V Chaîne de lecture. 1 Principe. L objectif de la chaîne de lecture est : de récupérer les charges de chaque photo-site

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1 V Chaîne de lecture 1 Principe L objectif de la chaîne de lecture est : de récupérer les charges de chaque photo-site de convertir les charges stockées (Q) en tension (ΔV) de numériser la valeur analogique/numérique. ΔV grâce à un convertisseur Les différents étages de la chaîne doivent être linéaires afin de préserver la relation : Q ΔV

2 La chaîne de lecture des signaux vidéo utilise souvent un circuit de type CDS (Correlated Double Sampling). Schéma de principe d un circuit CDS (Corrected Doubled Sample)

3 Le but essentiel de cette chaîne est de garantir un rapport signal sur bruit optimum i.e. avoir un bruit de lecture minimum grâce à un filtrage des bruits à basses et hautes fréquences (filtre passe-bande). Une chaîne bien désignée peut supprimer le bruit de reset et filtrer de manière optimale les bruits blanc et en 1/f générés par l étage de pré-amplification (cf. transparents suivants). La chaîne assure également une amplification suffisante pour que le signal de chaque photo-site exploite toute la gamme dynamique. La chaîne assure seulement la numérisation du signal vidéo (information utile + un offset dû au bruit résiduel).

4 * L étage de pré-amplification Cet étage est directement monté à la sortie du registre. Il sert à la conversion charge (Q) tension (ΔV). Schéma en coupe de l étage de pré-ampli Image obtenue avec un microscope à balayage de l étage de pré-amplification

5 ΦR Vdr = VREF G D T1 = transistor FET fonctionnant en régime saturé Vdd 2 états (passant ou bloqué) contrôlés par le signal de base ΦR (horloge de reset) Transistor Saturé T1 S OG Cp V/eG Registre horizontal Diode flottante- (sense node) e e équivalent à une capacité CS VSUB D Transistor linéaire T2 S RL -VSS Schéma électrique du pré-amplificateur Vout T1 passant (fil) ΦR = état haut et CS se charge à Vdr (VREF) ΦR = état bas T1 bloqué (interrupteur) capacité T1 bloqué non parfait parasite Cp qui va provoquer une décharge partielle de CS. T2 = transistor FET fonctionnant en régime linéaire i.e. il va amplifier la tension générée aux bornes de la diode flottante.

6 Exemple pour une CCD 2 phases (type Kodak AF400 utilisée en TPs) ΦH2 t ΦH1 t ΦR Décalage des charges dans le registre sur le front montant de ΦH1. Le reset sert à réinitialiser le niveau zéro de la diode flottante. Le reset a lieu sur le front descendant de ΦH1. Vout Reset t Reset Palier de référenc e Palier de référenc e ΔV < 1 V Palier vidéo t0 t1 t2 t3 t 0 = t1 t 3 paliers : reset, référence (niveau zéro) et vidéo (signal utile). ΔV Q

7 *Linéarité et sensibilité La diode flottante ne permet pas de convertir la charge Q en tension avec une linéarité parfaite. La capacitance (la quantité de charges stockable pour un potentiel donné) par la diode flottante dépend de la tension VREF et des électrons qui y sont transférés. La variation de capacitance induit une variation de sensibilité q (S V V / e = ), donc de linearité. CS De même, le FET T2 n amplifie pas les différents signaux toujours de la meme manière. Cela fait apparaître des non-linéarités.

8 *Les bruits engendrés au niveau du pré-ampli Lors de la conversion des charges en signal analogique (tension), plusieurs bruits de lecture sont produits par l étage de préamplification. La bonne maîtrise de ces bruits de lecture est importante afin d assurer de bonnes performances en imagerie ou/et vidéo. Plusieurs bruits ont été indentifiés : Le bruit de reset (reset noise) Le bruit thermique (dit blanc) (white or Johnson noise) Le bruit en 1/f (flicker noise) Le bruit de grenaille (bruit quantique shot noise) Le bruit de contact (contact noise) Le bruit rémanent (remnant noise) lié aux capacités des filtres de la chaîne.

9 Le bruit de reset Le bruit de reset est produit lors de la ré-initialisation périodique de la diode flottante par le transistor FET T1. Le palier de référence est légèrement différent de photo-sites en photo-sites. Ce bruit est causé par le bruit thermique produit par la résistance du canal du FET T1. Le bruit de reset peut être calculé par l équation suivante : N R e ktc S = q Le bruit blanc Au niveau atomique, le courant est erratique. Le courant est le résultat du déplacement des électrons qui lors de leur mouvement vont être accélérés, stoppés. Ce mouvement des électrons est dépendent de leur énergie thermique. Ce bruit est présent à toutes les fréquences, d où la dénomination de bruit blanc par analogie avec la lumière blanche. Le bruit blanc peut être calculé par l équation suivante : avec B = la largeur de bande équivalente (Hz) R = la résistance du canal conducteur (Ω) W CCD V = 4 ktbr

10 Le bruit en 1/f Le bruit en 1/f limite le niveau de bruit de lecture atteignable. Ce bruit est probablement causé par les défauts de surface du silicium (niveaux d énergie profonds) et le passage des électrons dans l oxyde. Lorsque les électrons sont piégés par ces défauts, ils sont relachés sur une plage de temps très grande τe (basse et haute fréquences). K 1τe 2 E = Le bruit en 1/f produit par un défaut de surface peut être approximé par : n 1 2πfτe 2 2 1/2 avec K1 une constante, En est en V/Hz et f la fréquence. Le bruit en 1/f diminue avec la température. Le bruit de grenaille Le bruit de grenaille est un bruit qui apparaît quand les porteurs de charges apparaissent ou disparaissent soudainement. Ex. Les électrons produits spontanément dans les zones déplétées jonction PN polarisée en inverse. Le piégeage des électrons par les défauts de surface, la génération d électrons par ionisation dans la région de pincement du FET constituent d autres sources de bruit de grenaille.

11 Le bruit de contact Bruit observé occasionnellement dû aux fluctuations de conductivité générées par un défaut de contact des connections entre le FET et le registre. Les bruits blanc et en 1/f sont les sources de bruit dominantes au niveau du pré-ampli. La combinaison de ces bruits constitue le bruit de lecture de la CCD : N CCD f 2 =W CCD f 2 1 f C / f m avec : NCCD(f)2, la puissance du bruit du pré-ampli (V2/Hz) WCCD(f), le niveau de bruit blanc ( V / Hz ) fc, la fréquence où le bruit en 1/f est égal au bruit blanc i.e. N CCD f 2=2 W CCD f 2 m, une constante caractérisant la pente du bruit en 1/f (1 < m < 2). m dépend de la tension alimentant le drain du FET.

12 * L étage de clamp (serrage) * L étage d amplification i R15 R1 i i-~0 ε~0 V CCD=R 1 i V a= R15 R 1 i Va R15 R1 G= = V CCD R1 + VCCD CL Va En supposant un AO parfait Le signal utile (ΔV < 1V) en sortie du pré-ampli est trop faible. Après amplification, le signal utile est G x ΔV avec G > 10. Φclamp Cette étage sert à forcer la référence (et seulement la référence) à zéro pour tous les pixels avant numérisation par le convertisseur. Le bruit de reset est supprimé par cet étage. Le clamp est contrôlé au moyen d une horloge Φclamp. mise à Φclamp = état haut zéro rien Φclamp = état bas Le clamp est activé avant que la diode flottante ne recoive les charges du registre horizontal.

13 R1 R1 + G = -1 Montage inverseur Convertisseur * La numérisation du signal analogique Le signal utile étant GΔV, on ajoute un inverseur (avec un gain de -1) afin que la valeur analogique à coder soit positive. Φcan La numérisation du signal est effectuée par un convertisseur analogique/numérique qui attribue une valeur numérique à un signal analogique donné. La numérisation ne peut avoir lieu que lorsque l on est sur le palier vidéo. Une horloge (Φcan) indique au CAN de coder ce palier.

14 * Le convertisseur analogique/numérique Le but du convertisseur analogique numérique (CAN) est de convertir un signal analogique continu en un signal discret et cela de manière régulière dépendent de la fréquence d échantillonnage tel que : n 1 V N= bi 2 i i=0 cf. document joint au cours Rapidité de codage Il existe plusieurs types de CAN : le CAN à rampe simple ou à rampe électronique le CAN à rampe double le CAN par approximations successives le convertisseur flash le convertisseur semi-flash et à pipeline le CAN algorithmique le CAN à suréchantillonnage

15 Le codage peut être effectué sur 8, 10, 12 bits, etc Plus le nombre de bits utilisé pour le codage du signal vidéo est grand et plus la précision de codage sera grande. Ex. : Soit une CCD avec une capacité de 105 e-/photo-site, pour un CAN qui comporte DN niveaux de 0 à (215-1), la sensibilité du CAN est de l ordre de 3 e-/dn. pour un CAN de 0 à 1023 niveaux, la sensibilité est de l ordre de 98 e-/dn. Il est important de choisir un CAN qui a une dynamique de codage compatible avec la dynamique de la CCD.

16 * La chaîne de lecture dual slope Schéma de la chaîne dual slope Le signal de la CCD est pré-amplifié comme pour le CDS. Le signal de sortie est alors intégré par un montage intégrateur. La chaîne possède 3 positions S1, S2 et S3 : En S3, la chaîne est ouverte. En S1 et S2, le signal de sortie du pré-ampli passe respectivement par un montage non-inverseur et inverseur avec un gain égal à l unité.

17 1. L intégrateur est ré-initialisé à la masse en fermant l interrupteur S4. 2. Après ça, S4 est ouvert et S1 est fermé. 3. La tension de référence est intégrée par la capacité C sur un temps τ. 4. Les charges provenant d un photosite du registre sont transférées dans la diode flottante signal vidéo. 5. Simultanément, S2 est fermé Chronogramme du Dual slope circuit connectant l intégrateur à l inverseur. Rq : Etape 3 l intégration de la 6. La tension de référence et le signal tension de référence se faisant vidéo sont intégrés sur un temps τ. depuis le niveau 0, le bruit de reset 7. Après on revient sur S3, le signal est éliminé. est maintenu pour numérisation par le CAN.

18 *Performances en terme de bruit des pré-amplis L amélioration des niveaux de bruit des FETs vient principalement de l amélioration de la sensibilité SV sans augmenter drastiquement les bruits en 1/f et blanc. Pour un bruit donné en Volt, l augmentation de SV induit une diminution du niveau de bruit en erms. Comparaison du bruit de lecture obtenu entre des technologies de différentes périodes Les FETs actuels atteignent des niveaux de bruit de presque 1 e- rms. Le bruit en 1/f limite l accession à des niveaux sub-électrons rms avec les amplificateurs traditionnels.

19 *L amplificateur Skipper L amplificateur Skipper a été inventé pour atteindre des niveaux de bruit < 1 e- rms. L idée est de faire plusieurs mesures (N) des charges (e- V) contenues dans un photo-site afin d en prendre la moyenne. Schéma d une CCD avec Skipper Ceci permet de réduire le bruit de lecture par un facteur N1/2.

20 Chronogramme d une CCD avec Skipper

21 1. Le registre horizontal décale les charges d un photo-site et transfère les charges sous l électrode Ensuite, les horloges du registre horizontal sont stoppées. 3. L électrode 1 est portée à un potentiel Vg ; ce qui oblige les charges à passer sous l électrode 2 avant d atteindre la diode flottante (diffusion gate). 4. La tension aux bornes de la diode flottante change proportionnellement au nombre de charges et le signal vidéo est échantillonné par la chaîne CDS. 5. Les charges retournent sous l électrode 1 en changeant la polarisation des électrodes 2 et 1 (+Vg). 6. La diode flottante est ré-initialisée et les opérations 3-6 sont répétées N fois. 7. Après N mesures, les charges sont transférées dans le registre en passant par les électrodes 3 et Le registre horizontal décale les charges soit vers une diode flottante normale où une nouvelle mesure sera effectuée ou vers un drain pour évacuer les charges. 9. Ainsi de suite pour tous les photo-sites du registre.

22 Point = 3-4 e- Image montrant 4 points avec (en bas) et sans (en haut) Skipper amplificateur

23 Bruit de lecture en fonction du nombre de mesures effectuées sur un même paquet de charges pour une CCD 1024 x 1024 avec une sensibilité SV = 3 μv/e-.