentés leurs principes de fonctionnement, les bénéfices de la technologie actuelle CMOS et leurs performances dans leurs différentes architectures.
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Auteur(s)
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Gilles BOUCHARLAT : Ingénieur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (I.N.P.G.) - Docteur-Ingénieur en Sciences Physiques - Responsable Programmes R & D chez Atmel
INTRODUCTION
Lorsque, en 1969, Sangster et Teer inventèrent les « chaînes à seaux » – Bucket-Brigade en anglais –, sans doute n’avaient-ils pas idée de la porte qu’ils ouvraient devant eux, avec l’apparition de ce nouveau type de composant. En effet, sur la base de travaux parallèles et conceptuellement très voisins, Boyle et Smith publièrent en 1970 leurs premiers résultats sur leurs dispositifs à transfert de charge (DTC), regroupés sous le terme anglais de Charge Coupled Devices (CCD), circuits qui allaient permettre le développement extraordinaire de l’imagerie électronique, et sa mise à la portée du plus grand nombre grâce au « caméscope », puis à « l’appareil photo » numérique.
C’est en effet sur la base de ces dispositifs que vont se développer progressivement toute une génération de circuits électroniques, depuis la simple ligne à retard analogique ou le multiplexeur analogique, jusqu’aux imageurs les plus performants utilisés tant dans les applications « grand-public » que dans les caméras embarquées à bord de satellites, en passant par les machines d’analyse et transmission de document, plus connues sous le nom de « fac-similé », les caméras industrielles, la radiographie médicale...
Après avoir rappelé les quelques notions nécessaires pour la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans ces dispositifs, nous examinerons leur fonctionnement dans les différents dispositifs évoqués ci-dessus, avec une part belle faite aux applications d’imagerie. Nous développerons alors les performances de ces composants dans leurs différentes architectures.
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Principes
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7. Conclusion
Les dispositifs à transfert de charge sur silicium sont aujourd’hui des circuits intégrés à part entière, fabriqués en grands volumes pour l’industrie des fac-similés, des caméras vidéo et des appareils photo numériques. Les développements de DTC sur d’autres matériaux (HgCdTe, InSb, AsGa) sont restés au niveau de réalisations de laboratoires, et n’ont donné, lieu à ce jour (2005) à aucune réalisation industrielle.
Les progrès de l’intégration de fonctions numériques dans les circuits intégrés en technologie CMOS, associés au développement des applications informatiques conduisent à remplacer dans nombre d’applications les fonctions hier analogiques (lignes à retard, filtres, multiplexeurs...) par leur équivalent numérique, avec des avantages clairement identifiés de stockage, de stabilité de l’information et de faible consommation.
Les réalisations industrielles majeures sont donc aujourd’hui limitées au domaine des capteurs d’images sur silicium, où le dispositif à transfert de charges excelle. Cependant, parallèlement, le même développement des technologies CMOS extrêmement fines (géométries de 0,1 µm) permet de concevoir et de fabriquer des imageurs sur ces technologies, avec des architectures basées sur des « pixels actifs » (c’est-à-dire avec une fonction électronique au cœur du pixel). Bien que la qualité des images CMOS obtenues se rapproche, jours après jours, des performances des imageurs sur DTC, – déjà nombre d’applications (visiophonie, « webcam », appareils photo intégrés dans les téléphones mobiles cellulaires...) se satisfont du niveau de qualité atteint (capteur d’image numérique 900 × 1 200) –, les applications haut de gamme préfèrent encore les très bonnes performances en réponse FTM et faible bruit des DTC.
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Conclusion
ANNEXES
Les dispositifs actuellement sur le marché (2005) sont cités dans le tableau .
Ces circuits présentés tableau combinent les avantages de la technologie à transfert de charges (CCD) pour le stockage et la manipulation du signal, et de la technologie CMOS pour la réalisation de fonctions électroniques usuelles. Fonctionnant sous 5 V, ils contiennent ainsi des oscillateurs à PLL (Phase Locked Loop) intégrée, les générateurs d’horloge et de polarisation, les circuits interfaces vers les registres DTC et les échantillonneurs de sortie. Ils sont disponibles en boîtiers SOP (Small Outline Package) 16 broches ou SSOP (Shrink Small Outline Package) 20 broches.
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