Low-power architectures for single-chip digital image sensors (2000)

Ce travail de recherche s'inscrit dans une collaboration acadÃ©mique et industrielle dont le cadre gÃ©nÃ©ral est le dÃ©veloppement de micro-systÃ¨mes Ã faible consommation et faible encombrement pour l'acquisition et le traitement d'images. De tels micro-systÃ¨mes sont constituÃ©s de diffÃ©rents sous-blocs de nature relativement diffÃ©rentes: acquisition de l'image (comprenant une optique classique et un senseur photo-Ã©lectrique), traitement de l'image (correction, filtrage, compression, etc.), stockage, restitution ou transmission de l'information, contrÃ´le, etc. La prÃ©sente thÃ¨se rÃ©alisÃ©e Ã l'Institut de Microtechnique (UniversitÃ© de NeuchÃ¢tel, Suisse) concerne la partie acquisition de l'image et se focalise sur le dÃ©veloppement d'architectures Ã faible consommation permettant la rÃ©alisation de senseurs d'image mono-composants entiÃ¨rement numÃ©riques. Encore rÃ©cemment, les applications portables dans le domaine de l'imagerie Ã©lectronique Ã©taient limitÃ©es par la consommation excessive du capteur d'images et de l'Ã©lectronique associÃ©e. Or, Ã cause de l'explosion du multimÃ©dia et des appareils Ã©lectroniques portables, le besoin de disposer de tels systÃ¨mes Ã faible consommation est trÃ¨s fort. Les senseurs d'image, longtemps rÃ©alisÃ©s en technologie CCD (Charge Coupled Device), sont de plus en plus fabriquÃ©s avec les technologies CMOS, qui ont Ã©normÃ©ment Ã©voluÃ©. Les avantages en coÃ»t de fabrication et en consommation Ã©lectrique sont importants, et une partie du traitement du signal venant du senseur d'image peut Ãªtre intÃ©grÃ© sur la mÃªme puce que ce dernier, en particulier sa conversion analogique / numÃ©rique (A/N). Les buts de ce travail de thÃ¨se sont de minimiser autant que possible la consommation Ã©lectrique d'un tel circuit en travaillant sur le convertisseur analogique / numÃ©rique (CAN), sur l'architecture gÃ©nÃ©rale du senseur et sur l'intÃ©gration systÃ¨me du circuit. Dans une premiÃ¨re partie du travail, des CAN Ã faible consommation adaptÃ©s pour les applications vidÃ©o ont Ã©tÃ© dÃ©veloppÃ©s et testÃ©s. Leur architecture parallÃ¨le permet d'une part une plus faible frÃ©quence de travail (ce qui a un impact favorable sur la consommation) et d'autre part une meilleure compatibilitÃ© avec le senseur, dont la structure est intrinsÃ¨quement parallÃ¨le. Ensuite, le travail s'est focalisÃ© sur les architectures de senseurs numÃ©riques Ã diffÃ©rents niveaux: interface senseur-CAN, modes d'adressage du senseur pour en minimiser la consommation, contrÃ´le du circuit par une logique dÃ©diÃ©e. Enfin, les principes architecturaux ont Ã©tÃ© validÃ©s par la rÃ©alisation, en collaboration avec le Centre Suisse d'Ã©lectronique et de Microtechnique (CSEM), de deux senseurs d'images mono-composants entiÃ¨rement numÃ©riques. ComparÃ©es Ã d'autres travaux utilisant des approches similaires, les deux rÃ©alisations se sont rÃ©vÃ©lÃ©es Ãªtre proches de la limite de performance maximale en termes de consommation Ã©lectrique, tout en gardant une qualitÃ© d'image et une surface en silicium acceptables. Pour rÃ©duire encore la consommation Ã©lectrique, de nouvelles approches doivent Ãªtre envisagÃ©es, basÃ©es sur une rÃ©duction drastique de la tension d'alimentation et sur une intÃ©gration accrue, sur le mÃªme circuit, d'unitÃ©s de traitement du signal, afin de rÃ©duire la quantitÃ© d'information Ã transmettre Ã l'extÃ©rieur.