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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de d’Enseignement Sup

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE Ministère de d’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université de Batna Faculté de Technologie Département d’Electronique THESE Pour l’obtention du diplôme de Doctorat ès-Sciences en Electronique Option : Microélectronique Présentée par: Samir BARRA Thème Contribution à la Conception d’un Convertisseur Analogique Numérique en Technologie CMOS Soutenue le, 04/07/2013 Devant le jury constitué de : Pr. Farida HOBAR Professeur Président Université de Constantine Pr. Nour-eddine BOUGUECHAL Professeur Rapporteur Université de Batna Pr. Saida LATRECHE Professeur Examinateur Université de Constantine Pr. Abdelhamid BENHAYA Professeur Examinateur Université de Batna Pr. Abdelhamid OUNISSI Professeur Examinateur Université de Batna Dr. Saida REBAI M.C.A Examinateur Université de Constantine 2013 ِْﺴ ﺑـ َ ْﻤ ﱠﺣ ِ اﻟﺮ ﱠﻪ ِ اﻟﻠ ﻢ ـٰ ِﻴ ﱠﺣ ِ اﻟﺮ ﻦ ـ ِ ﻢ Dédicace Je dédie ce modeste travail fruit de plusieurs années de patience : A ma chère mère symbole de tendresse, et à mon cher père symbole de sacrifice A mes frères Omar, Messaoud et Mounir A mes sœurs Faida et Wissem A l’esprit de mon frère Farid et ma tente Fatma A tous mes Amis A mes enseignants, lumières de mon chemin FG Remerciements Bien que cette thèse porte mon nom, elle est véritablement le fruit de la coopération de plusieurs personnes, qui m’ont encadré, supporté, guidé tout au long de ces années. Ce sont ces personnes que je tiens ici à remercier. Je souhaite remercier avant tout mon directeur de thèse Mr. Nour-Eddine BOUGUECHAL professeur à l’université de Batna et responsable du laboratoire de l’électronique avancée (LEA). Je retiens du professeur BOUGUECHAL ses grandes qualités d’encadrement, n'a eu de cesse de m'encourager et de me soutenir durant ces dernières années. J'en profite pour lui exprimer ici ma plus profonde gratitude. Mes vifs remerciements à Mme. Farida HOBAR, professeur à l’université de Constantine, pour avoir accepté de présider le jury et à bien voulu prendre le temps de s’intéresser au sujet de la présente thèse. Je tiens à remercier vivement Mme. Saida LATRECHE, professeur à l’université de Constantine, Mr. Abdelhamid BENHAYA professeur à l’université de Batna, Mr. Abdelhamid OUNISSI, professeur à l’université de Batna et Mme. Saida REBAI, Maitre de conférence à l’université de Constantine d’avoir fait partie du jury en qualité d’examinateurs et pour m’avoir honoré par leurs présences au jury. Je remercie également mes collègues devenus amis, Souhil, A. Ghani, Hakim, Fayçal, Amir, Mounir, Brahim, Asaad, Nacereddine, Toufik, Karim, Anouar, Mohammed, et Lamine ; pour tout ce qu’ils m’ont permis d’apprendre et bien plus encore. Je remercie également mes amis proches pour avoir toujours été là. Je remercie aussi les gens que j'ai pu côtoyer durant mes années de thèse qui ont contribué de prés ou de loin le long de mes études et recherches scientifiques. Enfin, je dois une dette certaine à ma famille et à mes parents, qui ont été mes plus fidèles supporteurs et qui m’ont aidé à traverser cette période. ED ﻣﻠﺨﺺ هﺬﻩ اﻷﻃﺮوﺣﺔ هﻲ ﻣﺴﺎهﻤﺔ ﻓﻲ ﺗﺼﻤﻴﻢ ﻣﺤﻮل ﺗﻤﺎﺛﻠﻲ رﻗﻤﻲ ﺧﻂ أﻧﺎﺑﻴﺐ ﻗﺪ . ﻳﻜﻮن اﻟﻤﺤﻮل اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻲ اﻟﺮﻗﻤﻲ ﺧﻂ أﻧﺎﺑﻴﺐ هﻮ إﺳﺘﺮاﺗﻴﺠﻴﺔ اﻟﺘﺤﻮﻳﻞ اﻷآﺜﺮ اﺳﺘﻌﻤﺎﻻ ، ﻷﻧﻪ ﻳﻮﻓﺮ أﻓﻀﻞ ﺣﻞ وﺳﻂ ﺑﻴﻦ اﻟﺴﺮﻋﺔ و اﻟﺪﻗﺔ . ﻟﻘﺪ وﺿﻌﻨﺎ ﻣﻨﻬﺠﻴﺔ ﺗﺼﻤﻴﻢ ‐ " أﻋﻠﻰ إﻟﻰ أﺳﻔﻞ " و ﺗﻢ ﺗﻨﻔﻴﺬهﺎ ﻣﻦ أﺟﻞ ﺗﻘﻠﻴﻞ وﻗﺖ اﻟ ﻤﺤﺎآﺎة وﻓﻬﻢ ﻣﺼﺎدر ﻣﺨﺘﻠﻔﺔ ﻣﻦ اﻷﺧﻄﺎء ﻓﻲ اﻟﻤﺤﻮل اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻲ اﻟﺮﻗﻤﻲ ﺧﻂ أﻧﺎﺑﻴﺐ ، اﻋﺘ ﻤﺪﻧﺎ هﺬا اﻷﺳﻠﻮب ﻟ ﺘﻄﻮﻳﺮ ﺑﻨﻴﺔ اﻟﻤﺤﻮل اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻲ اﻟﺮﻗﻤﻲ ﺧﻂ أﻧﺎﺑﻴﺐ ذو 10 ﻣ ﺑﺖ ﺴﺘﻨﺪا إﻟﻰ ﻃﺎﺑﻖ ﻣﺤﻮل رﻗﻤﻲ ﺗﻤﺎﺛﻠﻲ ﻣﻀﺎﻋﻒ 1.5 ﺑﺖ . آﻤﺎ ﺗﻢ اﻗﺘﺮاح ﻧﻤﻮذج ﺳﻠﻮآﻲ أو ﻋﻤﻠﻲ ﻟﻠﻤﺤﻮل اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻲ اﻟﺮﻗﻤﻲ ﺧﻂ أﻧﺎﺑﻴﺐ ﻟﺼﻘﻞ دراﺳﺔ اﻟﻄﻮاﺑﻖ اﻟﺤﺮﺟﺔ ﻋﻦ ﻃﺮﻳﻖ دراﺳﺔ ﻣﺘﻌﻤﻘﺔ ﻋﻦ اﻟﻤﺼﺎدر اﻟﻤﺨﺘﻠﻔﺔ ﻟﻸ ﺧﻄﺎء ﻓﻲ اﻟﻤﺤﻮل اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻲ اﻟﺮﻗﻤﻲ و أﺛﺮهﺎ ﻋﻠﻰ اﻟﻌﻮاﻣﻞ اﻟﺴﻜﻮﻧﻴﺔ واﻟﺪﻳﻨﺎﻣﻴﻜﻴﺔ ﻓﻴﻪ . وﻗﺪ وﺿﻌﻨﺎ ﻃﺮﻳﻘﺔ ﺗﺤﺴﻴﻦ ﺗﺴﻤﺢ ﺑﺎﺳﺘﻜﺸﺎف اﻷداء اﻟﺘﺸﻐﻴﻠﻲ ﻟﻠ ﻤﻀﺨﻤﺎت اﻟﻌﻤﻠﻴﺔ اﻟﺘﻲ ﺗﺸﻜﻞ ﻟﺒﻨﺔ اﻟﺒﻨﺎء اﻷﺳﺎﺳﻴﺔ ﻓﻲ اﻟﻤﺤﻮل اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻲ اﻟﺮﻗﻤﻲ ﺧﻂ اﻷﻧﺎﺑﻴﺐ و ﺗﻘﺪم ﺗﻘﺪﻳﺮا ﻣﺴﺒﻘﺎ ﻟﻠﻌﻮاﻣﻞ اﻟﺨﺎﺻﺔ ﺑﻪ . آ ﻠﻤﺎت ﻣﻔﺘﺎﺣﻴﺔ : اﻟﻤﺤﻮﻻت اﻟﺘﻤﺎﺛﻠﻴﺔ اﻟﺮﻗﻤﻴﺔ , ﺗﺼﻤﻴﻢ ﻣﺤﻮل ﺗﻤﺎﺛﻠﻲ رﻗﻤﻲ ﺧﻂ أﻧﺎﺑﻴﺐ , اﻟﻨﻤﺬﺟﺔ اﻟﺴﻠﻮآﻴﺔ , اﻟﺘﺤﺴﻴﻦ ﻣﺘﻌﺪد اﻷهﺪاف اﻟﻠﻮﻏﺎرﻳﺘﻤﺎت اﻟﺠﻴﻨﻴﺔ . Abstract This thesis is a contribution to the design of a pipeline ADC. Pipeline ADCs are perhaps the most popular ADC conversion strategy as the offer the best compromise between speed and resolution. The Methodology "Top - Down" is implemented in order to reduce the simulation time and understand the different sources of errors in a pipeline ADC, this method was adopted to develop an architecture of 10-bit pipeline ADC based on 1.5-bit MDAC. A behavioral model of pipeline ADC was proposed to refine the study of the critical stages of the CAN by depth study of various sources of errors and their impact on the static and dynamic parameters of the pipeline converter. An original Optimization method was developed to allow the exploration of performance for operational amplifiers that constitute the basic building block of the pipeline ADC and provide an estimation of their parameters. Keywords: Analog-to-Digital converters (ADC), Pipeline ADC Design, behavioral Modeling, multi- objectives Optimization, Genetics Algorithms (GA). Résumé Ce travail de thèse constitue une contribution à la conception d’un CAN pipeline. Les CAN pipeline sont peut-être la stratégie de conversion CAN la plus populaire ADC, puisque comme ils offrent le meilleur compromis entre la vitesse et la résolution. Une méthodologie « Top – Down » est mise en œuvre dans le but de réduire les temps de simulation et bien comprendre les différentes sources d’erreurs d’un CAN pipeline, cette méthode à été adopté pour concevoir une architecture de CAN pipeline à 10 bits basé sur un étage MDAC 1.5- bits. Un modèle comportemental du CAN pipeline à été proposé pour affiner l’étude des étages critiques du CAN par l’étude approfondie des différentes sources d’erreurs et leurs conséquences sur les paramètres statiques et dynamiques du convertisseur pipeline. Une méthode d’optimisation originale à ainsi été développée permet l’exploration des performances pour les amplificateurs opérationnels qui constituent la brique de base du CAN pipeline et elle fournisse une estimation de leurs paramètres. Mots clés: Les Convertisseurs Analogiques Numériques (CAN), Conception du CAN Pipeline, Modélisation comportementale, Optimisation Multi-Objectifs, Les Algorithmes Génétiques (AG). Sommaire Chapitre I:L’état de l’art des convertisseurs analogiques numériques I.1. Introduction .................................................................................................................................. 5 I.2. Théorie sur la conversion ............................................................................................................. 6 I.2.1 Théorie de l'échantillonnage .................................................................................................... 6 I.2.2 La conversion analogique-numérique ...................................................................................... 6 I.2.3 Les spécifications des convertisseurs analogique-numérique .................................................. 9 I.3. Les paramètres des convertisseurs A/N ..................................................................................... 11 I.3.1 Caractéristiques statiques des CANs ...................................................................................... 11 I.3.2 Caractéristiques dynamiques des CANs ................................................................................ 16 I.4. Etat de l’art des CANs ................................................................................................................ 18 I.4.1 Architectures de convertisseurs A/N ...................................................................................... 19 IV.4.1. Architecture Flash .......................................................................................................... 19 IV.4.2. Architecture Pipeline ...................................................................................................... 23 IV.4.3. Architecture Sigma-Delta ............................................................................................... 22 IV.4.4. Architecture Wilkinson .................................................................................................. 20 IV.4.5. Architecture à approximation successive (SAR) ............................................................ 21 I.5. Conclusion ................................................................................................................................. 25 Chapitre II: Conception du convertisseur analogique numérique pipeline II.1. Introduction ................................................................................................................................ 28 II.2. Principe de fonctionnement des convertisseurs de type pipeline ............................................... 28 II.3. L’approche de conception Top-Down ........................................................................................ 32 II.4. la conception d’un CAN pipeline à 10 bits ................................................................................ 34 II.4.1. Spécifications du convertisseur .......................................................................................... 35 II.4.2. Les blocs de construction clés d’un CAN Pipeline ............................................................ 36 II.4.2.1. Les différentes architectures de commutateur ............................................................ 36 II.4.2.2. Le générateur d'horloge .............................................................................................. 40 II.4.2.3. Les Amplificateurs Opérationnels .............................................................................. 41 II.4.2.4. Les comparateurs ....................................................................................................... 47 II.4.2.5. Circuit Echantillonneur-Bloqueur .............................................................................. 49 II.4.2.6. L’étage « MDAC » ..................................................................................................... 52 II.4.2.7. Techniques de correction logique .............................................................................. 56 II.5. Conclusion ................................................................................................................................. 59 Chapitre IV: Modélisation du convertisseur analogique numérique pipeline III.1. Introduction ................................................................................................................................ 60 III.2. Modèle comportemental du CAN pipeline ................................................................................ 61 III.2.1. Modèle comportemental idéal du CAN pipeline ................................................................ 62 III.2.1.7. Modèle comportemental idéal complet du CAN pipeline .......................................... 67 III.2.2. Modèle comportemental non-idéal du CAN pipeline ........................................................ 68 III.2.2.1. Les non-idéalités du CAN pipeline ............................................................................ 68 III.2.2.2. Modèle complet du CAN pipeline avec des non-linéarités ........................................ 83 III.3. les résultat de simulation des modèles comportementaux .......................................................... 85 III.4. Conclusion ................................................................................................................................. 89 Chapitre 4 Optimisation du CAN pipeline par les algorithmes génétique IV.1. Introduction ................................................................................................................................ 90 IV.2. Les algorithmes génétiques (GA) ............................................................................................... 91 IV.2.2.1. C’est quoi un Algorithme Génétique? ........................................................................ 91 IV.2.2.2. Le fonctionnement des algorithmes génétiques ......................................................... 93 IV.3. L’optimisation Multi-Objective ................................................................................................. 98 IV.3.1. Concept de base de l'optimisation multi-objective ........................................................... 100 IV.3.1.1. Méthodes de l'optimisation multi-objective .................................................................. 100 IV.3.1.2. Concept du Front de Pareto ......................................................................................... 101 IV.4. Optimisation des circuits analogiques par les Algorithme Génétique...................................... 102 IV.4.1. Les fonctions objectives des amplificateurs opérationnel ................................................ 103 IV.4.1.1. Amplificateur opérationnel à deux étages ................................................................ 103 IV.4.1.2. Amplificateur opérationnel Symmetricque .............................................................. 104 IV.4.1.3. Amplificateur opérationnel cascode replié ............................................................... 105 IV.4.1.4. Amplificateur opérationnel télescopique .................................................................. 105 IV.4.2. L’optimisation multi-objective par les algorithmes génétiques ....................................... 106 IV.4.1.1. Le choix de la fonction de fitness ................................................................................. 106 IV.4.1.2. Mise en ouvre de l’approche d’optimisation multi-objective....................................... 107 IV.5. Les résultats de l’optimisation.................................................................................................. 109 IV.6. Conclusion ............................................................................................................................... 114 . 1 Introduction générale Les bases de la microélectronique moderne remontent aux années cinquante avec l’invention du transistor à effet de champ par les laboratoires Bell. Depuis cette époque le développement de la microélectronique a été déterminé par deux grands domaines : uploads/Litterature/ elec-barra-samir.pdf