Brevet FR3015666A1 — publié le 20150626

B12423 - DD14313 1 CIRCUIT DE MESURE POUR DÉTECTEUR BOLOMÉTRIQUE Domaine La présente description concerne de façon générale les circuits électroniques et, plus particulièrement, un circuit de mesure exploitant un capteur résistif de type bolomètre. L'invention concerne plus particulièrement la réalisation d'un imageur infrarouge. Exposé de l'art antérieur Un bolomètre est un élément résistif dont la valeur varie avec la température. Dans un imageur thermique, les résistances respectives de différents bolomètres, généralement disposés en matrice dans laquelle chaque bolomètre représente un pixel, varient avec un flux infrarouge provenant de la scène visée. Pour exploiter la valeur captée par un bolomètre, on 15 impose généralement une tension afin de mesurer le courant traversant l'élément résistif. La figure 1 représente, de façon schématique, un exemple usuel de circuit 1 de mesure utilisant un bolomètre 2. Le bolomètre 2 est exposé à la zone dont on souhaite 20 capter le rayonnement infrarouge. La résistance du bolomètre varie en fonction de l'échauffement donc du rayonnement infrarouge reçu, mais également, au premier ordre, de la température B12423 - DD14313 2 du circuit lui-même, qui est susceptible de varier sans relation avec la scène visée. Le bolomètre 2 est connecté en série avec un élément de référence 3 constitué d'un bolomètre du même type que 5 l'élément 2, et dont le rôle est d'isoler, du courant Ibol traversant le bolomètre 2, la portion qui représente le courant de rayonnement utile. L'élément de référence 3 n'est pas sensible au rayonnement infrarouge de la scène à mesurer. Typiquement, on utilise un bolomètre, écranté par un écran 10 thermique qui masque l'élément résistif 3, ou un bolomètre modifié pour avoir une conductance thermique très élevée et qui est très fortement influencé par la température du circuit (bolomètre de compensation). Pour permettre la mesure, les bolomètres 2 et 3 15 doivent voir, à leurs bornes, une tension fixe identique. Pour cela, chaque bolomètre est généralement en série avec un transistor MOS, respectivement 8, 9, par exemple à canal P pour le bolomètre 2 et à canal N pour le bolomètre 3. Le transistor 9 est connecté entre le transistor 8 et le bolomètre 3, connecté à 20 la masse. Le transistor 8, respectivement 9, reçoit sur sa grille une tension de polarisation polP, respectivement polN, correspondant, au premier ordre, à la tension souhaitée aux bornes du bolomètre concerné à une tension de seuil de transistor près. Les signaux de polarisation sont générés de 25 sorte que le bolomètre de référence 3 voit à ses bornes une tension de même valeur que le bolomètre de mesure 2 et se trouve traversé par un courant Iref. Le courant Iu prélevé au point milieu 4 de l'association en série des bolomètres (dans l'exemple représenté 30 en figure 1, entre le transistor 8 et le transistor 9, est exploité en tant que courant représentatif du rayonnement infrarouge reçu par le bolomètre 2. Le procédé ci-dessus est généralement dénommé ébasage, le courant Iu étant un courant "ébasé". En considérant que les bolomètres 2 et 3 sont 35 rigoureusement identiques et qu'ils subissent le même environ- B12423 - DD14313 3 nement thermique local, le courant Iu ne dépend que de l'échauffement dû au rayonnement reçu par le pixel. On utilise un intégrateur, symbolisé sous la forme d'un amplificateur opérationnel 5 dont une entrée 51, par 5 exemple inverseuse (-), est reliée au point milieu 4 entre les éléments 2 et 9 et dont une entrée 52, par exemple noninverseuse (+), reçoit une tension de repos Vref. La sortie 53 de l'amplificateur 5 est rebouclée sur son entrée 51 par un élément capacitif C. Un interrupteur K1, commandé par un signal 10 RST, définit la période d'intégration en réinitialisant périodiquement la tension de sortie Vout à la valeur Vref. La tension de sortie Vout est convertie numériquement (convertisseur analogique/numérique 6, ADC) au rythme des périodes d'intégration, un interrupteur K2 étant intercalé entre 15 la sortie de l'amplificateur 5 et un condensateur 7 placé sur l'entrée du convertisseur 6 et étant fermé par un signal de commande CTRL à chaque fin de période d'intégration pour commander la conversion. La figure 2 illustre, de façon très schématique, une 20 réalisation d'un imageur bolométrique. Un tel imageur est constitué d'une matrice de cellules 10 organisées en lignes et en colonnes, chaque cellule 10 incorporant un élément bolométrique 2. Plusieurs éléments bolométriques 2 d'une même colonne partagent un même circuit de mesure 1 du type illustré 25 en relation avec la figure 1. Des circuits de sélection non représentés permettent de sélectionner individuellement les bolomètres d'une même colonne pour une mesure par leur circuit commun. Une difficulté réside dans le fait que l'échauffement 30 du bolomètre de mesure 2 se traduit en une différence de température très faible d'un pixel à l'autre de la structure d'imageur, la résistance du bolomètre étant essentiellement dépendante de la température du circuit. Par conséquent, pour pouvoir exploiter les mesures, le circuit 1 doit être très 35 sensible. En particulier, l'intégrateur 5 doit présenter un gain B12423 - DD14313 4 élevé. Une conséquence est qu'il devient alors sensible à la précision de l'ébasage (compensation opérée par l'élément de référence 3). Par ailleurs, il est généralement nécessaire de prévoir un élément de régulation de la température du circuit du fait des variations importantes de température susceptibles de provoquer des erreurs de mesure. Ainsi, la moindre dispersion technologique entre les bolomètres engendre une différence importante dans les réponses des pixels. Par ailleurs, la précision souhaitée entraîne un risque de saturation de l'intégrateur en cas d'erreur d'ébasage. Résumé Un mode de réalisation de la présente description vise un circuit de mesure pour capteur résistif qui pallie tout ou 15 partie des inconvénients des circuits de mesure usuels. Un autre mode de réalisation vise à proposer une solution évitant tout risque de saturation de la cellule d'intégration en cas d'imprécision du courant d'ébasage. Un autre mode de réalisation vise à proposer une 20 solution évitant le recours à un convertisseur analogique-numérique précis en sortie de l'intégrateur. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un circuit de mesure pour capteur résistif, comprenant : un intégrateur d'une information représentative de la 25 différence entre un courant traversant le capteur et un premier courant de référence ; et un circuit d'asservissement de la sortie de l'intégrateur sur un niveau de référence. Selon un mode de réalisation, ledit circuit 30 d'asservissement asservit le premier courant de référence sur la sortie de l'intégrateur. Selon un mode de réalisation, le circuit comporte : un élément de conversion analogique-numérique du niveau de sortie de l'intégrateur ; et B12423 - DD14313 un convertisseur numérique-analogique de la sortie dudit élément pour générer ledit premier courant de référence. Selon un mode de réalisation, ledit élément de conversion est un comparateur du niveau de sortie de 5 l'intégrateur par rapport à un seuil. Selon un mode de réalisation, ledit élément de conversion est un convertisseur analogique-numérique sur plusieurs bits. Selon un mode de réalisation, ledit élément de 10 conversion est commandé par un signal périodique ayant une fréquence supérieure à une fréquence de réinitialisation (RST) de l'intégrateur. Selon un mode de réalisation, ledit convertisseur numérique-analogique reçoit une information représentative d'un 15 deuxième courant de référence. Selon un mode de réalisation, le premier courant de référence vaut, selon l'état de sortie de l'élément de conversion, 1-1/n fois ou 1+1/n fois le deuxième courant de référence, n représentant un entier. 20 Selon un mode de réalisation, le deuxième courant de référence est fourni par un bolomètre écranté. Selon un mode de réalisation, le deuxième courant de référence est fourni par un bolomètre fortement couplé thermiquement avec la température du circuit. 25 Selon un mode de réalisation, l'état de sortie de l'élément de conversion analogique-numérique fournit une information représentative de la mesure. Un mode de réalisation prévoit également un imageur thermique comportant un ensemble de circuits tel que ci-dessus. 30 Selon un mode de réalisation, le deuxième courant de référence est commun à plusieurs convertisseurs numérique-analogique. Un mode de réalisation prévoit un procédé de mesure d'une résistance d'un bolomètre au moyen d'un intégrateur, dans 35 lequel un premier courant de référence, soustrait au courant B12423 - DD14313 6 fourni par le bolomètre, est asservi sur la sortie de l'intégrateur. Brève description des dessins Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, 5 seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 décrite précédemment représente de façon très schématique un exemple classique de circuit de mesure d'un 10 élément bolométrique ; la figure 2 décrite précédemment illustre un exemple d'imageur bolométrique matriciel ; la figure 3 représente un mode de réalisation d'un circuit de mesure pour élément thermorésistif de type 15 bolomètre ; la figure 4 illustre par des chronogrammes le fonctionnement du circuit de la figure 3 ; la figure 5 représente un mode de réalisation d'un détail de la figure 3 ; 20 la figure 6 illustre le fonctionnement du circuit de la figure 5 ; et la figure 7 représente un autre mode de réalisation d'un détail de la figure 3. Description détaillée 25 De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation qui vont être décrits ont été représentés et seront détaillés. En particulier, l'exploitation des mesures effectuées pour 30 reconstituer des images n'a pas été détaillée, les modes de réalisation décrits étant compatibles avec l'exploitation usuelle de mesures fournies par des imageurs bolométriques. De plus, lorsque l'on fait référence aux expressions "approximativement", "de l'ordre de" ou "environ", cela signifie à 10% B12423 - DD14313 7 près, et lorsque l'on mentionne une identité ou une égalité, cela signifie aux dispersions technologiques près. La figure 3 représente, de façon schématique, un mode de réalisation d'un circuit 20 de mesure de la résistance d'une thermistance de type bolomètre. On retrouve un élément de mesure 2 constitué d'un bolomètre dont la tension V à ses bornes est contrôlée. Pour simplifier, on se contente de représenter une tension V aux bornes du bolomètre 2, l'exemple d'un transistor en série avec le bolomètre tel que décrit en figure 1 pouvant également s'appliquer ici. La tension V est typiquement de l'ordre de 1 à 2 volts. On retrouve également un montage intégrateur basé sur un amplificateur opérationnel 5 dont les bornes de sortie 53 et d'entrée inverseuse 51 (-) sont interconnectées par un élément capacitif C susceptible d'être court- circuité à l'aide d'un interrupteur K1 commandé par un signal RST définissant les périodes d'intégration, et dont la borne d'entrée non-inverseuse (+) reçoit un potentiel continu de référence Vref5. Selon ce mode de réalisation, une source de courant 24, prélevant un courant d'ébasage Id, est connectée à l'entrée 51 de l'amplificateur 5 (point milieu 4 de l'association en série du bolomètre 2 et de la source de courant d'ébasage) et la valeur du courant d'ébasage est asservie sur l'évolution de la tension de sortie Vout du montage intégrateur. Plus précisément, selon le mode de réalisation de la figure 3, la borne de sortie 53 de l'amplificateur 5 est connectée à une première entrée d'un comparateur 22 (COMP), dont une deuxième entrée reçoit un potentiel de référence Vrefc, de préférence identique au potentiel Vref5. Le comparateur 22 est commandé par un signal d'activation CK périodique, de fréquence supérieure à la fréquence d'intégration définie par le signal RST. Plus généralement, la sortie de l'intégrateur 5 est traitée par un élément de conversion analogique-numérique sur un ou plusieurs bits. B12423 - DD14313 8 La sortie de cet élément (ici, le comparateur 22) est fournie en entrée d'un circuit 24 de génération du courant d'ébasage Id, asservi sur la valeur de la tension de sortie Vout. Le niveau de repos du circuit de génération du courant d'ébasage est, par exemple, fourni par une source de courant de valeur Iref. Le circuit 24 constitue un convertisseur numérique-analogique traitant le signal numérique fourni par l'élément 22 pour générer le courant d'ébasage. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 3, le courant Iref est extrait d'un bolomètre de référence 3, par exemple écranté ou fortement couplé thermiquement à la température du circuit, c'est à dire sensible à la température du circuit uniquement. Ce bolomètre 3 est connecté au convertisseur 24 par l'intermédiaire d'un montage 26 de miroir de courant (MIR). Comme pour le bolomètre 2, le bolomètre est symbolisé par une résistance variable présentant, à ses bornes, une tension V approximativement fixe. La figure 4 illustre, sous forme de chronogrammes, le fonctionnement du montage de la figure 3. Un premier chrono- gramme représente un exemple de valeurs de la tension Vout fournie en sortie de l'intégrateur 5, pour une valeur donnée du de courant de référence Iref. On se place donc en régime établi, c'est-à-dire que l'on suppose que la valeur Iref est stable (que la température ne varie pas) dans la plage temporelle repré- sentée. En pratique, la valeur Iref est susceptible de varier. Un deuxième chronogramme fournit un exemple du niveau V22 fourni en sortie du comparateur 22. Un troisième chronogramme illustre l'allure du signal CK périodique de déclenchement du comparateur 22. Dans cet exemple, on suppose un déclenchement de la comparaison sur le front montant du signal d'horloge CK. La période du signal CK est inférieure à la période du signal RST fixant les durées d'intégration, typiquement dans un rapport de 128 à 512, de préférence représentant une puissance de 2 pour simplifier le traitement numérique. B12423 - DD14313 9 On suppose une diminution de la résistance du bolomètre 2 se traduisant, côté tension de sortie, par une augmentation de la tension Vout. En l'absence du dispositif de contre-réaction, cette tension augmenterait (pointillés p) 5 jusqu'à atteindre la tension d'alimentation Vdd d'où une saturation de l'intégrateur. Grâce au comparateur 22 et à la contre-réaction sur le convertisseur 24, la tension Vout oscille autour du niveau Vrefc. Cela se traduit, sur la tension de sortie du comparateur 22, par un signal numérique qui peut être 10 interprété comme un train de bits fournissant, sur la période d'intégration fixée par le signal RST, une valeur numérique représentative de la résistance du bolomètre donc de la mesure effectuée. Dans l'exemple de la figure 3, la sortie du 15 comparateur 22 fournit le résultat de la mesure effectuée par le bolomètre sous la forme d'un train de bits à la fréquence du signal CK. Ce signal est traité par un filtre numérique 28 (FILTER) pour fournir, au reste de l'application, la valeur de l'éclairement infrarouge reçue par le pixel. Ce filtrage 20 numérique est de type passe-bas et prend, par exemple, la forme d'un compteur ou d'un intégrateur. L'intégrateur ou le compteur est alors réinitialisé avec la même périodicité que la période d'intégration (signal RST de commande de l'interrupteur K1). En variante, la sortie 53 de l'amplificateur 5 est 25 traitée par un circuit (interrupteur K2 et convertisseur 6) du type de ceux décrits en relation avec la figure 1, par exemple afin d'affiner l'estimation numérique résultant du filtrage numérique de la sortie du comparateur. La figure 5 représente un mode de réalisation du 30 circuit 24, associé à un exemple de réalisation du circuit 26. Selon cet exemple, on utilise n transistors MOS N1, N2,..., Nn en parallèle entre la borne 262 d'application du courant Iref provenant de l'élément 3 et la masse, les grilles de ces transistors étant interconnectées et reliées à la borne 262 35 (transistors montés en diodes). La borne 262 est reliée à une B12423 - DD14313 10 borne 244 fournissant, au circuit 24, une tension V(Iref). La borne 244 est reliée aux grilles de deux ensembles de transistors du convertisseur 24 pour réaliser, avec le circuit 26, le miroir de courant. Un premier ensemble comporte n-1 transistors N' connectés en parallèle dont les grilles sont interconnectées au noeud 244, dont les sources sont connectées à la masse et dont les drains sont interconnectés à la borne 242 de sortie analogique du convertisseur 24. Un deuxième sous-ensemble comporte deux transistors N"1 et N"2 connectés en parallèle entre un interrupteur K3 et la masse et dont les grilles sont interconnectées au noeud 244, l'interrupteur K3 reliant le deuxième ensemble à la borne 242 (en variante, l'interrupteur K3 est côté masse). En utilisant des transistors N, N' et N" de taille identique, le courant traversant chacun des transistors N et N' vaut Iref/n et l'ensemble des transistors N' est traversé par un courant (n-l/n)Iref. Quand l'interrupteur K3 est fermé, chacun des transistors N" est également traversé par un courant Iref/n et un courant 2lref/n traverse l'ensemble des transistors N". Ainsi, le courant Id tiré par le convertisseur 24 sur le noeud 4 (courant d'ébasage asservi) prend une valeur (1-1/n)Iref lorsque l'interrupteur K3 est ouvert et une valeur (1+1/n)Iref lorsque l'interrupteur K3 est fermé. On voit donc qu'en fonction du résultat fourni en sortie du comparateur 22, le courant d'ébasage du bolomètre 2 va être modifié autour de la valeur Iref, ce qui réalise l'asservissement souhaité. On notera que la valeur Iref varie en fonction de la température de fonctionnement du circuit. La figure 6 illustre le fonctionnement du circuit de la figure 5. Cette figure représente deux exemples de plages de variation possible du courant Id pour deux valeurs Irefl et Iref2 prises par le courant Iref. Ces plages de variation 2Irefl/n et 2Iref2/n autour des valeurs respectives Irefl et Iref2 représentent les plages dans lesquelles évoluera le courant Ibol dans ces deux exemples. B12423 - DD14313 11 Le choix du nombre n dépend de la précision et de l'excursion souhaitée autour de la valeur du courant de référence Iref. Plus n est grand, meilleure est la précision (de la conversion analogique-numérique) mais moins le circuit est 5 robuste à l'imprécision de l'ébasage. Plus n est petit, plus grande est l'excursion autour de la valeur Iref, donc plus le circuit est robuste à l'imprécision de l'ébasage, mais moindre est la précision de la mesure. Ainsi, on effectue un compromis entre précision et excursion. A titre d'exemple particulier de 10 réalisation, le nombre n est compris entre 2 et 256, de préférence, entre 8 et 128. Selon une variante de réalisation, on pourra utiliser des transistors de tailles différentes ou un nombre de transistors N"2 différent (par exemple un seul transistor ou un 15 nombre de transistors N" supérieur à 2). Selon une autre variante, on pourra utiliser une source de courant autre qu'un bolomètre pour fournir le courant Iref. La figure 7 représente un autre mode de réalisation du circuit 24, Selon cet exemple, la tension V(Iref) fournie par le 20 miroir de courant 26 de la figure 3 sert de référence à deux convertisseur numérique-analogique 24' et 24" (IDAC2 et IDAC1) de génération du courant d'ébasage. Un premier convertisseur 24' reçoit un mot numérique à convertir d'un convertisseur analogique-numérique 27 (ADC) remplaçant le comparateur 22 de la figure 3. 25 Le convertisseur 27 échantillonne le signal à une fréquence supérieure à la fréquence de réinitialisation (RST) de l'intégrateur 5. Un second convertisseur 24" reçoit un mot numérique de consigne CMD fixe (statique) et sert à générer un courant de repos auquel s'ajoute la variation générée par le convertisseur 30 24'. Dans l'exemple de la figure 7, un filtre numérique 28' (FILTER) réalise une fonction de filtrage similaire à celle du convertisseur 28 de la figure 3 mais à partir d'un mot de plusieurs bits reçu en parallèle. Le cas échéant, un filtre numérique additionnel 29 (FILTER, en pointillés en figure 7) est 35 intercalé entre les convertisseurs 27 et 24'. Ce mode de B12423 - DD14313 12 réalisation permet d'augmenter la capacité de réglage des pentes d'évolution du signal Vout, ce qui augmente le nombre de commutations autour de la valeur Vref5 en sortie de l'amplificateur 5, et ainsi la précision. Le cas échéant, un même convertisseur analogique- numérique est utilisé soit en boucle ouverte comme en figure 1 (convertisseur 6) soit dans la boucle de régulation (convertisseur 27). Le circuit de mesure 1 possède alors deux modes de fonctionnement. Un avantage des modes de réalisation qui ont été décrits est qu'il est désormais possible de s'affranchir des problèmes de saturation des circuits de mesure des bolomètres. Bien que l'on puisse affecter un bolomètre de référence à chaque pixel, le bolomètre de référence peut désormais facilement être partagé entre plusieurs circuits 20 dans un agencement matriciel, voire même pour l'ensemble de la matrice. Dans ce dernier cas, la surface occupée par l'ensemble de l'imageur se trouve considérablement réduite. Selon une autre variante, on pourra utiliser plusieurs 20 bolomètres de référence (de préférence, partagés par plusieurs circuits 20) en les moyennant pour améliorer encore la précision. Un autre avantage est que le circuit décrit est compatible avec les circuits habituellement utilisés en aval des 25 circuits de mesure et en particulier avec tout traitement effectué côté numérique sur l'interprétation des mesures. Un autre avantage est que la mise en oeuvre ne nécessite pas de modifier les signaux de commande définissant la période d'intégration. Seul le signal d'horloge de l'élément de 30 conversion analogique-numérique 22 ou 27 doit être prévu. Un autre avantage est qu'il est désormais possible de se passer d'un élément de régulation de la température du circuit, ce qui constitue une économie importante. Divers modes de réalisation ont été décrits. Diverses 35 variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En B12423 - DD14313 13 particulier, la mise en oeuvre pratique des modes de réalisation qui ont été décrits est à la portée de l'homme du métier à partir des indications fonctionnelles données ci-dessus et en utilisant des techniques de conception en elles-mêmes usuelles. REVENDICATIONS1. Circuit de mesure pour capteur résistif (2), comprenant : un intégrateur (5) d'une information représentative de la différence entre un courant (Ibol) traversant le capteur et 5 un premier courant de référence (Id) ; et un circuit (22, 24 ; 27, 24') d'asservissement de la sortie de l'intégrateur sur un niveau de référence (Vref5). 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel ledit circuit d'asservissement (22, 24 ; 27, 24') asservit le premier 10 courant de référence (Id) sur la sortie de l'intégrateur (5). 3. Circuit selon la revendication 1 ou 2, comportant un élément (22, 27) de conversion analogique-numérique du niveau de sortie de l'intégrateur (5) ; et un convertisseur numérique-analogique (24, 24') de la 15 sortie dudit élément pour générer ledit premier courant de référence (Id). 4. Circuit selon la revendication 3, dans lequel ledit élément de conversion est un comparateur (22) du niveau de sortie de l'intégrateur (5) par rapport à un seuil (Vrefc). 20 5. Circuit selon la revendication 3, dans lequel ledit élément de conversion est un convertisseur analogique-numérique (27) sur plusieurs bits. 6. Circuit selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel ledit élément de conversion (22, 27) est 25 commandé par un signal (CK) périodique ayant une fréquence supérieure à une fréquence de réinitialisation (RST) de l'intégrateur (5). 7. Circuit selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel ledit convertisseur numérique-analogique (24, 30 24') reçoit une information (V(Iref)) représentative d'un deuxième courant de référence (Iref). 8. Circuit selon la revendication 7, dans lequel le premier courant de référence (Id) vaut, selon l'état de sortieB12423 - DD14313 15 de l'élément de conversion (22), 1-1/n fois ou 1+1/n fois le deuxième courant de référence (Iref), n représentant un entier. 9. Circuit selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le deuxième courant de référence (Iref) est fourni par un 5 bolomètre écranté (3). 10. Circuit selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le deuxième courant de référence (Iref) est fourni par un bolomètre fortement couplé thermiquement avec la température du circuit. 10 11. Circuit selon l'une quelconque des revendications 3 à 10, dans lequel l'état de sortie de l'élément de conversion analogique-numérique (22, 27) fournit une information représentative de la mesure. 12. Imageur thermique comportant un ensemble de 15 circuits selon l'une quelconque des revendications précédentes. 13. Imageur thermique selon la revendication 12, dans son rattachement à l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel le deuxième courant de référence (Iref) est commun à plusieurs convertisseurs numérique-analogique. 20 14. Procédé de mesure d'une résistance d'un bolomètre (2) au moyen d'un intégrateur (5), dans lequel un premier courant de référence (Id), soustrait au courant fourni par le bolomètre, est asservi sur la sortie de l'intégrateur.