Brevet FR2914741A1 — publié le 20081010

CAPTEUR ELECTRONIQUE A CAPACITE DE COMPTAGE OPTIMISEE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR L'invention concerne le domaine des capteurs comprenant des compteurs numériques ou analogiques. L'invention est particulièrement adaptée pour être mise en oeuvre dans le cadre d'un circuit de lecture d'un bolomètre, par exemple dans un pixel de capteur d'images infrarouges. La figure 1 représente une partie d'un capteur 100 comportant un circuit de lecture d'un bolomètre 101. Ce bolomètre 101 peut par exemple être une thermistance, c'est-à-dire une résistance variant avec la température, se trouvant au niveau d'un pixel d'un capteur d'images infrarouges, le circuit de lecture faisant partie de l'ensemble de traitement de signal du bolomètre 101. En imposant une tension fixe aux bornes de du bolomètre 101, les variations de température captées par le bolomètre 101 influent sur la valeur de sa résistance et donc sur la valeur du courant le traversant. Le circuit de lecture convertit le courant du bolomètre 101 en un signal comportant une série d'impulsions, la fréquence des impulsions étant proportionnelle au courant du bolomètre 101. Les impulsions sont ensuite comptabilisées pendant un temps de comptage correspondant à un temps de capture ou de mesure par le bolomètre. Le nombre d'impulsions comptabilisées est délivré en sortie du circuit de lecture, ce nombre étant représentatif du courant passant dans le bolomètre 101. Pour cela, le circuit de lecture comporte un transistor de sélection NMOS 102 dont la source est reliée au bolomètre 101, le bolomètre étant par ailleurs relié à la masse. Une tension de polarisation Vg est appliquée sur la grille du transistor NMOS 102. La tension Vg étant constante pendant la durée de capture, la tension aux bornes du bolomètre 101 est également constante. Ainsi, lorsque la température varie, la résistance du bolomètre 101 change, ce qui implique, compte tenu de la tension constante aux bornes du bolomètre 101, une variation du courant qui le traverse. Ce courant est puisé dans un condensateur d'intégration 104, faisant alors chuter la tension aux bornes de ce condensateur 104. La tension aux bornes du condensateur 104 est appliquée sur une entrée inverseuse d'un comparateur 106. Une entrée non inverseuse du comparateur 106 est reliée à un générateur de tension 108 appliquant une tension de référence Vref, par exemple 2 V pour une tension Vg de l'ordre de 1,7 V. Un transistor PMOS 110 de recharge est placé entre l'entrée non inverseuse du comparateur 106 et une tension d'alimentation Vdd, par exemple égale à 3,3 V. Le transistor PMOS 110 et le condensateur 104 sont ainsi placés en série entre la masse et la tension d'alimentation Vdd. Un inverseur 112 est placé entre la sortie du comparateur 106 et la grille du transistor PMOS 110. Préalablement à la capture, ou mesure, le condensateur 104 est préchargé à la tension d'alimentation Vdd, par exemple au moyen d'un transistor PMOS de précharge, non représenté, relié à la tension d'alimentation Vdd. Au démarrage de la capture, la tension aux bornes du condensateur 104 est sensiblement égale à la tension d'alimentation Vdd, puis elle diminue progressivement au cours de la capture. Quand le potentiel appliqué sur l'entrée inverseuse du comparateur 106, c'est-à-dire la tension aux bornes du condensateur 104, atteint Vref, le comparateur 106 commute et le transistor PMOS 110 devient passant, entraînant la recharge du condensateur 104. Le comparateur 106 est par exemple un comparateur à hystérésis, afin que le condensateur 104 puisse se recharger complètement, sensiblement jusqu'à Vdd, avant qu'il ne commute en sens opposé après un certain délai. Pendant ce premier cycle, grâce à la décharge et à la recharge du condensateur 104, une impulsion à été générée en sortie du comparateur 106. La sortie de l'inverseur 112 est reliée à un compteur 114 qui s'incrémente à chaque impulsion reçue. Ainsi, le nombre d'impulsions générées en sortie du comparateur 106 et comptées par le compteur 114 pendant une période de capture, ou période de comptage, t déterminée est représentatif de la variation de la résistance du bolomètre 101, et donc de la variation de température induite par le rayonnement infrarouge sur le bolomètre 101. Le circuit 100 comporte également des moyens de mémorisation 116 reliés à la sortie du compteur 114. Ces moyens de mémorisation 116 sont prévus pour mémoriser le nombre d'impulsions comptabilisées par le compteur 104 à la fin de la période de capture. Le compteur 114 peut par exemple être un compteur logique asynchrone 1, réalisé à partir de bascules D, tel que représenté sur la figure 2. Le compteur 1 comporte une entrée 2 sur laquelle sont appliquées les impulsions générées en sortie du comparateur 102. Cette entrée 2 est reliée à une entrée d'horloge d'une première bascule D 20. La sortie de cette première bascule D 20 est reliée à une entrée d'horloge d'une seconde bascule D 22 et à une première sortie 4 du compteur 1. De la même façon, une troisième et quatrième bascules D, respectivement 24 et 26, sont reliées en série avec la première et la seconde bascules D 20 et 22, les sorties des seconde, troisième et quatrième bascules D étant reliées aux seconde, troisième et quatrième sorties, respectivement 6, 8 et 10, du compteur 1. Lorsque l'on souhaite compter le nombre d'impulsions contenues dans un signal pendant une durée de comptage t, et que ce signal comporte par exemple un nombre maximal Y d'impulsions pendant la durée t, le compteur utilisé est un compteur n bits avec 2` ' Il est également possible d'utiliser un compteur 114 analogique pour compter les Y impulsions du signal pendant la durée de comptage t. Le compteur analogique comporte alors un condensateur de capacité Cl permettant de compter le nombre total d'impulsions du signal. Par exemple, si une impulsion implique le stockage d'un certain nombre de charges q1 dans le condensateur, la capacité Cl est choisie afin de pouvoir stocker toutes les charges, dont le nombre est égal à y X q1. Toutefois, l'utilisation de tels compteurs, analogiques ou numériques, peut poser un problème d'encombrement dans certaines applications. Par exemple, dans un capteur d'images infrarouges comportant plusieurs pixels, chaque pixel comporte un bolomètre et un circuit de lecture qui inclut un compteur, par exemple un compteur numérique 16 bits, occupant une place importante au niveau de chaque pixel. EXPOSÉ DE L'INVENTION Un but de la présente invention est de réduire la taille d'un capteur. Un autre but de la présente invention est d'améliorer la sensibilité d'un capteur. La présente invention concerne un capteur électronique comportant au moins : - des moyens de capture produisant un signal s comportant x impulsions pendant une durée de capture donnée, tel que a' Dans une première variante, les moyens de comptage peuvent comporter au moins un compteur analogique. Dans ce cas, le compteur analogique peut comporter au moins un condensateur, la capacité de comptage maximale z des moyens de comptage pouvant être proportionnelle à la valeur de la capacité du condensateur, le nombre délivré en sortie des moyens de comptage pouvant être une tension aux bornes du condensateur. Le compteur analogique peut comporter en outre : un comparateur pouvant comprendre une première entrée reliée à des moyens d'application d'une tension de référence, une seconde entrée reliée au condensateur et une sortie reliée à une première entrée d'une porte logique OU, une seconde entrée de la porte logique OU pouvant être destinée à recevoir un signal de réinitialisation de comptage, - un transistor de réinitialisation du condensateur dont la grille peut être reliée à la sortie de la porte logique OU, - un transistor de comptage dont le drain peut être relié à la seconde entrée du comparateur et la grille peut être reliée à l'entrée des moyens de comptage. Le compteur analogique peut comporter en outre un inverseur disposé entre la sortie du comparateur et la première entrée de la porte logique OU. Dans une seconde variante, les moyens de 20 comptage peuvent comporter au moins un compteur numérique. Le compteur numérique peut comporter k bits tel que 2k = z, k pouvant être choisi tel que m Le capteur peut comporter un circuit de lecture d'un bolomètre. La présente invention concerne également un capteur d'images infrarouges, pouvant comporter une pluralité de pixels, chaque pixel pouvant comporter au moins un capteur tel que décrit précédemment. Etant donné que dans un tel capteur les contraintes de surface sont très importantes, l'invention permet d'économiser une surface significative en utilisant un compteur plus petit que dans les circuits de lecture de bolomètre de l'art antérieur. La présente invention concerne également un procédé de comptage du nombre d'impulsions x d'un signal s produit par un capteur électronique pendant une durée de capture donnée, tel que a' BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un bolomètre et circuit de lecture de ce bolomètre qui comporte un compteur, - la figure 2 représente un compteur logique asynchrone selon l'art antérieur, - les figures 3A et 3B représentent des comportements de compteurs numériques à n bits et à n-2 bits durant une même durée de comptage, - la figure 4 représente un compteur analogique du circuit de lecture de bolomètre de la figure 1, objet de la présente invention, - la figure 5 représente les comportements de compteurs analogiques à condensateur de capacité Cl 20 et de compteurs analogiques à condensateur de capacité C2, avec C2 Un circuit de lecture de bolomètre de l'art antérieur comporte un compteur à n bits, avec n tel que, pour un signal obtenu en sortie du comparateur comportant par exemple un nombre maximal Y d'impulsions pendant la durée de comptage t, on est la relation Plus précisément, pour une température de référence Tref, le nombre d'impulsions produites par le capteur pendant la capture est égal à un nombre nref qui est fonction du courant de polarisation traversant le bolomètre 101 et de la tension de référence Vref appliquée en entrée du comparateur 106. Lorsque la température mesurée par le bolomètre 101 varie par rapport à Tref, dans une plage de températures comprises entre T1 et T2 incluant Tref, le nombre d'impulsions produites par le comparateur 106 varie dans une plage définie par des bornes a et b, avec a et b nombres entiers naturels non nuls et a De manière générale, il est possible de déterminer le nombre de bits minimum m d'un compteur numérique pour réaliser le comptage du nombre d'impulsions d'un signal s comportant x impulsions pendant une durée de comptage t, tel que a-d Dans cet exemple de réalisation, une augmentation de la température de 50 K par rapport à une température de référence représente une augmentation de 1,2 % du courant total circulant dans le bolomètre 101 qui est converti ensuite par le comparateur 106 en impulsions. A ce courant utile qui (2), porte l'information de la variation température, s'ajoute les variations du courant liées aux dispersions technologiques du bolomètre 101 et des éléments du circuit de lecture (notamment celles du condensateur 104) ce qui correspond ici à environ 10 % du courant de polarisation. On peut donc obtenir des valeurs de courant allant de 90 % jusqu'à 111,2 % du courant de polarisation de référence obtenu pour la température de référence Tref sans dispersions technologiques, cette gamme de variation s'appliquant directement sur le nombre d'impulsions obtenues en sortie du comparateur 106. Dans cet exemple, la plage [a ; b] de valeurs de courant correspond à la plage [100% ; 101,2%] du courant de polarisation de référence. Le nombre d'impulsions d correspond à une variation de 10% du courant de polarisation de référence. La plage de variation totale du nombre d'impulsions [(a-d) ; (b+d) ] correspond à la plage [90% ; 111,2%] du courant de polarisation de référence. La figure 3A représente les comportements d'un premier ensemble de capteurs incluant des compteurs comportant n bits et d'un second ensemble de capteurs incluant des compteurs comportant m bits, avec m = n - 2, lors d'un comptage d'impulsions, l'axe des ordonnées représentant le nombre indiqué par le compteur à la fin de la durée de comptage, l'axe des abscisses représentant le nombre d'impulsions fournies par le comparateur pendant la durée de comptage. Les points 202 représentent les différentes valeurs indiquées par les compteurs à n bits au bout d'un temps de capture déterminé. Les points 204 représentent les différentes valeurs des compteurs à n-2 bits pour un temps de capture identique. On suppose pour chaque ensemble de capteurs que les dispersions technologiques et les variations de température relevées par les différents capteurs de cet ensemble sont identiques. On considère donc que les nombres d'impulsions délivrées en sortie des comparateurs d'un ensemble sont statistiquement identiques à ceux de l'autre ensemble. On voit sur la figure 3A que les compteurs à n-2 bits ont vu trois dépassements de leur capacité de comptage maximale durant la période de comptage, les mesures se trouvant au niveau du quatrième cycle des compteurs. Pour ces deux ensembles de compteurs, les points sont dispersés autour d'une valeur que l'on maîtrise : en effet, le choix de la tension de grille Vg du transistor NMOS de sélection 102, permet de déterminer le courant moyen passant dans le bolomètre 101 et donc la valeur moyenne du compteur à la fin du temps de capture. Enfin, les points 202 et 204 ont des ordonnées comprises respectivement entre deux valeurs frontières Min1/Maxi et Min2/Max2 représentant les nombres minimal et maximal d'impulsions fournies par le comparateur, c'est-à-dire les variations possibles du courant circulant dans le bolomètre 101. On notera que l'excursion des valeurs de chaque ensemble de points 202 et 204, c'est-à-dire (Maxi_ - Min1) des points 202 et (Max2 - Min2) des points 204, est identique. Par conséquent, la sensibilité, ou la résolution, des capteurs à n bits est identique à celle des capteurs à n-2 bits selon la présente invention. Dans l'exemple décrit ci-dessus où les dispersions technologiques représentent 10 % du signal de référence (signal obtenu en mesurant Tref, sans dispersions technologiques), auxquelles s'ajoute une variation allant de 0 à 1,2 % en fonction de la température mesurée, on peut définir, pour un compteur n bits couvrant jusqu'à 115 % du signal de référence, le nombre de bits c maximal que l'on peut économiser par une équation analogue à l'équation (2) susmentionnée. 100 Le rapport : = 5,42 est ((1,2-0)+2x10) compris entre 2 et 2(0+1) Or, on a la relation 22 La figure 3A représente le cas où, avec un compteur pouvant quantifier la totalité des impulsions, c'est-à-dire comportant n bits, la valeur Maxi_ du nombre d'impulsions comptées est proche de la valeur 2 . On voit que dans ce cas, pour le compteur à m = n - 2 bits, toutes les valeurs de comptage se trouvent sur un même cycle de comptage. Le gain en nombre de bits réalisé n'implique pas que les valeurs dispersées en fin du temps de capture soient sur le même cycle de comptage d'un compteur n - 2 bits. Il est envisageable qu'une partie des valeurs de comptage soit sur un cycle, tandis que l'autre partie se trouve sur le cycle suivant, comme cela est montré sur la figure 3B qui représente les comportements de compteurs n bits et de compteurs m bits avec m = n - 2. Si les conditions énoncées ci-dessus, en relation avec les équations (1) et (2), sont vérifiées, les valeurs de comptage (en ordonnées) obtenues sur un cycle sont différentes de celles obtenues sur un cycle suivant. Il est ainsi possible de différencier ces valeurs de comptage. Dans l'exemple donné précédemment, m est choisi avec la valeur m = n - 2. Toutefois, cette valeur représente le nombre de bits minimum du compteur. Il est possible que le compteur comporte un nombre de bits supérieur, par exemple m = n - 1. Selon un second mode de mise en oeuvre de l'invention, le compteur du capteur comporte un nombre de bits qui est identique au nombre de bits n tel que défini ci-dessus pour un capteur classique, par l'équation 2` ' Afin qu'il n'y ait pas de recouvrement possibles entre des valeurs de compteur obtenues pour des cycles de comptage différents, le capteur 100 vérifie la condition suivante : (b' - a') Le compteur 114 comporte un condensateur de comptage 118 placé entre la masse et le drain d'un transistor PMOS 120. Une source de courant, non représentée, est de préférence placée entre la source du transistor 120 et la tension d'alimentation. La grille de ce transistor PMOS 120 est reliée à une entrée 122 du compteur 114. Le drain du PMOS 120 est également relié à une entrée, par exemple l'entrée inverseuse, d'un comparateur 126. Une seconde entrée du comparateur 126 est reliée à un générateur de tension 134 fournissant une tension de référence. La sortie du comparateur 126 est reliée à l'entrée d'un inverseur 128. La sortie de cet inverseur 128 est reliée à une entrée d'une porte logique OU 132. Une autre entrée de la porte logique OU 132 permet, en appliquant un signal d'initialisation sur cette entrée, de décharger le condensateur 118 et donc de réinitialiser le comptage. La sortie de la porte logique OU 132 est reliée à la grille d'un transistor NMOS 130, le drain de ce transistor NMOS 130 étant relié au condensateur 118. Le transistor 130 et le condensateur 118 sont ainsi placés en parallèle entre la masse et un noeud 124 constituant la sortie du compteur. Ainsi, à chaque impulsion reçue sur la grille du PMOS 120, celui-ci devient passant, stockant une certaine quantité de charges, parexemple appelée paquet et comportant environ 2000 électrons, dans le condensateur 118. La tension aux bornes du condensateur 118 étant proportionnelle à la quantité de charges stockées dans le condensateur 118, le nombre de paquets de charges représente le nombre d'impulsions comptées. En connaissant la quantité de charges, ou la tension aux bornes du condensateur 118, correspondant à une impulsion, il est possible d'en déduire le nombre d'impulsions reçues en mesurant la tension aux bornes du condensateur 118. Le comparateur 126 compare la tension aux bornes du condensateur 118 avec la tension de référence, par exemple égale à environ 2 V, appliquée par le générateur de tension 134. Lorsque la tension aux bornes du condensateur 118 atteint la tension de référence, le comparateur fait commuter le NMOS 130, déchargeant le condensateur 118. Ainsi, comme pour le compteur numérique décrit plus haut, en choisissant une capacité de stockage C2 du condensateur plus faible que la capacité de stockage Cl nécessaire pour compter toutes les impulsions sans réinitialisation du comptage, le comptage est réalisé sur plusieurs cycles de charge du condensateur. Comme représenté sur la figure 5, les points 206 représentent des valeurs de tensions aux bornes de condensateurs de capacité Cl appartenant à un premier ensemble de capteurs. Les points 208 représentent les valeurs de tensions aux bornes de condensateurs de capacité C2 appartenant à un second ensemble de capteurs pour un temps de comptage identique. On voit que les condensateurs de capacité C2 ont été déchargés deux fois, les valeurs de comptage se trouvant au niveau du troisième cycle des compteurs correspondant. Il est donc possible d'utiliser une capacité plus petite tout en assurant une sensibilité identique du capteur. Avec un signal s comportant x impulsions sur une période de comptage t avec a' REVENDICATIONS 1. Capteur électronique (100) comportant au moins . - des moyens de capture produisant un signal s comportant x impulsions pendant une durée de capture donnée, tel que a' 2. Capteur (100) selon la revendication 1, les moyens de capture comportant au moins un bolomètre (101) à partir duquel est obtenu le signal s. 3. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, les moyens de comptage (114) comportant au moins un compteur analogique. 4. Capteur (100) selon la revendication 3, le compteur analogique comportant au moins un condensateur (118), la capacité de comptage maximale z des moyens de comptage (114) étant proportionnelle à la valeur de la capacité du condensateur (118), le nombredélivré en sortie (124) des moyens de comptage (114) étant une tension aux bornes du condensateur (118). 5. Capteur (100) selon la revendication 4, le compteur analogique comportant en outre : un comparateur (126) comprenant une première entrée reliée à des moyens d'application (134) d'une tension de référence, une seconde entrée reliée au condensateur (118) et une sortie reliée à une première entrée d'une porte logique OU (132), une seconde entrée de la porte logique OU (132) étant destinée à recevoir un signal de réinitialisation de comptage, - un transistor (130) de réinitialisation du condensateur (118) dont la grille est reliée à la sortie de la porte logique OU (132), - un transistor de comptage (120) dont le drain est relié à la seconde entrée du comparateur (126) et la grille est reliée à l'entrée (122) des moyens de comptage (114). 6. Capteur (100) selon la revendication 5, le compteur analogique comportant en outre un inverseur (128) disposé entre la sortie du comparateur (126) et la première entrée de la porte logique OU (132). 7. Capteur (100) selon l'une des revendications 1 ou 2, les moyens de comptage (114) comportant au moins un compteur numérique. 8. Capteur (100) selon la revendication 7, le compteur numérique comportant k bits tel que 2k = z, k étant choisi tel que m 9. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, les moyens de capture comportant au moins . - des moyens de comparaison (106 ; 102) comprenant une première entrée reliée à un condensateur (104), une seconde entrée reliée à des moyens d'application (108) d'une tension de référence et une sortie sur laquelle est délivré le signal s, - un transistor de recharge (110) dont la grille est reliée à la sortie du comparateur (106) et le drain est relié à la première entrée du comparateur (106), - un transistor de sélection (102) dont le drain est relié à la première entrée du comparateur (106), la source reliée à une charge variable (101), 26 une tension de polarisation étant appliquée sur la grille du transistor de sélection (102). 10. Capteur (100) selon la revendication 9, les moyens de comparaison (106) incluant un comparateur à hystérésis (106). 11. Capteur (100) selon l'une des revendications 9 ou 10, la charge variable (101) étant une thermistance, tel le bolomètre (101) lorsque les moyens de capture comporte un bolomètre. 12. Capteur (100) selon l'une des revendications 9 à 11, les moyens de comparaison comportant un comparateur (106) suivi d'un inverseur (112), le comparateur recevant la tension de référence sur son entrée positive, la grille du transistor PMOS (110) et l'entrée du compteur (114) étant reliées à la sortie de l'inverseur (112). 13. Capteur (100) selon l'une des revendications précédentes, ledit capteur (100) comportant un circuit de lecture d'un bolomètre (101). 14. Capteur d'images infrarouges, comportant une pluralité de pixels, chaque pixel comportant au moins un capteur (100) selon la revendication 13. 15. Procédé de comptage du nombre d'impulsions x d'un signal s produit par un capteur 30électronique pendant une durée de capture donnée, tel que a'