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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Fonctionnement en capteur d’image
En anglais
4. Fonctionnement en multiplexeur
Le chargement d’une quantité d’informations dans un registre à transfert de charges et sa lecture en série via un organe de lecture commun ouvre la porte au multiplexage, c’est-à-dire la mise en série d’informations disponibles généralement en parallèle. Cette fonctionnalité est utile dès que l’on dispose d’une somme d’informations avec une densité telle qu’elle interdit le recours à des techniques de connexion individuelle. On se trouve dans cette situation lors de l’exploitation des signaux issus de barrettes de détecteurs par exemple [10]. Un multiplexeur linéaire, hybridé avec le capteur, apporte alors une solution élégante au problème technique de câblage des sorties.
4.1 Multiplexeur linéaire
Le multiplexeur (figure 19) comporte N entrées capables de fonctionner en parallèle et de charger simultanément, via l’horloge Φx, un registre à transfert de charges avec un lot d’informations. Ce lot d’informations doit être transféré et utilisé en sortie, avant de pouvoir charger à nouveau le registre du lot d’informations suivant. Et ainsi de suite. Le signal en sortie du registre à transfert de charges est un signal multiplexé.
Les performances d’un multiplexeur linéaire à transfert de charges reposent sur les mêmes qualités de base du DTC et de ses organes d’entrées et sortie que celles qui sont traitées dans le cas de la ligne à retard. De plus, l’homogénéité des fonctions de transfert associées à chaque voie d’entrée sera ici un critère supplémentaire de performance : cette homogénéité sera obtenue par une optimisation de la conception du circuit, pour le rendre robuste par rapport aux variations technologiques, toujours présentes sur des circuits de grande dimension.
HAUT DE PAGE4.2 Multiplexeur matriciel
Un multiplexeur matriciel a la même fonction qu’un multiplexeur linéaire, mais avec une fonctionnalité étendue à deux dimensions. À l’exemple pris ci-avant du multiplexage des signaux de barrettes de détecteurs, on peut substituer celui d’une matrice de détecteurs, où les problèmes de connectique sont d’un degré...
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Fonctionnement en multiplexeur
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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