Conception d'un convertisseur analogique numérique de haute résolution et faible surface pour des applications de très faible consommation (Ultra Low Power)

Face aux défis environnementaux et technologiques actuels, et à l'essor croissant de l'utilisation des objets connectés ou embarqués, la consommation énergétique des circuits d'acquisition et de traitement des signaux devient un facteur limitant voire très critique. L'évolution des technologies, marquée par la réduction des tensions d'alimentation, favorise naturellement la réduction de l'énergie dissipée. Toutefois, des efforts supplémentaires sont nécessaires en ce qui concerne les architectures et les méthodes de conception pour atteindre des performances qualifiables de "Low Power" et "Ultra Low Power".Dans cette thèse, notre travail a principalement porté sur le bloc de convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la part de consommation dans la chaîne analogique est souvent très significative. Nous démontrons pourquoi les concepts à approximations successive sont à nouveau très concurrentiels. Ce travail explique les algorithmes et méthodologies récents, visant à trouver des compromis entre résolution, vitesse et consommation. Trois convertisseurs à approximations successives (SAR) ont été entièrement modélisés sous Matlab puis conçus dans la technologie CMOS 65 nm afin d'évaluer leurs performances :- Un CAN SAR de résolution 15 bits et de fréquence de conversion de 200 KS/s.- Un CAN SAR de résolution 12 bits et de fréquence de conversion de 1.5 MS/s.- Un CAN SAR de résolution 12 bits implémenté selon une architecture entrelacée, pour atteindre une fréquence de conversion de 40 MS/s.Pour ces trois circuits, nous avons mis en œuvre une architecture de convertisseur numérique-analogique (CAN) dite "segmentée et à matrice divisée", ce qui a permis une réduction significative de la surface et une diminution des contraintes sur les tensions de référence. Des algorithmes de calibration et d'association dynamique des éléments ont été utilisés pour compenser les effets du mismatch des capacités sur les performances. De plus, nous avons étudié une nouvelle génération de comparateur temporel, caractérisée par une consommation nettement réduite par rapport à un comparateur classique, bien que cela soit au détriment de la vitesse de comparaison. Finalement, après la réalisation du layout, les caractéristiques de consommation moyenne et de surface sont les suivantes :- Pour le CAN 15 bits : 8 µW de consommation et une surface de 40 µm * 2280 µm.- Pour le CAN 12 bits : 10 µW de consommation et une surface de 40 µm * 770 µm.- Pour le CAN 12 bits à temps entrelacés : 280 µW de consommation et une surface de 1125 µm * 771 µm.Ces layout sont réalisés avec une forme permettant de mettre plusieurs voies en parallèle pour viser des applications matricielles d’imagerie.