Présentation
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)
-
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 multiplexeur3. Fonctionnement en ligne à retard
Nous avons vu au paragraphe 1.6 qu’un registre à transfert de charge, par sa capacité à stocker et transporter une information de proche en proche depuis un organe d’entrée jusqu’à un organe de sortie, est un candidat tout naturel pour servir de mémoire ou de ligne à retard.
Idéalement, un signal Qe injecté en entrée à l’instant t0 se retrouve à la sortie à l’instant t :
avec :
- n :
- le nombre d’étages de transfert entre l’entrée et la sortie du dispositif
- ft :
- la fréquence de l’horloge de transfert.
Le retard dépend donc de la structure du composant, donnée constructeur, et de la fréquence de commande, sur laquelle peut jouer l’utilisateur si cette liberté lui est laissée.
3.1 Architecture
Une ligne à retard (figure 18) est donc un registre à transfert de charge à entrée et sortie électrique, dont le nombre d’étages N caractérise la capacité de stockage de la ligne et, en liaison avec la fréquence maximale de transfert, le retard (ou durée de transit minimale) qu’elle imposera.
HAUT DE PAGE3.2 Performances
La réalisation de la fonction de retard met en œuvre successivement :
-
un échantillonnage et un blocage du signal originel, discrétisé à l’entrée ;
-
son injection dans le registre ;
-
son stockage dans le registre ;
-
puis...
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Fonctionnement en ligne à retard
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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