Brevet FR2988932A1 — publié le 20131004

DISPOSITIF DE POLARISATION DE PREAMPLIFICATEURS DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des circuits intégrés multicanaux, notamment en technologie CMOS ou BiCMOS, dédiés à la lecture de capteurs. La présente invention concerne un dispositif électronique de lecture d'au moins deux canaux d'acquisition. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION De manière classique, au sein d'un dispositif de lecture de canaux d'acquisition en microélectronique, un préamplificateur est placé en entrée de chaque canal d'acquisition associé à un capteur délivrant un signal électrique. La préamplification permet d'augmenter la puissance des signaux électriques délivrés par les capteurs. Comme le montre la figure 1, pour un dispositif LECT de lecture de N canaux d'acquisition C1, C2, ... CN, dédiés à la lecture de N capteurs CAP1, CAP2, ... CAPN, on trouve donc classiquement N préamplificateurs AMP1, AMP2, ... AMPN, identiques d'un canal à l'autre. L'étage d'entrée de chaque préamplificateur est généralement suivi d'un étage cascode CASC pour augmenter le gain en boucle ouverte et augmenter la dynamique de sortie. Un préamplificateur classique comporte un élément actif, généralement cascodé. La figure 2 montre un exemple d'un préamplificateur comportant un élément actif M1 polarisé en courant par une source de courant délivrant un courant Ipoi, suivi d'un étage cascode M2 polarisé en tension par une tension de polarisation Vpol, l'ensemble étant alimenté entre une première tension Vss et une deuxième tension VDD. Le signal à préamplifier est appliqué à l'élément actif M1 au niveau d'une entrée E0, et en ressort amplifié au niveau d'une sortie So. Cependant un préamplificateur à base d'inverseur CMOS présente des avantages par rapport au préamplificateur classique précédemment décrit, notamment sa transconductance double pour un même courant de polarisation, ce qui est avantageux en termes de bruit : le bruit équivalent en entrée est réduit dans le cas de l'inverseur pour un même courant de polarisation. Les montages inverseurs CMOS sont ainsi largement utilisés dans les circuits logiques et pour des applications analogiques. La principale difficulté d'utilisation d'un inverseur CMOS pour les applications analogiques est le contrôle du courant de polarisation, car contrairement aux applications logiques où le courant de polarisation statique est nul et où les transistors ne sont activés qu'au moment d'un changement d'état logique, il est nécessaire d'imposer un courant de polarisation facilement contrôlable pour fixer la transconductance du transistor PMOS et du transistor NMOS en fonction des caractéristiques de vitesse et de bruit souhaitées. L'utilisation d'un dispositif de polarisation comportant un régulateur de tension, avec pour référence un inverseur identique dont le courant est imposé, résout cette difficulté. Un tel dispositif de polarisation POL est décrit dans une publication d'Eric Vittoz : « CMOS et BiCMOS VLSI Design'91 », et est illustré dans la figure 3. Le signal d'un capteur CAP à préamplifier est appliqué à un inverseur INV de technologie CMOS, au niveau d'une entrée E1, et en ressort amplifié au niveau d'une sortie Si. Un régulateur de tension REG dont l'étage amplificateur est installé en parallèle de l'inverseur INV, et est relié à un inverseur de référence INV_REF identique à l'inverseur INV. Dans cet inverseur de référence INV_REF circule un courant Ipol imposé par une source de courant. L'inverseur de référence INV_REF et le régulateur de tension REG, sont alimentés entre une première tension VDD et une deuxième tension Vss. L'inverseur de référence INV_REF étant parcouru par un courant connu Ipoi, on obtient une tension de référence Vref à un point B, qui est le point de jonction entre l'inverseur de référence INV_REF et l'entrée de référence du régulateur de tension REG. L'application d'une tension régulée égale à Vref à l'inverseur INV à un point A, qui est le point de jonction entre l'inverseur INV et le régulateur de tension REG, permet d'imposer un courant traversant l'inverseur INV égal à lpol. Par ailleurs, le régulateur de tension REG sert à garantir une basse impédance au point A, pour obtenir une bonne réjection des variations de la tension d'alimentation VDD. Une telle régulation apporte donc une solution pour contrôler efficacement et de manière robuste le courant statique de polarisation de l'inverseur INV. L'inconvénient de cette solution vient du bruit inévitable apporté par le régulateur de tension REG intégré, par rapport à une source de tension externe. En effet, on pourrait réduire le bruit d'une source de tension externe par des filtrages à l'aide de capacités externes de forte valeur, mais ceci n'est pas possible dans le volume d'un circuit intégré. Une solution évidente pour réduire le bruit de la régulation est d'augmenter la puissance dissipée dans l'élément amplificateur du régulateur de tension REG, car en augmentant les courants de polarisation des éléments actifs bruyants, leur bruit équivalent en entrée diminue. La situation devient donc paradoxale : pour profiter d'une réduction potentielle du bruit en entrée apporté par l'inverseur INV pour un même courant de polarisation, par rapport à un préamplificateur classique tel que celui de la figure 2, il faut dissiper une puissance supplémentaire dans le régulateur de tension REG. Les contributions en bruit de la structure comportant l'inverseur INV et le régulateur de tension REG, et les contributions en bruit d'un préamplificateur classique formé d'un élément actif, sont comparées ci-après. La figure 4 propose un schéma simplifié du montage de la figure 3, pour déterminer la contribution en bruit du régulateur de tension REG. Le bruit intrinsèque du régulateur de tension REG est représenté par une source de bruit équivalente Vb, d'où il découle : VddINV = Vb ± Vref. On note que le bruit apporté par l'inverseur de référence INV_REF est négligé car il est aisé de le filtrer soit en interne, soit par une capacité externe. La contribution en bruit de l'inverseur de référence INV_REF est donc considérée comme nulle dans la suite de la description. La figure 5 montre un schéma équivalent petit signal du montage de la figure 4. La capacité du capteur CAP dont le signal est préamplifié par l'inverseur INV est notée Ce, les capacités des transistors N-MOS et P-MOS sont notées respectivement C1 et C2, les transconductances des transistors N-MOS et P-MOS sont notées gmINV et la charge est notée ZL. idl et id2 sont les représentations sous forme de sources de courant, des bruits introduits par le N-MOS et le P-MOS. Le bruit apporté par le régulateur de tension REG ramené en entrée de l'inverseur INV dépend de l'impédance du capteur CAP. Dans le cas d'un capteur CAP du type source de courant à forte impédance interne de nature capacitive, par exemple un détecteur de particule (photon ou particule chargée), la contribution en densité spectrale de bruit (en V2/Hz) du régulateur de tension REG est : Vs = VbZLgmINV Ce+C1- C2 Ce+C1+C2 Le bruit équivalent en entrée est : Vs Vb Ce+Ci - C2 = (car le gain en tension est 24_gmiNv). 2l_gmiNv 2 Ce +Ci+ C2 En prenant des hypothèses réalistes telles : Ce » C1, C2, il vient : ' Vb2 ve= 4 D'autre part, le bruit dû à l'inverseur INV ramené en entrée est : 25 VINA/ = 2kTy , (où gmiNv est la transconductance de chaque transconductance de gmlNv l'inverseur INV) car la densité spectrale de courant de bruit de chaque transistor I de l'inverseur INV est d2=4kTygmINV . Ve = D'autre part, le bruit ramené en entrée, dû à un préamplificateur classique composé d'un élément actif ELT parcouru par le même courant de polarisation que l'inverseur INV, est : VELT = 4kTy gmINV Pour conserver un avantage par rapport à un préamplificateur classique, la condition suivante doit donc être réalisée : -Vb2+ 2kTy 4kTy soit Vb2 2kTy 4 gmINV gmINV ' 4 gmlNv , 4kTy Or Vb- = , gmREG étant la transconductance des éléments actifs formant gmREG l'élément amplificateur du régulateur de tension REG. Pour conserver un avantage par rapport à un préamplificateur classique, la condition à réaliser est donc : gmINV agmREG- Le courant dans l'élément amplificateur du régulateur doit donc être au moins égal à celui de l'inverseur pour remplir cette condition dans la situation habituelle où cet amplificateur est basé sur une paire différentielle. Il en découle que pour conserver une performance en bruit au moins égale à celle obtenue avec un préamplificateur classique à un élément actif, l'utilisation du montage inverseur avec régulation intégrée amène à doubler le courant dissipé, donc la puissance dissipée. Ceci n'est plus une amélioration mais une détérioration de l'efficacité énergétique et le rapport de signal à bruit obtenu avec une puissance donnée est inférieur à celui obtenu avec un préamplificateur classique. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'objet de l'invention propose une solution pour polariser, ou réguler, des préamplificateurs à base d'inverseurs au sein d'un dispositif électronique de lecture de canaux d'acquisition, en minimisant son impact sur le rapport signal à bruit. Selon un premier aspect, l'invention concerne essentiellement un dispositif électronique de lecture d'au moins deux canaux d'acquisition, le dispositif comportant, pour chaque canal d'acquisition, un préamplificateur comportant un inverseur, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de polarisation commun à au moins deux des préamplificateurs. Grâce au dispositif selon l'invention, la régulation est moins bruyante car le dispositif de polarisation est mutualisé à plusieurs préamplificateurs, donc sa part de bruit rapportée à un canal s'en trouve diminuée. Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles : - le dispositif de polarisation comporte un régulateur de tension et un inverseur de référence, ledit inverseur de référence étant identique aux inverseurs des préamplificateurs. Ceci est une manière simple de réguler à la fois en tension et en courant des préamplificateurs à base d'inverseurs. - le dispositif de polarisation est monté en parallèle des préamplificateurs. Ainsi, le dispositif de polarisation peut consommer un courant suffisant pour diminuer son bruit propre. - le dispositif de polarisation est commun à au moins six préamplificateurs. Ceci est la condition à laquelle il est plus avantageux en termes de puissance dissipée et de rapport signal à bruit, d'utiliser des préamplificateurs à base d'inverseurs, polarisés via le dispositif de polarisation, plutôt que des préamplificateurs classiques. - le régulateur de tension est monté en série avec l'ensemble comportant les préamplificateurs. Ainsi, il n'y a pas de courant dérivé dans le régulateur de tension, donc pas d'augmentation de puissance dissipée et le courant disponible dans l'élément amplificateur du régulateur peut être égal à la somme des courants de polarisation des préamplificateurs, réduisant d'autant le bruit de ce régulateur. - les inverseurs sont réalisés en technologie CMOS. Les avantages de la technologie CMOS sont connus : faible coût de fabrication, densité d'intégration élevée, accès à des fonctions logiques intégrées pour la réalisation de circuits mixtes analogiques/numériques. - les inverseurs sont réalisés à l'aide de transistors bipolaires complémentaires issus d'une technologie BiCMOS. Les avantages de la technologie BiCMOS sont connus : ils combinent les avantages de la technologie CMOS et de la technologie bipolaire, utiles pour la réalisation de circuits rapides. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : - à la figure 1, déjà décrite, un dispositif de lecture de canaux d'acquisition ; - à la figure 2, déjà décrite, un préamplificateur classique comportant un élément actif ; - à la figure 3, déjà décrite, un dispositif de régulation pour un préamplificateur à base d'inverseur CMOS ; - à la figure 4, déjà décrite, une représentation simplifiée du montage de la figure 3; - à la figure 5, déjà décrite, un schéma équivalent petit signal du montage de la figure 4 ; - à la figure 6, un dispositif de polarisation d'une pluralité de préamplificateurs à base d'inverseurs, appartenant à un dispositif de lecture de canaux d'acquisition, selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - à la figure 7, un dispositif de polarisation d'une pluralité de préamplificateurs à base d'inverseurs, appartenant à un dispositif de lecture de canaux d'acquisition, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Une partie d'un dispositif de lecture DISP de N canaux d'acquisition selon un premier mode de réalisation de l'invention, est représentée à la figure 6. Le dispositif de lecture DISP comporte : - N préamplificateurs AMPi, chaque préamplificateur AMP; étant installé en sortie d'un capteur non représenté, et en entrée d'un canal d'acquisition non représenté. Un préamplificateur AMP; correspond donc à un capteur et à un canal d'acquisition. Chaque préamplificateur AMP; comporte un inverseur INV;. - Un dispositif de polarisation POL tel que celui décrit précédemment, et représenté à la figure 3, comportant : o Un régulateur de tension REG o Un inverseur de référence INV REF o Une source de courant Ipoi Dans ce premier mode de réalisation, le régulateur de tension REG et l'inverseur de référence INV REF, sont alimentés entre une première tension VDD et une deuxième tension Vss. La tension appliquée aux préamplificateurs AMP; grâce au dispositif de polarisation est VddiNv, comme expliqué précédemment. On note que dans ce premier mode de réalisation, le dispositif de polarisation POL est monté en parallèle sur les préamplificateurs AMPi. A partir des calculs précédents permettant de comparer un préamplificateur classique à un ensemble amplificateur à base d'inverseur avec régulateur, une généralisation à l'ensemble des N inverseurs INV; associés à un seul dispositif de polarisation POL, en conservant une même puissance allouée par canal Po, est réalisée ci-après. Dans les expressions qui suivent, la notation g,(I) signifie que la transconductance g, d'un transistor est fonction du courant de polarisation I qui le traverse. Pour un préamplificateur classique : - la puissance dissipée est Po, correspondant à un courant de polarisation 10. On a P0=10.(VDD-Vss)- - la densité spectrale de bruit ramenée en entrée vaut 4kTy gm(le) Pour les N préamplificateurs AMP; à base d'inverseurs INVi, avec le dispositif de polarisation POL : la puissance dissipée est : NP0=NPo'+PREG, avec Po'=10'.(VDD-Vss), 10' étant le courant de polarisation qui parcourt un préamplificateur AMPi, et PREG=IREG.(VDD-Vss) étant la puissance consommée par l'élément amplificateur du régulateur de tension REG ; _ la densité spectrale de bruit ramenée en entrée vaut : 2kTy + Vb2 2kTy kTy = gm(10') 4 g, (10') g m 1REG ) 2 car l'élément amplificateur du régulateur de tension REG étant un amplificateur différentiel, le courant disponible par élément actif est IREG On note que pour les mêmes raisons que précédemment, la contribution en bruit de l'inverseur de référence INV REF est donc considérée comme nulle. 2 Pour conserver un avantage par rapport à un préamplificateur classique, il faut donc réaliser la condition : 2kTy kTy 1, où 10 est le courant traversant un lo 10' N o' préamplificateur classique, et Id est le courant traversant un préamplificateur AMP; à base d'inverseur INVi. 21 ' I La quantité '1-F '=1 est minimale lorsque '=1I =Nk . Pour cette valeur '=1I =Nk , Io Io' Io' 101 on obtient alors la plus petite valeur de N satisfaisant l'inégalité, ce qui conduit à I\16. Le bruit de l'inverseur, en valeur efficace, est alors 84% du bruit du préamplificateur classique avec la même consommation apparente. La valeur limite du bruit en conservant la même consommation apparente par canal, quand N augmente, est 71% (- 1 ). Si l'on souhaite limiter la puissance en conservant le N/2 même bruit qu'avec une architecture classique, on obtient un gain de 50% sur la puissance consommée. Dans un deuxième mode de réalisation est représenté à la figure 7, si l'inverseur de référence INV_REF est toujours alimenté entre la première tension VDD et la deuxième tension Vss, le régulateur de tension REG est, lui, alimenté entre la première tension VDD et la tension VddINV. Ainsi, le régulateur de tension REG est alimenté en série avec les préamplificateurs AMPi, il n'y a donc pas de courant dérivé dans le régulateur de tension REG. Le courant dérivé dans l'inverseur de référence INV_REF est quant à lui très faible, on le négligera. Le courant disponible dans le régulateur de tension REG est alors N.10'. A puissance égale, le bruit du montage décrit à base d'inverseurs, par rapport au bruit de l'architecture classique est : 1 1 Vb(INV) .\/1+ N ce qui tend rapidement vers 70% (-,_ ), et Vb(classique) - N/i ' N/2 l'amélioration d'un tel dispositif par rapport à un préamplificateur classique est immédiate à partir de N=2. L'invention propose donc une solution pour polariser des préamplificateurs à base d'inverseurs au sein d'un dispositif électronique de lecture de canaux d'acquisition, sans affecter le rapport signal à bruit. Le même rapport signal à bruit peut être obtenu avec une puissance consommée égale à 50% de celle de l'architecture classique. REVENDICATIONS1 - Dispositif (DISP) électronique de lecture d'au moins deux canaux d'acquisition, le dispositif (DISP) comportant, pour chaque canal d'acquisition, un préamplificateur (AMP;) comportant un inverseur (INV;), le dispositif (DISP) étant caractérisé en ce qu'il comporte en outre un dispositif de polarisation (POL) commun à au moins deux des préamplificateurs (AMPi). 2 - Dispositif (DISP) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation (POL) comporte un régulateur de tension (REG) et un inverseur de référence (INV REF), ledit inverseur de référence (INV_REF) étant identique aux inverseurs (INV;) des préamplificateurs (AMPi). 3 - Dispositif (DISP) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation (POL) est monté en parallèle des préamplificateurs (AMPi). 4 - Dispositif (DISP) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de polarisation (POL) est commun à au moins six préamplificateurs (AMPi). 5 - Dispositif (DISP) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le régulateur 20 de tension (REG) est monté en série avec l'ensemble comportant les préamplificateurs (AMPi). 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les inverseurs (INV;) sont réalisés en technologie CMOS. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les 25 inverseurs (INV;) sont réalisés en technologie BiCMOS.