Analyse, modélisation et réduction du couplage de bruit par le substrat dans les imageurs CMOS

Other literature type French OPEN
Boucher, Luc (2007)
  • Subject: Capteurs CMOS | Circuits mixtes | Compatibilié électromagnétique | VHDL-AMS | CMOS Image sensors | Mixed-signal circuits | Electromagnetic compatibility | 621

Ce travail porte sur le couplage de bruit par le substrat seiniconducteur entre les circuits numériques et analogiques des capteurs d’image CMOS. Les deux premières parties constituent un état de l'art respectivement des capteurs d'image CMOS et de l'étude du bruit de substrat. Nous abordons dans la troisième partie l'impact du bruit de substrat généré par un perturbateur numérique sur la réponse en courant de plusieurs photodétecteurs. Nous avons montré que le couplage ohmique du bruit d'alimentation au substrat est le phénomène d'injection prépondérant, la réception du bruit par le photodétecteur se faisant de manière capacitive. Pour les substrats sur couche épitaxiée, procédés technologiques dédiés à l'imagerie, la susceptibilité du circuit au couplage substrat et son émission rayonnée sont accrues. Enfin nous avons développé un modèle empirique performant du couplage substrat, implémenté en VHDL-AMS et basé sur la modélisation ICEM (Integrated Circuit Emission Model) et des simulations physiques (impédances du substrat). La dernière partie traite de l’étude du couplage substrat dans un imageur complet. Nous avons montré que l'intégration de la fonction de séquencement augmente fortement le bruit de substrat via l'augmentation du bruit de masse numérique et que le phénomène de réception prépondérant est le couplage ohmique des masses analogiques au substrat. Cependant, aucune altération de l’image n’a été détectée par l’étude qualitative menée. La méthodologie de modélisation empirique développée précédemment a été portée à l’ensemble du capteur et permet d’obtenir un modèle performant dont les principales limitations résident dans l'évaluation des impédances du substrat. This work is dedicated to substrate noise coupling between digital and analog circuits of CMOS images sensors (APS). The two first parts present the state of the art of APS teclmology and substrate coupling studies. The third chapter deals with the impact of substrate noise, generated by a dedicated digital circuit, on the photocurrent of isolated photodetectors. Current mode readout of the photodetectors shows that the main coupling phenomenon is ohmic coupling of digital ground noise to the substrate. The noise is coupled to the photodetector by its equivalent capacitance to the substrate. Evidence has been given that epitaxial substrate is the worst case scenario regarding to substrate noise susceptibility and radiated emission of the circuit. We finally developed a behavioural model of substrate coupling based on standard ICEM model (Integrated Circuit Emission Model) implemented in VHDL-AMS. The empirical substrate impedance network of the model has been extracted using physical device simulations and measurements. The last chapter is dedicated to substrate coupling in a complete APS. We’ve shown that the integration on chip of timing and control functions increases substrate noise coupling through an increase of digital ground bounce. Furtherrnore, ohmic coupling between digital and analog voltage references (readout) seems to be the mam coupling phenomena. However our qualitative analysis has not shown any image degradation. Finally, an efficient model inherited from previous work, has been developed to simulate substrate coupling in this more complex scheme. Improvements have to be made especially in order to extract a comprehensive 3D substrate impedance network.
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