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RÉSUMÉ
Les dispositifs à transfert de charges regroupent toute une génération de circuits électroniques, de la ligne à retard analogique jusqu’aux imageurs les plus performants utilisés dans les caméras embarquées à bord de satellites, en passant par les machines d’analyse et transmission de document dans l’industrie et le médical, mais aussi les appareils photos numériques… Après le rappel de quelques notions physiques, cet article s’attarde sur chacun de ces dispositifs. Sont présentés leurs principes de fonctionnement, les bénéfices de la technologie actuelle CMOS et leurs performances dans leurs différentes architectures.
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Gilles BOUCHARLAT : Ingénieur de l’Institut National Polytechnique de Grenoble (I.N.P.G.) - Docteur-Ingénieur en Sciences Physiques - Responsable Programmes R & D chez Atmel
INTRODUCTION
Lorsque, en 1969, Sangster et Teer inventèrent les « chaînes à seaux » – Bucket-Brigade en anglais –, sans doute n’avaient-ils pas idée de la porte qu’ils ouvraient devant eux, avec l’apparition de ce nouveau type de composant. En effet, sur la base de travaux parallèles et conceptuellement très voisins, Boyle et Smith publièrent en 1970 leurs premiers résultats sur leurs dispositifs à transfert de charge (DTC), regroupés sous le terme anglais de Charge Coupled Devices (CCD), circuits qui allaient permettre le développement extraordinaire de l’imagerie électronique, et sa mise à la portée du plus grand nombre grâce au « caméscope », puis à « l’appareil photo » numérique.
C’est en effet sur la base de ces dispositifs que vont se développer progressivement toute une génération de circuits électroniques, depuis la simple ligne à retard analogique ou le multiplexeur analogique, jusqu’aux imageurs les plus performants utilisés tant dans les applications « grand-public » que dans les caméras embarquées à bord de satellites, en passant par les machines d’analyse et transmission de document, plus connues sous le nom de « fac-similé », les caméras industrielles, la radiographie médicale…
Après avoir rappelé les quelques notions nécessaires pour la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans ces dispositifs, nous examinerons leur fonctionnement dans les différents dispositifs évoqués ci-dessus, avec une part belle faite aux applications d’imagerie. Nous développerons alors les performances de ces composants dans leurs différentes architectures.
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6. Possibilités de filtrage
Bien qu’étant en bonne partie à l’origine des importants efforts technologiques décidés en faveur des dispositifs à transfert de charge dans les années 1970, en vue des grands projets de téléphonie « temporelle », les développements de ce type d’application ont été arrêtés vers 1985. Les progrès des technologies numériques et la très grande capacité d’intégration atteinte par les technologies des composants électroniques ont en effet rendu caduques ces applications de traitement analogique.
Basés sur les propriétés de partage de charge entre deux parties d’électrodes, et la lecture sous grille flottante, il est possible d’obtenir le résultat électrique d’opérations de pondération (= multiplication par un coefficient) successivement sur l’information transportée par un même paquet de charge, sans l’affecter, lors de son mouvement dans un canal. Ce procédé est puissant, et nous rappellerons, pour mémoire, quelques chiffres qui restent, encore aujourd’hui, 20 ans après les débuts de l’ère du « tout numérique », frappants.
Exemple numérique : pour une dynamique de signal d’un puits de l’ordre de 4 000, soit une information numérisable sur 12 bits et une fréquence de transfert de 30 MHz, et sachant qu’une opération de multiplication par un coefficient numérique peut être effectuée à chaque étage, il est donc possible, avec un registre comportant 100 étages de calcul :
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d’effectuer 30 × 106 multiplications par seconde, sur des mots de 12 bits, par étage ;
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soit 30 × 106 × 100 multiplications par seconde pour l’ensemble du registre ;
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soit 3 gigamultiplications par seconde sur des mots de 12 bits.
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