Gestion du temps de rechargement

Afin de contourner la limitation de fréquence due au rechargement de la capacité de compen-sation, l’implémentation d’un mécanisme de rechargement séparé de la source de courant du pixel a été étudiée.

FIGURE10.22 – Circuit de rechargement

Une première proposition est illustrée en Figure 10.22. Un transistor NMOS T_{r ech}est connecté

entre l’alimentation et le nœud A. Grace à un potentiel constant Vr ech, dès lors que le potentiel

au nœud A est suffisamment faible, le transistor devient passant et son courant de source

participe à la charge du condensateur de compensation. Afin d’éviter à T_{r ech}de générer un

courant durant le fonctionnement du pixel, et de perturber le fonctionnement de ce dernier,

Vr echest fixé de manière à ce que Vr ech- Vt soit légèrement inférieur au potentiel nominal

du nœud A. T_{r ech}présente un fonctionnement similaire à celui d’un "clamp", en devenant

transconductance infinie, on a VA≥ Vrech - Vt, et la phase de rechargement est raccourcie d’une durée définie par l’équation 10.10, tel qu’illustré en Figure 10.23.

∆t =^{Ccomp× ∆VA_i ni t}

Ipi x

(10.10)

∆t : Réduction du temps de rechargement du condensateur de compensation

Ccomp: Capacité du condensateur de compensation

∆VA_i ni t: Différence de potenriel initial du nœud A due au circuit de rechargement

I_{pi x}: Courant généré par la source du circui pixel

FIGURE10.23 – Evolution du potentiel du nœud A durant le rechargement du condensateur de compensation, avec un circuit idéal

La transconductance de T_{r ech}étant finie dans un circuit réel, le circuit de rechargement est

limité dans sa capacité à empêcher la décroissance du potentiel du nœud A. Une durée non

nulle est alors nécessaire après l’extinction du pixel, pour que le potentiel VAatteigne la valeur

Vrech - Vt, comme l’illustre la Figure 10.24.

Le courant généré par ce mécanisme de rechargement dépend du carré de la tension grille

source de Tr ech. L’essentiel de l’action de ce circuit est donc concentré sur une période très

courte, durant laquelle le nœud A présente le potentiel le plus faible. Dans le cas du pixel étudié, ce circuit permet une réduction significative de la durée de rechargement, seulement

avec un transistor de plusieurs dizaines deµm de large. L’encombrement d’un tel composant,

associé à la capacité parasite qu’il génère, s’avèrent limitant pour une implémentation dans le

pixel étudié. De plus, avec le très fort courant consommé sur l’alimentation V_{anal og} au début

de la phase de rechargement, l’IR drop observable sur les lignes d’alimentation n’est plus constant. Il a été alors décidé de ne pas utiliser ce mécanisme de rechargement.

Afin d’étaler l’action du circuit de rechargement sur une durée plus importante, la mise en

place d’un contrôle dynamique du potentiel de grille de T_{r ech} a été explorée. Cependant

aucune des solutions étudiées pour la génération d’un tel potentiel de grille ne s’est avérée satisfaisante. La complexification du circuit pixel fait en effet apparaitre une problématique de délai des signaux générés, en plus de l’augmentation de l’encombrement au-delà de la surface disponible.

FIGURE10.24 – Impact de la transconductance du circuit de rechargement sur l’évolution du

potentiel VA

Etant donné les limitations associées aux solutions de rechargement intégrées aux pixels, aucun des mécanismes envisagés n’est retenu. Dans le circuit pixel finalement retenu présenté dans le chapitre 12.4, une légère diminution de la capacité du condensateur de compensation par rapport à la valeur théorique permet d’assurer le rechargement de ce dernier en 3ns. Dans l’hypothèse où il serait nécessaire de réduire davantage cette durée, par exemple pour une version alternative du circuit, Il a été envisagé de gérer la durée minimum d’extinction des pixels au niveau de l’organisation matricielle plutôt que des circuits pixels eux même. La possibilité de constituer un pixel à partir de plusieurs sous-pixels est abordée par la suite dans le chapitre 13.1. Avec une telle configuration, un sous-pixel à l’état allumé assure le fonctionnement du pixel, tandis que le ou les autres sous-pixels peuvent rester éteints. Il est alors possible de fournir des tensions de polarisation différentes aux sous-pixels éteints afin d’accélérer le rechargement de leurs condensateurs de compensation.

Fonctionnement matriciel

Avant de dimensionner le circuit pixel, il apparait nécessaire de se pencher sur le fonction-nement global de la matrice. Les contraintes appliquées aux pixels, tels que la variabilité des différentes tensions de référence, sont en effet liées à la construction de cette matrice.

FIGURE11.1 – Fonctionnements schématiques des rafraichissements "rolling shutter" (a) et "global shutter" (b)

Indépendamment de la répartition adoptée pour les pixels allumés, l’architecture de la matrice doit répondre aux contraintes de rafraichissement de données propres aux matrices VLC. La Figure 11.1 (a) illustre le déroulement d’un rafraichissement par balayage dit "rolling shutter", tel qu’il est classiquement mis en place sur des matrices destinées à l’affichage. Les données à afficher sont mises à jour successivement sur chaque ligne de pixels. Durant la majeure partie d’un temps trame, la lumière émise correspond à une combinaison de deux données successives, et non à une donnée unique. Ce mode de rafraichissement n’est pas adapté aux applications de communication en lumière visible, car une observation de la lumière émise par l’émetteur à un instant donné doit permettre au récepteur de déterminer la donnée émise. Il est donc nécessaire que l’architecture utilisée pour la matrice de pixel permette un rafraichissement simultané des données affichées par tous les pixels. Ce mode de distribution des données, appelé "global shutter", est illustré en Figure 11.1 (b). Il assure qu’à chaque

instant tous les pixels de la matrice participent à l’affichage d’une même trame.

11.1 Sélection des pixels à allumer

En modulant l’amplitude du signal lumineux généré par l’intermédiaire du nombre de pixels allumés, un émetteur VLC présente un comportement comparable à celui de certains DAC en courant. Les convertisseurs de type "current switching" ou "current stearing" construisent leur sortie par sommation de courants générés par un ensemble de cellules. Chaque cellule est capable de générer un courant prédéfini, et peut être activée ou non en fonction du courant total à générer [104]. L’émetteur VLC multi LED présente un fonctionnement similaire, avec chaque pixel émettant un flux lumineux constant une fois allumé. Le flux lumineux total résulte de la sommation des flux issus des différents pixels, dont l’extinction ou l’allumage sont commandés en fonction du signal à émettre. Le fonctionnement de l’émetteur n’impose aucune contrainte quant à la position des LEDs allumées au travers de la matrice. On s’in-téresse alors aux différentes configurations de pilotage de la matrice, et aux conséquences sur la qualité du signal généré. L’émetteur VLC pouvant être considérée comme un DAC, les différentes solutions envisagées sont comparées selon les critères habituellement associés à ces convertisseurs.

Le circuit pixel est construit autour d’un miroir de courant, réalisant une copie depuis une référence extérieure à la matrice. Une certaine disparité est alors attendue entre les courants générés par les différents pixels. D’une part, la chute de tension au travers les lignes distribuant l’alimentation du circuit entraine une disparité des courants suivant une structure régulière et prédictible, d’autre part la dispersion technologique des circuits de contrôle engendre une dispersion aléatoire parmi ces courants.

Deux approches différentes ont été étudiées. Une première nommée "groupes en puissance de 2" a été proposée par le département technologique en charge de la production des matrices de LEDs. Cette solution peut être mise en œuvre sur une matrice de test (test chip), sans hybri-dation des LEDs à un circuit de pilotage. La seconde approche nommée "pixels indépendants" a été développée durant cette thèse, et propose de répondre aux problématiques soulevées par l’étude d’un circuit mettant en œuvre la première.