Login

Research Topics

Analog and mixed circuit design
  • Home
  • /
  • Research Topics

 

Last update 14 Oct 2015

 

Coordinator: Nizar Khitouni

Permanent members: Karim ABBES, Naoufel Gueddah, Jamel NEBHEN, Hanan THABET.

Thesis Members: Hanen BEN AYED, Salma Djmal, Imen Klabi, Nada KHASKHOUSSY.

Master Members: 

Undergraduate Members:

Cooperation: Institut Matériaux Microélectronique Nanoscience de Provence, IM2NP (UMR 7334, CNRS), Université d’Aix-Marseille

 

 

Introduction to the research topic

 

The use of integrated mixed-signal circuits which is a combination of analog and digital functions on the same microelectronics chip, is widespread in all areas that require the acquisition, use or generation of physical signals (ie analog), including telecommunications, media applications, especially medical instrumentation, imaging or radar detection. Such circuits make allow designers to benefit from the robustness and scalability of digital processing in order to manipulate with control and power the analog signals of real-world. However, the increased complexity induced by the coexistence of these two areas systems affects the difficulty of the design and testing of components. In this context, we design analog and mixed conversion structures such as ADC, DAC… with defining design criteria based on the specific application and performing test prototype.

 

 

 

Activities Summary:

 

Subject 1 : Synthesis of analog circuits

Members :  Nizar Khitouni (HDR)

Abstract: The trend for miniaturization of electronic devices and the reduction of power consumption drives searches for newer and newer solutions. Digital circuits, despite a far-reaching automation of the design process and the unquestionable accuracy of data processing do not offer satisfying parameters of power consumption and chip area. Moreover dedicated analogue solutions allow obtaining even several hundred times faster calculation processes compared with programmable digital circuits. These properties are the inspiration for developing methods of synthesizing analogue circuit’s topographies. Still, the choice of available tools is insufficient. Therefore the reason for little popularity of analogue circuits is, on one hand – the difficulty of designing them. The methodology of designing an analogue circuit with switched-currents or switched capacitor for application in sigma delta modulator basing on the standard CMOS technology.

 

Subject 2 : Design of an artificial CMOS retina

Members :  KHASKHOUSSY NADA (Thesis)

Abstract: My thesis focuses on the design of an artificial CMOS retina that performs like the human eye. The work performed for designing take an interest on improving the dynamic operation in CMOS image sensor while maintaining small values of fixed pattern noise and a minimum pixel area. We explored several structures, the integration time pixel and its different architectures and the logarithmic compressor pixel. These studies led to the design of a CMOS image sensor with a "Global Shutter" pixel and a specific structure of a column amplifier.

Keywords: CMOS sensor, pixel "Global Shutter", column amplifier, dynamic operation, fixed pattern noise

 

Sujet 3 : ANR Programme: Nanotechnologies et Nanosystèmes (P2N) : MADNEMS : Microphone A Détection par jauge NEMS & Conception microélectronique d'un imageur CMOS numérique (Only in French)

Membre : Jamel NEBHEN (Postdoc, HDR)

Coopération : - Institut Matériaux Microélectronique Nanoscience de Provence, IM2NP (UMR 7334, CNRS), Université d’Aix-Marseille, 2012-2014.

- Laboratoire Electronique Informatique Image – LE2I (UMR 6306, CNRS), Université de Bourgogne, Dijon, 2015-2016.

Résumé:

Thème 1 : Ce programme de recherche industrielle vise la réalisation d’un capteur microphone MEMS, basé sur un concept innovant et une technologie de type microélectronique avancée utilisant des nanofils silicium.
L’objectif principal est la conception, la réalisation et la caractérisation d’un démonstrateur microphone de très petite dimension. Deux types de marchés seront visés :

·               Celui des implants auditifs qui demande des spécifications très exigeantes en termes de gamme dynamique, de consommation et de bande passante et pour lequel les microphones MEMS de l’état de l’art restent perfectibles;

·               Celui des produits électroniques grand public (téléphone portable, PDA, lecteur MP3, notebook…) pour lequel on vise un produit très faible consommation et très compact afin de réduire les coûts par rapport aux capteurs de l’état de l’art.

·               Le concept innovant que l’on propose, basé sur un brevet LETI, repose sur l’utilisation d’une membrane sensible à déplacement dans le plan (contrairement à l’état de l’art où la membrane se déplace hors du plan) qui offre le double avantage :

·               De décorréler la partie acoustique de la partie détection, permettant ainsi de les optimiser séparément (ce qui n’est pas possible dans l’état de l’art)

·               D’utiliser un même procédé de fabrication pour le microphone et pour les accéléromètres, ce qui permet soit de co-intégrer ces deux capteurs sur la même puce, soit d’utiliser une même plateforme technologique pour ces deux types de composants, ce qui est là encore impossible avec les concepts développés dans l’état de l’art

·               Ce nouveau concept bénéficie également d’une détection par jauge de contrainte de type nanofil silicium (NEMS) qui offre une très grande sensibilité et donc des performances et une miniaturisation accrues, jamais démontrées jusqu’à présent et parfaitement en adéquation avec les attentes des marchés grand public et médical. 
Cette étude fait appel à des compétences de conception qui mélangent la mécanique et l’acoustique, et qui seront amenées par le LETI et le LVA. Cette structure MEMS à détection par nanofil sera couplée avec une électronique très basse consommation, domaine dont l’IM2NP est spécialiste. Le projet inclut enfin une PME, NEURELEC, spécialiste des implants cochléaires, qui apportera la vision applicative et s’impliquera fortement dans les spécifications, le traitement du signal et l’évaluation du démonstrateur final. 
Le projet est en outre fortement soutenu par un fondeur, Tronics, qui n’intervient pas dans le projet mais sera consulté dans le cadre de la valorisation du produit qui se trouve dans sa roadmap.
Par la réalisation de démonstrateurs microphones innovants, ce projet ambitieux aura pour objectif de démontrer la faisabilité et l’intérêt de l’utilisation de NEMS pour des applications grand volume et médicales, ainsi que la possibilité et la valeur ajoutée de la co-intégration des microphones et des capteurs inertiels, ce qui sera à notre connaissance une première mondiale.

L’orientation vers des applications biomédicales du projet MADNEMS intéresse particulièrement l’IM2NP qui œuvre déjà dans ce sens au travers de nombreuses collaborations nationales et internationales. Or il se trouve que les circuits basse consommation constituent le socle commun à toutes ces applications et la réduction de leur consommation en est l’un des principaux verrous technologiques.  La thématique liée aux circuits basse puissance fait déjà l’objet de recherche au sein de l’Institut. Plusieurs réalisations ont été implémentées en technologie Bipolaire, BiCMOS et CMOS. Par le biais du projet MADNEMS, l’IM2NP veut renforcer ses expertise dans la conception de circuits intégrés mixtes (analogique-numérique) ultra basse puissance. La réalisation de l’interface analogique/mixte avec le capteur pourra donner lieu à de nouvelles topologies de circuits et de système et pourront être étendues à d’autres applications ultra faible consommation.

 

Thème 2 : Depuis de nombreuses années, le laboratoire Le2i mène des travaux de recherche sur la conception microélectronique de systèmes de vision en technologie CMOS intégrant un capteur d’image et une ou plusieurs unités de traitement associées. Ces systèmes sont capables à la fois d’acquérir des images et de les traiter afin de pouvoir fournir en sortie des informations sémantiques de plus haut niveau sur la scène acquise. Ils sont vus comme une grille bidimensionnelle de "cellules", chaque cellule étant formée de l’association d’un élément photosensible (photorécepteur), et d’un élément de calcul (processeur élémentaire). Du fait du caractère massivement parallèle, un tel système de vision possède des performances en vitesse, en intégration et en consommation meilleures que les machines de vision traditionnelles à base de caméra standard connectée à une architecture de traitement externe (type PC).

Cependant, l’approche consistant à associer, dans un même circuit électronique, des photorécepteurs et des fonctions de traitement de l’image présente inévitablement des inconvénients en termes d’intégration. En effet, les fonctions de traitement impliquent inévitablement en particulier une plus grande surface de silicium (et donc un coût plus élevé) ou une plus faible résolution spatiale du capteur (en raison de la plus grande surface des pixels) ou une plus faible sensibilité du capteur (du fait de la diminution de la surface des photorécepteurs pour conserver une surface totale inchangée). C’est pour ces raisons que la plupart des travaux dans le domaine se sont intéressés soit à l’intégration d’une seule unité de calcul pour le circuit total, soit à la mise en œuvre d’un ensemble d’unités dédiées à la gestion d’une ou plusieurs colonnes de l’image. En effet, intégrer un processeur élémentaire pour chaque pixel du circuit implique bien souvent un pixel surdimensionné et de fait inutilisable. Malgré cela, l’émergence de nouvelles technologies submicroniques permet d’envisager à court terme des perspectives très intéressantes en termes d’intégration de processeur élémentaire par pixel, notamment sur les aspects de traitement massivement parallèle des données acquises.

Ainsi les travaux menés dans le cadre de ce contrat post doctoral s’articuleront autour de la faisabilité d’un capteur d’images présentant simultanément des tailles de pixels raisonnables tout en intégrant, au sein de chacun des pixels, un processeur élémentaire capable de réaliser des traitements. Ces travaux seront réalisés en collaboration avec les autres membres de l’équipe et permettront de capitaliser tout le savoir faire acquis ces dernières années.

Au final, ces travaux devraient permettre de développer une nouvelle génération de capteurs intelligents surclassant les capteurs existants en réalisant des opérations de traitement complexes grâce au parallélisme massif des unités de calcul. Ces capteurs innovants devraient offrir à terme des performances optimales du fait d’une résolution spatiale maximale, d’une sensibilité accrue, d’un bruit minimisé et d’une résolution temporelle améliorée.

 

Sujet 4 : Contribution à l’intégration d’une rétine artificielle (Only in French)

Membre : Salma Djmal (thesis)

Coopération : 

Résumé: : Ce travail de recherche se place dans un contexte ayant une volonté scientifique accrue de proposer une approche apte à configurer un remède aux aveugles pour qu’ils puissent voir de nouveau et lutter contre les maladies concernant la rétine. Pour ce faire, un nouveau concept d’architectures a été développé en exploitant de nouvelles technologies d’intégration : la technologie tridimensionnelle 3D.