Brevet FR2714501A1 — publié le 19950630

SOMMATEUR DE TENSIONS, ET MOSAIQUE DE SOMMATEURS, POUR APPAREIL D'IMAGERIE THERMIQUE. La présente invention concerne un sommateur de tensions, hautement intégrable, destiné aux caméras et appareils de prises de vues thermiques, dans lesquelles les images sont analysées par balayage de type télévision. L'invention s'applique également à l'imagerie photonique, moyennant l'adaptation des éléments détecteurs. Dans le but d'améliorer la sensibilité des systèmes d'imagerie o10 balayée, diverses solutions ont été imaginées afin d 'augmenter les temps d'intégration sans dégrader la résolution spatiale. L'intégration retardée, connue sous le terme anglais "TDI" ou "Time Delay and Integration", est une de ces solutions. Très performante, elle est largement utilisée pour les applications d'imagerie militaire. L'invention décrite permet de réaliser une matrice de sommateurs de tensions, à accès aléatoire en entrée et en sortie, qui, associée à une matrice d'éléments détecteurs et une logique de commande appropriée, permet la conception de la fonction 'TDI" pour des plans focaux hautements intégrés, performants et compatibles de divers standards vidéos. En imagerie thermique, on appelle "plan focal" I'ensemble, placé dans un cryostat, des circuits intégrés de détecteurs de type HgCdTe par exemple et des circuits intégrés d'interface qui permettent de sortir les signaux électriques de l'enceinte du cryostat. Précisément parce que la plaquette des détecteurs est située au plan focal de l'optique de prise de vue. Les plans focaux doivent être le plus intégré possible, pour correspondre à des images ayant le plus grand nombre possible de pixels, mais les données électriques acquises en parallèle doivent être transmises en série, simplement en raison du nombre limité de sorties à travers les parois du cryostat. L'augmentation des performances des imageurs thermiques et la nécessité d'en réduire le coût impliquent d'augmenter le nombre de pixels analysés simultanément, tout en limitant la taille des plans focaux, d'accroître le conditionnement de signal in situ et de simplifier l'électronique hors plan focal. L'intégration retardée, initialement réalisée hors plan focal, est aujourd'hui fréquemment intégrée grâce à l'utilisation des dispositifs à transfert de charges tels que CCD ou BBD. Poussées par la nécessité de réaliser à moindre coût des plans focaux à grand nombre d'éléments de détection intégrant de plus en plus de fonctions de traitement de signal et/ou de pilotage, de nouvelles architectures, de type multiplexeurs, réalisées avec des technologies CMOS sont récemment apparues. La plupart de ces nouveaux multiplexeurs réalisent la fonction d'intégration retardée à l'aide de circuits à transfert de charges de type BBD (Bucket Brigade Device). Parmi les inconvénients de cette approche, les plus graves sont: - la perte d'une voie de détection, due au mauvais fonctionnement d'une cellule de sommation, suite à une dégradation ou une destruction parce que les cellules BBD ou CCD sont en série, - diverses sources de bruit, affectant le transfert de charges d'une cellule à la suivante, engendrent une corrélation entre les fluctuations de bruit de signaux successifs, - un effet d'éblouissement peut apparaître lorsque les charges transférées dépassent un seuil critique. Jusqu'à présent, on considérait que la sommation, sans altération de l'information, de deux tensions est difficilement réalisable à l'aide de circuits suffisamment petits, pour être compatibles avec les grandes densités d'intégration requises par les plans focaux de nouvelles générations. C'est pourquoi la fonction d'intégration retardée TDI est généralement basée sur la sommation de charges. La solution proposée par l'invention consiste à associer à une mosaïque de circuits d'injection classique, de type injection directe, semi- directe ou indirecte, réalisant la conversion charge-tension, une mosaïque de sommateurs de tensions indépendants pouvant être accédés aléatoirement tant en écriture qu'en lecture. Grâce à son association avec une logique de gestion appropriée, chaque sommateur de cette mosaïque peut-être dédié au traitement de signaux détecteurs engendrés par l'analyse d'un même point de la scène. L'indépendance des sommateurs permet de s'affranchir des risques d'éblouissement et d'éviter qu'un défaut de fonctionnement d'une cellule n'entraîne la perte d'une voie de détection. Chaque sommateur est constitué par un transistor à effet de champ ou MOS monté en grille commune et connecté par sa source à une première capacité et par son drain à une seconde capacité. La première capacité reçoit une marche de tension négative commandée par le circuit d'injection. La seconde capacité est chargée par une source de référence. Lorsque le transistor est conducteur, il y a transfert de charges entre la seconde et la première capacités: en fin de transfert, la tension de la capacité de drain à diminué. De façon plus précise, l'invention concemrne un sommateur de tensions, pour intégration retardée dans un appareil d'imagerie thermique, comportant au moins un circuit d'injection qui foumrnit, pour chaque ligne d'image, un signal de tension, ce sommateur étant constitué par un transistor à effet de champ, monté en grille commune, dont la source est réunie à une première capacité de liaison, qui reçoit le signal de tension à intégrer, et dont le drain est réuni à une seconde capacité d'intégration préchargée par une tension fixe. L'invention sera mieux comprise par la description suivante d'un exemple de sommateur de tension, en liaison avec les figures jointes en annexe, toutes relatives à l'invention qui représentent: - figure I: Schéma d'association des circuits d'injection et des sommateurs de tensions, dans un plan focal d'appareil d'imagerie thermique, - figure 2: Schéma du mode de fonctionnement du transistor MOS d'un sommateur, - figure 3: Schéma électrique d'un sommateur de tensions. La figure 1 a pour objet principal de rappeler le schéma d'association des circuits intégrés dans un plan focal, placé à l'intérieur d'un cryostat de caméra thermique. L'image thermique, formée de lignes Li, est balayée devant une mosaïque de circuits d'injection D1 à D4 connus, qui transforment les charges électriques, provenant de la lecture de l'image, en tension. Dans le seul but de simplifier la figure, celle-ci est limitée à quelques lignes Li.3 à Li+2 et à quelques circuits d'injection D1à D4. La mosaïque des circuits d'injection est connectée, par l'intermédiaire d'un multiplexeur symbolisé par des interrupteurs, à une mosaïque de sommateurs tels que S1 à S6. La logique de gestion des interrupteurs permet d'accéder de façon aléatoire, tant en lecture qu'en écriture, aux circuits d'injection et aux sommateurs, de sorte que chaque sommateur de la matrice peut être affecté au traitement des signaux engendrés par un même point de l'image, ce qui s permet d'additionner les charges correspondantes et donc finalement les tensions. A titre d'exemple non limitatif de l'invention, la ligne Li.1 défile devant les circuits d'injection, et elle a communiqué une certaine charge au circuit D2. Par l'intermédiaire des interrupteurs 1 et 2, fermés, la tension résultante est transférée au sommateur S5 qui intègre tous les signaux provenant de Li_1 depuis D1 jusque D4. De façon plus générale, un sommateur donné, dans la mosaïque des sommateurs, intègre les signaux d'un seul point de l'image qui balaye les circuits d'injection, ce qui assure l'intégration retardée. Simultanément à l'écriture de Li_1 dans S5, le système lit un autre sommateur, par exemple S2, et en extrait Li+2 au moyen de lI'interrupteur 3. L'ordre dans la gestion des lectures et des écritures dépend de l'organisation de l'image, ou de la norme adoptée. Illustré en figure 2, le principe de réalisation d'un sommateur repose sur les propriétés du transistor MOS monté en grille commune, caractérisé par une très faible impédance d'entrée, un gain en courant unité et une impédance de sortie élevée. Un tel transistor T est usuellement utilisé pour réaliser l'injection des charges délivrées par un élément détecteur dans une structure d'intégration capacitive réalisée sur silicium. Pour le sommateur de tension proposé, la source de courant du transistor est réalisée par une capacité de liaison CI à armatures flottantes dont l'une connectée à la source du transistor T, et repérée B, est préchargée à la tension de canal Vc du dit transistor et l'autre, repérée A, reçoit une marche de tension négative Va, d'amplitude égale à la tension résiduelle en fin de période d'intégration, provenant du circuit d'injection qui est connecté à l'entrée de ce sommateur. Il en résulte un transfert de charges entre l'armature B connectée à la source du transistor T, grille commune, et la structure d'intégration capacitive Cd connectée à son drain et préchargée à une valeur fixe. En fin de transfert, la tension résiduelle Vd de la capacité de drain Cd a diminué, proportionnellement au rapport des capacités de liaison et de drain, de la marche de tension appliquée en entrée: VaCi/Cd. Sur la figure 2, les diagrammes montrent l'évolution des tensions et des courants lorsqu'à l'instant To est appliquée la marche de tension négative provenant d'un circuit d'injection. Le schéma électrique plus détaillé d'un sommateur est donné en figure 3. Il comprend essentiellement: - En entrée, couplé au détecteur par l'intermédiaire des circuits d'injection, un circuit intégrateur Ce faisant la conversion charge-tension et un étage de lecture adressable du type source-suiveuse, formé par l'amplificateur G. - Une source de courant Vréf chargeant l'étage suiveur du circuit intégrateur. Cette source de courant peut être formée par un transistor MOSFET dont la grille est polarisée par une tension maintenue constante. - Un sommateur à capacités commutées comprenant: un transistor MOS monté en grille commune T une capacité à armatures libres CI 15. une capacité MOS Cd trois commutateurs MOS Tcl, Tc2, et TC3. L'assemblage des composants du sommateur à capacités commutées se fait conformément à la description faite pour la figure 2. Parmi les trois commutateurs MOS: -Tcl correspond à l'un des interrupteurs S de la figure 1 et permet l'écriture d'un signal dans le sommateur, - Tc2 est connecté entre la source S du transistor T et une source de tension VrefS. - Tc3 est connecté entre le drain D du transistor T et une source de tension Vdd. Tcl et Tc2 sont commandés simultanément, ou avec un léger retard de Tcl su Tc2. Préalablement à la première sommation, le circuit est initialisé en préchargeant la capacité Cd à la tension Vdd par la fermeture de l'interrupteur Tc3. La capacité étant préchargée, l'interrupteur Tc3 est à nouveau ouvert. Chaque cycle de sommation se déroule en deux phases; Au cours de la première phase, les deux interrupteurs Tcl et Tc2 sont fermés (( = 1). La sortie du circuit d'entrée sélectionné par l'interrupteur Tcl est reliée à l'armature A de la capacité à armatures flottantes ou capacité de liaison Cl.. Le potentiel de celle-ci est alors proportionnel à la tension résiduelle de l'intégrateur d'entrée, le coefficient de proportionnalité étant fixé par le gain G de l'étage suiveur. La seconde armature B de la capacité de liaison CI est maintenue par l'interrupteur Tc2 à un potentiel de référence VrefS. En choisissant VrefS et VG ( tension de grille du transistor grille commune T) telles que: VRfS VG - VT (VT = tension de seuil de T), le transistor T est maintenu dans un état quasi bloqué, ne laissant circuler qu'un courant négligeable entre son drain et sa source. Au cours de la seconde phase, après ouverture des interrupteurs Tcl et Tc2, (4 = 0), l'armature A de la capacité de liaison CI est déchargée progressivement par la source de courant Vréf. La chute de tension établie durant la première phase entre les armatures de Cl est maintenue jusqu'à l'instant o le potentiel Vs de l'armature B atteint une valeur proche du potentiel de canal du transistor T, soit: VS -VG -VT Au delà de cette valeur critique, le transistor T conduit. Un régime de forte inversion s'établit entraTnant la charge de l'armature B de la capacité de liaison par le courant de canal ids du transistor T: i =P[(VG-VT) VS]' o fi = I C, W / L = facteur de gain du transistor T et p = Mobilité Cox = Capacité d'oxyde W = Largeur de grille L = Longueur de grille. Simultanément, la capacité d'intégration Cd reliée au drain D du transistor T se décharge sous l'action du courant ids.- Le processus se termine lorsque, le potentiel de l'armature A s'étant stabilisé au potentiel de référence VRef, le potentiel de l'armature B rejoint une valeur légèrement supérieure au potentiel de canal VG - VT. En première approximation, la vitesse de décroissance du potentiel de l'armature B est limitée, d'une part par sa capacité, d'autre part par l'aspect géométrique du transistor grille commune. Soit, pour une température de fonctionnement de 77 K, un temps minimum de transfert de: t(Ms) > 2. L /W. CI (pF) Après retour à l'équilibre du potentiel de l'armature B, la variation de potentiel enregistrée sur la capacité de sommation Cd est égale à: à VD a= VA. C Cd Il a donc été réalisé un transfert de tension entre les points A et D avec une amplification déterminée par le rapport des valeurs de capacité de liaison CI et de sommation Cd. Un tel dispositif peut être utilisé pour sommer les potentiels résiduels d'un grand nombre de circuits d'injection. Si l'on considère un circuit d'injection constitué d'une capacité d'intégration Ce préchargée au potentiel Vdd et d'un étage de lecture de gain G, le potentiel lisible en fin de période d'intégration est VA = G. (Vdd qN) Cc avec N1 q = charge photoélectrique intégrée par le circuit d'injection. Transféré sur le drain D du sommateur, ce potentiel devient: VD= Vdd C G(Vdd NCq) Cd ce Lorsque, à la suite de la lecture de "n" circuits d'injection, supposés identiques, I'opération de transfert de potentiel est répétée "n" fois, le potentiel final du drain D du sommateur est: V VD C, (V Nq Cd%=% En choisissant les capacités CI et Cd telles que: Ci 1 Cd n.G on obtient une proportionnalité directe entre le flux détecté et la tension résiduelle du noeud de sommation: q VD = VD= nC' Dans un système mettant en oeuvre une matrice de détecteurs associés à un balayage optomécanique, l'association d'un nombre suffisant de sommateurs à chaque voie de détection permet soit de réaliser la fonction d'intégration retardée (TDI), en dédiant à chaque point image analysée une cellule de sommation, soit de faire une cartographie de réponse du plan focal, en attribuant une cellule à chaque élément de détection. Le changement de mode de fonctionnement est contrôlé par la logique de gestion qui doit permettre de modifier l'ordre d'adressage, en écriture et en lecture, des circuits de sommation. Pour qu'un tel système fonctionne correctement, il est nécessaire que les instants de lecture des circuits d'injection d'une même voie soient distincts les uns des autres, répartis de manière la plus uniforme possible sur l'espace temporel séparant deux cycles d'intégration. Cette condition peut être satisfaite soit en associant à chaque circuit d'injection une mémoire analogique, soit en choisissant un pas détecteur non multiple du pas pixel. Ce sommateur peut être réalisé avec la plupart des technologies MOS actuelles et notamment avec les technologies CMOS submicroniques généralement dédiées aux applications numériques. L'invention est précisée par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 - Sommateur de tensions, pour intégration retardée dans un appareil d'imagerie thermique, comportant au moins un circuit d'injection qui fournit, pour chaque ligne d'image, un signal de tension, ce sommateur étant constitué par un transistor à effet de champ (T), monté en grille commune, dont la source est réunie à une première capacité de liaison (Ci), qui reçoit le signal de tension à intégrer, et dont le drain est réunis à une seconde capacité d'intégration (Cd), préchargée par une tension fixe (Vdd). 2 - Sommateur de tensions selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité de liaison (Cl) a sa première armature (A) connectée en parallèle à une source de tension constante (Vref) et à un premier commutateur (Tcl) qui l'isole du circuit d'injection, et a sa deuxième armature (B) connectée en parallèle à la source du transistor (T) et à un second commutateur (TC2), lui-même réuni à une source de tension de référence (VréfS) supérieure à la tension de canal du transistor (T). 3 - Sommateur de tensions selon la revendication 2, caractérisé en ce que la capacité d'intégration (Cd), isolée de la source de tension (Vdd) de précharge par un troisième commutateur (Tc3), se décharge à travers le canal de transistor (T) et la capacité de liaison (Cl), d'une valeur égale à la tension existante sur la première armature (A) de la capacité de liaison (Cl). 4 - Sommateur de tensions selon la revendication 3, caractérisé en ce que le point commun entre le drain (D) du transistor (T), le troisième commutateur (Tc3) et une première armature de la capacité d'intégration (Cd) constitue la sortie du sommateur. - Sommateur de tensions selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transistor (T) est de type MOS. 6 - Mosaïque de sommateurs de tensions, pour appareil d'imagerie thermique, comportant une pluralité de sommateurs selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'elle est associée à un circuit de multiplexage (S1 - S6) dont la logique de gestion assure un accès aléatoire en entrée et en sortie de chaque sommateur.