Brevet FR2608816A1 — publié le 19880624

Dispositif de multiplexage analogique par dispositifs à transfert de charge et son application à la lecture de signaux issus d'une 'structure matricielle de photodétecteurs L'invention se rapporte au domaine du traitement de si- gnaux issus de structures matricielles de détecteurs photosensibles, notamment de détecteurs infra-rouges, et plus particulièrement à un dispositif de multiplexage analogique, par dispositifs à transfert de charges, des signaux issus de tels détecteurs. Pour le multiplexage d'échantillons de signaux analogi- ques, on connaît plusieurs solutions utilisant des registres à transfert de charges. Selon une première solution, les échantil- lons de signaux analogiques issus de plusieurs entrées, soit n, sont transférés en parallèle dans les différents étages d'un registre à transfert de charges de sortie, et lus en série sur la sortie analogique de ce registre de sortie. La fréquence de transfert du registre de sortie est n fois celle des échantil- Ions d'entrée. Une autre solution consiste à introduire à l'entrée d'un registre de sortie les échantillons issus des n registres d'entrée par commandes successives, réparties dans une période du signal d'entrée, de n portes analogiques reliant les sorties de ces registres d'entrée à l'entrée du registre de sortie. Dans les deux modes de multiplexage succinctement définis ci-dessus, le transfert des échantillons analogiques entre les registres d'entrée et le registre de sortie est effec- tué par transfert de charges analogiques. Ces solutions imposent une Juxtaposition entre les sorties des registres d'entrée et l'entrée, ou les entrées, du registre de sortie. En conséquence la dimension du registre de sortie, c'est-à-dire sa longueur lorsque les entrées se font en parallèle sur les étages d'un registre de sortie, ou sa largeur lorsque les entrées sont con- nectées à l'entrée du registre de sortie via des portes analogi- ques, est imposée par le pas de répétition des registres d'entrée. Or ces dimensions imposées peuvent être incompatibles de la géométrie nécessaire à un bon transfert dans le registre de sortie, ou peuvent être trop élevées compte-tenu de la charge à transférer, augmentant ainsi inutilement le courant parasite d'obscurité dans le registre à transfert de charges de sortie. D'autre part ces deux modes de multiplexage imposent des signaux de commande: - un seul signal de commande pour le premier mode de transfert ce qui est assez peu contraignant; - autant de signaux de commande qu'il y a de portes dans la seconde solution, ce qui conduit à un système de concep- tion plus compliquée et donc moins fiable. La présente invention a pour objet un dispositif de multiplexage de n signaux analogiques échantillonnés, issus de n registres d'entrée à transfert de charges, et présents simultanément dans ces registres, vers un registre à transfert de charges de sortie qui permet de remédier aux inconvénients des dispositifs décrits ci-dessus par une structure qui élimine toute commande de portes de multiplexage, n'impose pas une juxtaposition particulière des n registres d'entrée et du registre de sortie comportant les charges multiplexées, et permet de réaliser un multiplexeur de signaux de fortes valeurs par rapport aux possibilités de stockage des registres à transfert de charges d'entrée. Suivant l'invention, un dispositif de multiplexage analogique par dispositifs à transfert de charge pour le multiplexage de n signaux analogiques échantillonnés à la fréquence F issus des étages de sortie de n registres à e transfert de charge d'entrée o ces signaux sont présents simultanément, vers un registre à transfert de charge de sortie, est caractérisé en ce que n registres de multiplexage à transfert de charge ayant respectivement 1, 2,... n étages, -reçoivent les charges issues simultanément de registres d'entrée, le transfert étant effectué à la fréquence nF dans e ces registres, les sorties de ces registres de multiplexage étant reliées au premier étage du registre de sortie. L'invention a également pour objet l'application de ce dispositif de multiplexage à la lecture de signaux issus d'une structure matricielle de photodétecteurs. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristi- ques apparaîtront à l'aide de la description qui suit en réfé- rence aux figures annexées. - La figure 1 représente schématiquement un premier dispositif de multiplexage analogique connu; - La figure 2 représente schématiquement un second dispo- sitif de multiplexage connu; - La figure 3 représenté un premier mode de réalisation du dispositif de multiplexage de signaux analogiques selon l'invention; - La figure 4 représente un second mode de réalisation du dispositif de multiplexage selon l'invention; - La figure 5 est un schéma détaillé partiel d'un dispositif de multiplexage selon l'invention applicable à une structure matricielle, dans lequel des groupes de signaux issus de cinq entrées successives sont transférés à une sortie commune Les figures 6a, 6b et 6c représentent respectivement en coupe les différentes électrodes de la structure selon la figure 5, et les diagrammes de potentiel correspondants, suivant l'état du signal de commande; - La figure 7 est le schéma d'un mode de réalisation dans lequel le registre de sortie réalise une sommation avec retard; - La figure 8 est un schéma Illustrant une répartition des charges issues des registres d'entrée, pour le multiplexage. Sur la figure 1 qui représente un dispositif de multiplexage classique, n registres d'entrée E1, E2,... En sont reliés par l'intermédiaire de portes, respectivement A1, A2... An, aux n entrées parallèles des n étages d'un registre à transfert de charges de sortie S. Dans ce mode de réalisation suivant l'art antérieur, un seul signal de commande des portes CO permet de transférer simultanément les charges contenues dans les derniers étages des registres d'entrée E1... En respectivement aux n étages du registre de sortie. Si Fe est la fréquence des échantillons dans les registres d'entrée E1... E, le registre de sortie à transfert de charges doit être lu à n la fréquence nFe, pour la sortie série des échantillons multiplexés, les échantillons présents à la sortie analogique du registre S étant au rythme nFe. Conmme indiqué ei-dessus, l'inconvénient de ce dispositif est qu'il impose au registre de sortie une longueur égale à n fois le pas de répétition, p, des registres d'entrée. De plus ce dispositif nécessite un signal de commande des portes. La figure 2 représente un second dispositif de multiplexage selon l'art antérieur déjà décrit succinctement ci-dessus. Il comporte n registres d'entrée, E1, E2,... En, dont les étages de sortie sont tous couplés à l'entrée série d'un registre de sortie S, chacun par l'intermédiaire d'une porte, respectivement A1, A2... An, chacune de ces portes recevant un signal de commande, respectivement C1, C2,..., Cn décalés: Fe étant la fréquence des échantillons à l'entrée, les signaux de commande sont décalés l'un par rapport au suivant de 1/nFe. Ainsi, le contenu des étages de sortie des registres d'entrée est transféré successivement au même étage d'entrée du registre de sortie S, le transfert des charges dans le registre de sortie étant effectué à la fréquence nFe. Comme indiqué succinctement ci-dessus, ce dispositif de multiplexage a pour inconvénients d'une part le fait qu'il nécessite plusieurs signaux de commande décalés dans le temps, et que d'autre part la largeur géométrique du registre de sortie est multiple du pas de répétition du registre d'entrée, donc souvent trop grande par rapport à la quantité de charges à y transférer. Dans le premier mode de réalisation du dispositif de multiplexage suivant l'invention représenté sur la figure 3, le transfert des charges des étages de sortie des registres d'entrée E, E,..., E4 ne s'effectue pas directement au registre de sortie S, mais par l'intermédiaire de registres intermédiaires de multiplexage, R1, R2...., R {n chacun connecté à la sortie d'un registre d'entrée, les sorties des registres de multiplexage étant directement couplées à l'entrée série du registre de sortie S. Les charges présentes dans les derniers étages des registres d'entrée, Q1 y Q2... Qn sont transférées simultanément dans les registres de multiplexage R1, R2... Rn. Les registres intermédiaires introduisent des retards respectivement égaux à 0, 1/nFe, 2/nFe... 1/nFe. La charge Q1 est alors immédiatement disponible à la sortie de R1 pour transfert dans le registre de sortie S, la charge Q2 est disponible à la sortie du registre R2 avec un retard 1/nFe, la charge Q3 est disponible à la sortie du registre R3 avec un retard 2/nFel... la charge Qn est disponible à la sortie du registre Rn avec un retard 1/(Fe). Ainsi, le transfert dans le registre de sortie S avec des retards déterminés par les longueurs des registres R1, R2,... Rn réalise le multiplexage. Cette solution élimine les signaux de commande de porte décrits ci-dessus. Néanmoins le décalage vertical des étages d'entrée des registres E1... En, imposé par cette structure pour que les étages de sortie des registres de multiplexage soient adjacents, conduit à des problèmes lors de la conception; en effet les répétitions de motifs destinés à former les électrodes ne se font pas suivant des axes orthogonaux du fait que les registres de multiplexage ne sont pas de longueurs identiques. De plus, du fait que le transfert doit être possible de tous les étages de sortie des registres de multiplexage a l'étage d'entrée du registre de sortie, la largeur de ce dernier registre est plus grande que ne le justifierait la quantité de charges à transférer à chaque pas d'horloge à fréquence 1/nFe e La figure 4 représente un second mode de réalisation, préféré, de l'invention qui met en oeuvre des transferts analo- gues, mais qui préserve la structure de répétition des motifs lors de la réalisation des réseaux d'électrodes et qui permet également d'adapter exactement les dimensions du registre de sortie au signal multiplexé de sortie. Pour cela, les échantillons analogiques transférés dans le registre de sortie S ne sont pas les charges formant les signaux d'entrée, ou charges "signal" elles-mêmes, transférées dans les registres intermédiaires de multiplexage, mais leurs Images, ou charges équivalentes recréées, par lecture dite sur grille des charges "signal". Ces charges "signal' elles-mêmes peuvent alors être évacuées par les sorties de registres de multiplexage tous identiques. La structure est alors la suivante: les registres d'entrée, parallèles, E1 E2... En, sont reliés aux étages d'entrée de registres intermédiaires de multiplexage R'1 R'2 ' R' identiques, tous à n étages, les charges présentes dans les n registres d'entrée étant évacuées par les sorties de ces différents registres. Pour le multiplexage, une connexion de lecture reliant une grille de lecture du premier étage du regis- tre R'1, une grille de lecture du second étage du registre R' etc..., une grille de lecture dunième étage du registre 2 ' R'n est reliée à l'entrée du registre de sortie S. Cette connexion de lecture permet, lorsque les charges "source" passent sous l'étage connecté au bus de lecture à des instants espacés de 1/nFe, de créer dans l'étage d'entrée du registre de sortie les charges images, ou charges équivalentes recréées. Ces charges Q'1, Q '2 "' QIn, images des charges sources présentes dans les registres de multiplexage R'1, R' 2... R1n et résultant de la lecture, sont transférées dans le registre de sortie avec une composante continue QO positive, négative ou nulle selon le réglage d'une polarisation externe. Sur la figure 4, les étages utiles au multiplexage pour les différents registres de multiplexage R'1, R'2... R'n ont été marqués en traits pleins, ceux non utilisés pour le multiplexage et qui servent seulement à la continuité des grilles de transfert dans le cadre d'une répétition du système de multiplexage, étant représentés en traits pointillés. Les charges issues des différents registres intermédiaires de multiplexage peuvent être évacuées par un drain commun. La figure 5 est un schéma détaillé partiel d'un ensemble de multiplexage selon l'invention comportant une série d'entrées groupées par cinq, les signaux transmis par les cinq registres d'entrée E1, E2... E5, non représentés, étant multiplexés sur un registre à transfert de charges de sortie S au moyen de registres intermédiaires de multiplexage réalisés de la manière suivante: les registres de multiplexage R'1, R'2... R' 5 sont délimités par les pointillés verticaux sur la figure 5, qui marquent l'isolement entre registres. De même le registre à transfert de charges de sortie S est délimité de la même manière par un isolement marqué par des traits pointillés. Sur le substrat, sur un premier niveau, deux réseaux d'électrodes parallèles, intercalés sont réalisés, G1 et G'3, représentés en trait plein, ces réseaux étant orthogonaux au sens de transfert dans les registres à transfert de charges. Un masquage est réalisé pour isoler des grilles de lecture G3 dans le réseau G'3, au niveau des étages 1, 2,... n, des registres intermédiaires. En même temps que ces deux réseaux destinés à la formation des registres à transfert de charges intermédiaires, les grilles du premier niveau du registre de sortie S sont également réalisées, G5, G7, G9 sur la figure 5 o seul le premier étage du registre de transfert de sortie est représenté. Sur un second niveau du circuit sont réalisées une se- conde série d'électrodes, décalées par rapport aux électrodes du premier niveau, et formant également deux réseaux, Go0 et G2, parallèles intercalés. En même temps que ces deux réseaux parallèles, une électrode G4 et des réseaux intercalés d'électrodes G6 et G8 du registre de sortie S sont formés au second niveau des circuits, ces réseaux étant décalés et recouvrant partiellement les électrodes G5 et G7 d'une part et G7 et G9 d'autre part. Deux zones de diffusion sont également réalisées pour la formation des charges images, de part et d'autre de la grille G4, l'une D entre les deux électrodes G4 et G5, et l'autre de l'autre côté de la grille G4, portée à un potentiel VR. Les réseaux d'électrodes G et G1 sont polarisés par un signal de commande, 0T à deux niveaux, de niveau haut V1 et de niveau bas V2, tandis que le réseau d'électrodes G'3 est relié à une tension de transfert VT, par connexion avec le réseau sous-jacent G2, également porté à ce potentiel. Dans le registre de sortie, la grille G5 est polarisée par une tension continue V0, G6 et G7 sont polarisées par la tension VT, et G8 et G9 reçoivent le signal de commande 0T' Sur les grilles de lecture G3, des contacts sont prévus, ainsi qu'une connexion oblique en aluminium qui relie ces différents éléments de grille G3. L'élément de grille G3 du cinquième étage du registre à décalage R5 est relié au moyen d'un contact Ai-Grille, d'une connexion, et d'un contact AI-Diode à la zone de diffusion Do. Enfin, les registres à décalage R'1, R'2... R'5 aboutissent tous à un drain commun, au potentiel VDD qui permet l'évacuation des charges transférées dans ces registres. La lecture des registres intermédiaires est une méthode de lecture en courant décrite dans les demandes de brevet fran- çais n 78 19933 et 81 18135 au nom de la Demanderesse, méthode dans laquelle une variante est utilisée: le courant n'est pas converti en tension par une capacité mais conservé sous forme de charges dans un puits de potentiel d'un étage à transfert de charges du registre de sortie. Les figures 6a, 6b et 6c Illustrent respectivement en coupe suivant Y la structure de la figure 5, et les diagrammes de potentiel de canal associés, lorsque le signal de commande 0T est respectivement au niveau haut V1 (figure 6b) et au niveau bas V2 (figure 6c). Les mêmes références que sur la figure 5 ont été utilisées pour désigner les différentes grilles de la structure, Go et G'0 étant deux électrodes du réseau GO, G1 et G'1 étant deux électrodes du réseau G1. Ces figures permettent d'illustrer le procédé de lecture utilisé dans ce mode de réalisation du dispositif de multiplexage. Sur la partie gauche de la figure sont représentées les différentes grilles, et les potentiels de canal associés, formant l'étage lu d'un registre intermédiaire, et sur la partie droite de ces figures les différentes grilles formant la zone de formation des charges images et le premier étage du registre de sortie, et les potentiels de canal associés. Les registres à transfert de charges ont un transfert à commande en monophase c'est-à-dire que le signal de commande de transfert 0T prend successivement comme indiqué ci-dessus un état haut V1 et un état bas V2. Ce signal est appliqué au couple de grilles GO, G1 des registres de multiplexage; une tension continue VT égale à (V1-V2)/2 est appliquée à la grille G2. Comme indiqué ci-dessus l'étage à lire est constitué des grilles successives dans le sens de transfert Go, G, G2 et G3. Une implantation pour dissymétriser les potentiels est appliquée dans le substrat silicium, sous les grilles Go0 et G2. Dans la séquence de lecture, deux états stables exis- tent: la figure 6b représente le premier état stable, quand le signal de commande 0T est à l'état haut: Dans ce cas, côté registre intermédiaire la charge Q est stockée sous la grille G1; soit Q = Q2 si c'est le deuxième étage du registre intermédiaire R'2 qui est lu. Le potentiel de la grille G3 est le potentiel VR, cette grille G3 étant portée à ce potentiel par l'intermédiaire de la connexion de lecture qui relie la grille G3 à la diffusion Do, alors au potentiel VR, puisque 0T est à l'état haut V1. Pour l'autre partie de la figure, dans la zone de diffusion et le premier étage du registre de sortie, la tension continue V0 appliquée à G5 fait que le potentiel de canal sous G5 est égal à Vo0-VT5. On choisit V0 pour que que VO-VT5 soit égale à (V1-V2)/2, VT5 étant le seuil de conduction sous la grille G5. Les charges images correspondant aux charges sources lues dans le registre intermédiaire précédent, soit Q'1' et stockées sous G7 dans la phase précédente o 0T était à l'état bas, sont alors transférées sous G9 alors au potentiel 0T haut V1i Lorsque le signal de commande de transfert 0T passe à l'état bas, la figure 6c montre dans sa partie gauche que la charge Q2 initialement sous Glest transférée sous la grille G3du fait que le potentiel appliqué à G1 diminue à V2 tandis que le potentiel sous G3 diminue. Le potentiel de la connexion de lecture devient flottant par coupure de la conduction du canal sous G4, et donc de G3, s'établit au potentiel de canal sous la grille G5 du registre de sortie S c'est-à-dire au potentiel (V1-V2)/2. Une charge image Q'2 peut alors être transférée de la diode Do vers le puits de potentiel sous G7 du registre de sortie puis sous G lors du passage suivant de 0T à l'état haut (comme indiqué ci-dessus). cette charge image Q'2 est telle que Q 2 =Q2 + (Cp+Cr) -IVR_ (V0o-VT5) XCB o 0 = V1-V2, Cp et C étant les capacités de couplage entre successivement G4 et le bus de lecture, et G'0 et le bus de lecture et CB étant la capacité du bus de lecture. Soit 2= 2 Q On voit que, suivant la tension VR, la charge Q0 peut être positive, négative ou nulle et donc que la composante continue appliquée peut être réglée: - Q0 = 0 avec VR égale à (Cp + Cr)0/CB +(V0-VT5) V - Q0 positif avec VR inférieur à V; dans ce cas un fond de charge supplémentaire Q0 est ajouté à la charge Q2 pour former la charge image Q'2; - Q0 négatif avec VR supérieur à V; dans ce cas le signal Initial de charge Q2 est ébasé pour former le signal généré dans le registre de sortie. Le dispositif de multiplexage selon l'invention est particulièrement applicable à la lecture, dans "le plan focal" c'est-à-dire dans le plan o l'image est formée, de signaux Issus d'une structure matricielle de détecteurs photosensibles, comme le montre la figure 7. Les signaux issus de n photodiodes D1, D2, D3 avec n = 3 d'une même colonne i de la matrice sont multiplexés vers un registre de sortie Si qui réalise une sommation avec retard des signaux issus de ces n photodiodes, selon la méthode de traitement dite TDI (en anglais Time Delay Integration) décrite notamment dans la demande de brevet n0 85 01972 au nom de la Demanderesse. Ce traitement doit être réalisé simultanément pour toutes les colonnes... 1-1, i, 1+1... de la matrice, ce qui impose une structure parallèle de traitement TDI dans les registres de sortie... S 1, S, Sil+, au pas imposé par les photodiodes, tel que défini sur la figure 7 dans un exemple de multiplexage de trois voies vers une voie. La charge qui peut être stockée dans les registres multiplexeurs est fonction de la géométrie de l'étage à transfert de charges et plus particulièrement de la largeur des registres à transfert de charges (la longueur est essentiellement limitée par la fréquence de transfert). Dans une application o le pas de répétition pour le traitement TDI, prend en compte un nombre relativement élevé de photodiodes par colonne, les registres de multiplexage sont de faible largeur. Pour un signal en charge issu des photodiodes important, une solution pour réaliser le transfert correct de ces charges consiste à répartir chaque signal élémentaire en m "paquets" de charges répartis sur m étages de registres à transfert de charges d'entrée, puis de transférer ceux-cl vers les registres de muitiplexage à la fréquence nmFe. La figure 8 montre un schéma de répartition des charges constituant un signal respectivement D1, D2 et D3 dans m = 4 étages de registres à transfert de charges d'entrée RE1, RE2, RE3, puis de multiplexage de 3 voies vers 1, via trois registres de multiplexage, R' R'2 et R'3 ayant chacun n.m = 12 étages. Pour cela la connexion de lecture relie les 4 premiers étages du registre R'1, les 4 étages du milieu du registre R'2 et les 4 derniers étages du registre R'3 au premier étage du registre de sortie A intégration S. La reconstitution du signal Initial est alors réalisée par une lecture simultanée des m paquets de charges issus de la même photodiode, ces charges étant présentes simultanément sur m étages dont les grilles sont connectées par la connexion de lecture. Le transfert des registres diviseurs d'entrée et des registres de multiplexage est réalisé à la fréquence n.Fe, si Fe est la fréquence de lecture des photodiodes. 26088 1 6 REVENDICATION 1. Dispositif de multiplexage analogique par dispositifs à transfert de charge pour le multiplexage de n signaux analogiques échantillonnés à la fréquence Fe issus des étages de e sortie de n registres à transfert de charge d'entrée, E1, E2, 5... En, o ces signaux sont présents simultanément, vers un registre à transfert de charge de sortie S, caractérisé en ce que n registres de multiplexage à transfert de charge, R1i, R2... Rn, ayant respectivement 1, 2,... n étages, reçoivent les charges issues simultanément de registres d'entrée, le transfert étant effectué à la fréquence nF dans ces registres, e les sorties de ces registres de multiplexage étant reliées au premier étage du registre de sortie, S. 2. Dispositif de multiplexage analogique par dispositifs à transfert de charge pour le multiplexage de n signaux analogiques échantillonnés à la fréquence Fe issus des étages de sortie de n registres à transfert de charge d'entrée, El, E2 En, o ces signaux sont présents simultanément, caractérisé en ce que n registres de multiplexage à transfert de charges, R'i1y R'2... R' n reçoivent sur leurs étages d'entrée les charges issues simultanément des registres d'entrée et les transfèrent aux étages successifs à la fréquence nFe, et en ce qu'une connexion relie respectivement les étages de rangs i, i = 1 à n, des n registres de multiplexage R'1 au premier étage du registre de sortie, des charges images (Q'i) des charges (Qi) contenues dans ces étages respectifs à des instants décalés de 1/nFe étant créées dans le registre de sortie o elles sont décalées A la fréquence nFe. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les n registres de multiplexage ont tous n étages et ont donc la même longueur, les charges "signal" étant transférées successivement dans les n étages de ces registres avant leur évacuation via un drain commun reliant tous leurs étages de sortie. 4. Dispositif de multiplexage analogique par dispositifs à transfert de charge pour le multiplexage de n signaux analogiques de fortes valeurs échantillonnés à la fréquence Fe es chacun étant réparti en m paquets de charges dans m étages successifs de registres d'entrée respectifs, El R RE2... REn, o ces signaux sont présents simultanément, caractérisé en ce que n registres de multiplexage à transfert de charges R'i, i = 1 à n, à n.m étages reçoivent sur leurs étages d'entrée les charges issues des registres d'entrée à la fréquence n.m.Fe et les transfèrent aux étages successifs à la même fréquence, et en ce qu'une connexion relie les étages de rangs (i-1)m + 11 à (i.m) des registres de multiplexage successifs R'., pour i = 1 à n, au premier étage d'un registre de sortie à transfert de charge S, des charges Images (Q'i) des charges (Qi) contenues dans ces étages interconnectés, à des instants décalés de 1/n. Fe, étant créées dans l'étage d'entrée du registre de sortie, o elles sont alors décalées à la fréquence n.F e 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que le registre de sortie (S) est un registre de sommation avec retard qui effectue le cumul de charges transférées successivement dans une suite d'étages successifs. 6. Application du dispositif selon l'une des revendica- tions précédentes à la lecture de signaux issus d'une structure matricielle de photodétecteurs, caractérisée en ce que les signaux analogiques multiplexés sont les signaux issus d'une suite de n photodiodes appartenant à une même colonne de la matrice. 7. Application selon la revendication 6, caractérisée en ce que les registres d'entrée réalisent une répartition du signal issu de chaque photodiode dans une suite de m étages du registre d'entrée correspondant.