Les modes de lecture

Bien que l’´electronique froide d´ecrite pr´ec´edemment soit le v´eritable cœur des matrices de bolom`etres, c’est BOLC qui orchestre l’activit´e ´electrique du CL et du BU. Il g´en`ere toutes les tensions visibles sur la figure 3.11 et coordonne l’adressage des pixels ainsi que la conversion des signaux analogiques en valeurs num´eriques. Les composants qui assurent ces conversions sont des ADC (Analog-to-Digital Converter ) 16-bits dont la dynamique peut ˆetre ajust´ee en chan- geant le gain de l’´electronique de BOLC. En mode nominal de fonctionnement, le gain de BOLC

est tel que l’ADC ´echantillonne correctement le bruit du signal ´electrique, c’est-`a-dire que le bruit r.m.s. doit occuper plusieurs pas codeurs pour ne pas se retrouver limit´e par le bruit de num´erisation. Dans ce mode que nous appelons gain fort, un pas codeur vaut 5 µV, ce qui donne une dynamique totale de 330 mV. BOLC offre une autre alternative, le gain faible, pour laquelle le gain est r´eduit d’un facteur 4, ce qui am`ene la dynamique totale des ADC `a 1.3 V. Nous verrons le grand int´erˆet du gain faible pour l’´etalonnage des matrices dans le chapitre suivant. Le lecteur pourra se r´ef´erer `a l’annexe C pour plus de d´etails sur la dynamique des convertisseurs num´eriques.

BOLC joue de plus le rˆole d’interface entre le photom`etre et le reste de l’instrument PACS. En particulier, il re¸coit et ex´ecute les t´el´ecommandes envoy´ees par l’utilisateur. Il fournit ´egalement au SPU les conversions num´eriques du signal ainsi que les HK (les (( House Keeping )) contiennent les informations d’´etat du photom`etre telles que la temp´erature des diff´erentes par- ties de la cam´era, les tensions envoy´ees vers l’´electronique froide, etc...).

La fr´equence d’´echantillonnage des points milieux est fix´ee par BOLC ; sa valeur no- minale est de 40 Hz. Cependant, la faible bande passante de l’antenne `a haut gain du satellite n´ecessite de moyenner 4 images successives dans le SPU avant de les transmettre vers la Terre (cf section 1.3.3). La fr´equence effective des donn´ees du Photom`etre PACS est donc de 10 Hz. Nous avons naturellement effectu´es la campagne d’´etalonnage du Photom`etre PACS en moyennant 4 images successives pour ˆetre le plus repr´esentatif possible des conditions de l’instrument dans l’espace. N´eanmoins, nous avons relax´e cette contrainte pour tous les tests effectu´es `a Saclay ce qui nous permet d’obtenir l’information spectrale contenue dans les donn´ees jusqu’`a 20 Hz, c’est-`a-dire la fr´equence de Nyquist (cf sections 5.1.2, 5.3.3 et 5.4.1).

L’´electronique de lecture des matrices de bolom`etres permet d’effectuer des mesures diff´erentielles du signal bolom´etrique ; le but ´etant de corriger les d´erives ´eventuelles du circuit de lecture ou des bolom`etres eux-mˆeme. Les sources de bruits parasites peuvent ˆetre de nature tr`es diff´erentes, comme par exemple la d´erive en temp´erature du plan focal, la d´erive des gains et offsets des transistors, la microphonie12 ou bien les perturbations ´electromagn´etiques13. Pour r´ealiser ces mesures diff´erentielles, nous utilisons deux tensions de r´ef´erence que BOLC injecte au niveau de l’´electronique froide (Vhbet Vref sont visibles en bleu sur la figure 3.11). Il est donc

en th´eorie possible de corriger toutes les d´erives qui interviennent en aval du point d’injection des tensions de r´ef´erence. BOLC offre plusieurs modes de lecture du signal bolom´etrique, dont

12

La microphonie d´ecrit le ph´enom`ene dans lequel les vibrations m´ecaniques d’un syst`eme ´electrique se trans- forment en signaux ´electriques ind´esirables. Le terme de microphonie provient de l’analogie avec les v´eritables microphones pour lesquels ce ph´enom`ene est intentionnel plutˆot qu’involontaire. Notez toutefois que les matrices de bolom`etres sont relativement peu sensibles aux bruits microphoniques du fait de la tr`es bonne qualit´e des contacts ´electriques et de l’utilisation de cˆables flex en kapton.

13

L’environnement ´electromagn´etique du Photom`etre PACS risque de ne pas ˆetre tr`es stable. Les panneaux solaires du satellite par exemple pr´esentent une lente oscillation du courant qu’ils g´en`erent produisant ainsi un flux magn´etique variable `a proximit´e du Photom`etre. Cette (( respiration )) des panneaux peut potentiellement induire des courants parasites dans l’´electronique de lecture des matrices. Ce type de bruit a ´et´e largement att´enu´e en donnant une masse commune `a tous les ´el´ements du d´etecteur (CL, BU et BOLC ) et grˆace aux mesures diff´erentielles d´ecrites dans le corps du texte.

86 Chapitre 3: Les matrices de bolom`etres du Photom`etre Herschel/PACS

deux ont ´et´e explor´es de fa¸con exhaustive : le mode direct et une de ces variantes que nous appelons le mode DDCS (Double Differential Correlated Sampling).

Le mode direct

Le design originel des matrices contenait deux colonnes de pixels aveugles. Ces pixels ´etaient en tous points identiques aux autres pixels dit actifs, sauf qu’ils ´etaient couverts et ne recevaient aucun flux radiatif. Il ´etait cependant possible de changer la temp´erature de la grille absorbante des pixels aveugles par le biais d’une chaufferette, nous pouvions alors les placer dans un r´egime de fonctionnement similaire `a celui des pixels actifs (flux radiatif absorb´ee ⇐⇒ puis- sance ´electrique dissip´ee). Leur rˆole consistait `a mesurer les d´erives du signal dues aux fluctua- tions de la temp´erature du bain thermique ou de l’´electronique de lecture et ainsi de corriger une partie du bruit corr´el´e contenu dans le signal. En pratique, il ´etait tr`es difficile de r´egler les chaufferettes avec pr´ecision ; le signal des pixels aveugles ´etait par cons´equent tr`es dispers´e ce qui entraˆınait une s´ev`ere perte d’information par saturation des convertisseurs num´eriques. Les matrices actuelles du Photom`etre PACS poss`edent toujours ces deux colonnes de pixels aveugles mais ils sont ´electriquement d´econnect´es du circuit de lecture. C’est maintenant la tension Vhb,

qui est inject´ee au niveau du BU, qui remplace le signal des pixels aveugles.

Le mode de lecture direct consiste `a prendre la diff´erence entre le signal bolom´etrique et la tension de r´ef´erence Vhb. Cette op´eration est r´ealis´ee en entr´ee de BOLC par un soustracteur

analogique (le point milieu rentre sur la patte Ä de l’amplificateur). Les deux tensions sont soustraites de fa¸con synchrone. Le r´esultat est alors amplifi´e par le gain de BOLC avant d’ˆetre num´eris´e par les ADC puis envoy´e vers le SPU. Remarquez que le mode direct pourrait ˆetre renomm´e mode simple diff´erenciation pour ˆetre plus explicite. Vhb ´etant une tension constante

choisie par l’op´erateur, elle peut ˆetre consid´er´ee comme un offset qui permet de changer le niveau d’entr´ee de l’ADC de BOLC.

Dans le domaine lin´eaire de fonctionnement de l’´electronique de lecture (cf section 4.2), nous pouvons ´ecrire la formule analytique suivante qui relie le signal de sortie de BOLC, Vsortie,

aux autres tensions du circuit :

Vsortie = GBOLC× GBU× [Vhb− (GCL× Ventree+ OCL)] (3.6)

o`u chacun des termes de l’´equation et leurs d´ependances vis-`a-vis des param`etres du syst`eme est d´ecrit dans la liste suivante :

– GBOLC est le gain de BOLC, il peut prendre deux valeurs (cf annexe C).

– GBU est le gain des transistors du BU. Il d´epend de la temp´erature du BU, du courant

qui l’alimente IV SS BU, du num´ero de la colonne lue ainsi que de la tension d’entr´ee

du BU.

– GCL et OCL sont les gains et offsets des transistors14 du CL. Ils d´ependent de la

temp´erature du CL, du courant qui l’alimente IV SS, de la position du pixel sur la

matrice ainsi que de la tension d’entr´ee du CL.

14

Signal

Signal

Vref V

ref

Vptmil Vref V Vref ref

Pixel_1 Pixel_2 Pixel_3 Pixel_16 Pixel_1 Pixel_2

0.78 ms 1.56 ms

25 ms

Mode Direct Mode DDCS

Vptmil Vref Vptmil Vptmil Vptmil Vptmil

V_ptmil Vptmil V_ptmil V_ptmil V_ptmil V_ptmil Temps

Fig._{3.12 ´Evolution temporelle du signal d’entr´ee de BOLC en mode DDCS et en mode direct} pour une colonne contenant 16 pixels. En mode DDCS, le signal s’´etablit successivement au potentiel du point milieu puis de Vref. Le multiplexeur s´electionne le pixel suivant et le signal

s’´etablit `a nouveau au potentiel du point milieu du second pixel puis `a celui de Vref. La tension

Vref est choisie par l’op´erateur, elle est commune `a tous les pixels d’un mˆeme BU. Par contre les

points milieux sont dispers´es `a cause de l’inhomog´en´eit´e du processus d’implantation ionique. Les temps caract´eristiques de chaque ´etape du s´equencement sont ´egalement montr´es sur la figure. En mode direct, les points milieux se succ`edent. Dans les deux modes de lecture, le temps d’´etablissement du signal est fix´e par la constante de temps du circuit `a moyenne imp´edance.

– Vhb est la tension de r´ef´erence fournie par BOLC.

– Ventree est la tension d’entr´ee du CL. En mode direct, elle vaut Vptmil, la tension du

point milieu ; mais elle peut aussi prendre la valeur Vref qui est l’autre tension de

r´ef´erence fournie par BOLC.

Remarquez que le signal bolom´etrique et la tension Vhbne circulent pas dans les mˆemes transis-

tors au niveau du BU (cf figure 3.11) ; il faudrait donc en toute rigueur diff´erencier les gains et offsets des MOS qui transportent le signal bolom´etrique de ceux qui transportent Vhb. Toutefois,

ces MOS sont identiques par construction et sont de surcroit aliment´es par les mˆemes tensions g´en´er´ees par BOLC. Nous consid´erons alors que les gains et offsets du BU sont identiques ; c’est la raison pour laquelle OBU n’apparaˆıt pas dans l’equation (3.6) et que GBU a pu ˆetre factoris´e.

Le mode DDCS

Grˆace `a la tension Vref qui est inject´ee `a l’entr´ee du CL, il est possible de r´ealiser une

soustraction suppl´ementaire entre Vptmil et Vref qui permet de corriger le signal bolom´etrique

des d´erives de toute la chaˆıne ´electronique. Le mode DDCS offre donc une lecture doublement diff´erentielle du signal d’o`u son nom Double Differential Correlated Sampling. Notez que les

88 Chapitre 3: Les matrices de bolom`etres du Photom`etre Herschel/PACS

tensions Vptmil et Vref ´etant ind´ependantes, le bruit associ´e au mode DDCS est en th´eorie la

somme quadratique des bruits associ´es `a chacune de ces tensions (cf section 5.4.1 et annexe B). La lecture en mode DDCS consiste `a intercaler une mesure de Vref entre deux mesures

successives de points milieux. Cette fonction est remplie par les tensions V DECX et CKRL qui jouent le rˆole d’interrupteurs entre le pont bolom´etrique et la tension Vref respectivement

et le PEL. En effet, leur mode de fonctionnement est similaire `a celui de la tension VSM S;

c’est-`a-dire que les tensions d’adressage ADX1 et ADX2 s´electionnent le pixel `a lire, puis, selon

leur valeur, V DECX ouvre ou ferme la connection ´electrique entre le CD et le PEL, et CKRL ouvre ou ferme la connection entre Vref et le PEL (cf figure 3.11). En pratique, BOLC commande

les tensions V DECX et CKRL en suivant une s´equence temporelle pr´ed´efinie par l’op´erateur de sorte qu’il peut ´echantillonner alternativement Vptmil et Vref sur chacun des pixels. Nous

appelons cette s´equence temporelle le s´equenceur.

La figure 3.12 montre l’´evolution temporelle du signal ´electrique qui entre dans BOLC dans les deux modes de lecture. En mode DDCS, la s´equence commence avec le PEL connect´e au pont bolom´etrique du pixel 1, c’est-`a-dire V DECX est passant ; le signal s’´etablit au potentiel du point milieu avec une constante de temps de l’ordre de 0.1 ms (la fr´equence de coupure du BU est d’environ 1500 Hz), puis les V DECX et CKRL commutent pour d´econnecter le point milieu et relier la tension de r´ef´erence au PEL. Nous voyons donc le signal s’´etablir `a la valeur Vref avec la mˆeme constante de temps. Le multiplexeur adresse ensuite le pixel suivant et r´ep`ete

cette succession de Vptmil et Vref. Remarquez sur la figure que la valeur des tensions Vref est

commune `a tous les pixels de la colonne15alors que les tensions de points milieux sont dispers´ees autour de Vref `a cause de la dispersion d’imp´edance intrins`eque des bolom`etres. Lorsque les

16 pixels d’une mˆeme colonne ont ´et´e lus, le multiplexeur retourne sur le pixel 1 de la mˆeme colonne et ainsi de suite. Le temps qui s´epare deux lectures successives d’un mˆeme pixel est l’inverse de la fr´equence d’´echantillonnage, c’est-`a-dire 25 ms.

Le temps qui s´epare la lecture de deux pixels successifs vaut un seizi`eme de la p´eriode d’´echantillonnage, c’est-`a-dire 1.56 ms. Enfin, le temps qui s´epare les mesures de points milieux et de Vref vaut la moiti´e du temps pass´e `a adresser un mˆeme pixel, c’est-`a-dire 0.78 ms. Ces

temps caract´eristiques sont report´es sur la figure 3.12. La partie inf´erieure de la figure pr´esente la mˆeme colonne de pixels lue cette fois-ci en mode direct. De la mˆeme mani`ere le multiplexeur passe d’un pixel `a l’autre et le signal d’entr´ee de BOLC est donc la succession des points milieux de chaque pixel sans passer par la tension Vref. En mode direct, les V DECX et CKRL sont

statiques.

Alors qu’en mode direct la soustraction est analogique et synchrone, la diff´erence sup- pl´ementaire du mode DDCS est num´erique et d´ecal´ee dans le temps de 780 µs. En effet, BOLC effectue une premi`ere conversion num´erique lorsque le PEL est au potentiel du point milieu (cf figure 3.13), la valeur de Vhb − Vptmil est alors stock´ee dans un r´egistre. BOLC effectue une

seconde conversion num´erique sur Vref et stocke la valeur Vhb− Vref dans un autre registre. En

mode DDCS, BOLC fournit la diff´erence entre la premi`ere et la deuxi`eme conversion de sorte

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Vref Vref 0.78 ms 1.56 ms 25 ms Temps Vptmil Vptmil Commutation du multiplexeur ere 1 Conversion eme 2 Conversion Commutation VDECX/CKRL VDECX/CKRL Commutation sur V

sur le point milieu

ref

sur le pixel

Fig._{3.13 ´Evolution temporelle du signal au niveau du PEL d’un pixel en mode DDCS. Le PEL} est connect´e au pont bolom´etrique pendant quinze seizi`eme du temps pour laisser le temps au point milieu de s’´etablir (la constante de temps du bolom`etre est relativement longue). BOLC effectue une premi`ere conversion num´erique qui contient V hb − Vptmil. Apr`es la commutation

des V DECX et CKRL, le potentiel du PEL s’´etablit `a Vref assez rapidement et BOLC effectue

une seconde conversion num´erique sur Vref. Le signal de sortie de BOLC vaut (Vhb− Vptmil) −

(Vhb− Vref), soit Vref− Vptmil.

que le signal de sortie peut s’exprimer comme suit :

Vsortie = GBOLC× GBU × GCL × (Vref − Vptmil) (3.7)

o`u Vhb et les offsets des MOS CL et BU sont ´elimin´es du fait de la double diff´erence.

Nous avons maintenant d´efini les principales fonctions de l’´electronique de lecture, nous allons donc arr´eter ici sa description. Toutefois, nous reviendrons ponctuellement sur certains aspects de son fonctionnement tout au long du manuscrit pour expliquer et interpr´eter le com- portement des matrices de bolom`etres.

La proc´edure d’´etalonnage

Ce chapitre pr´esente les premi`eres ´etapes de la proc´edure d’´etalonnage que nous avons mise au point pour caract´eriser le Photom`etre PACS. Nous montrerons dans un premier temps que la m´ethode g´en´eralement utilis´ee pour ´etalonner les bolom`etres traditionnels n’est pas appliquable aux matrices de bolom`etres du CEA. Nous pr´esenterons ensuite le d´eroulement de la proc´edure de test qui nous permet aujourd’hui d’automatiser le r´eglage des d´etecteurs, et qui nous fournit de surcroˆıt une base de donn´ee compl`ete sur laquelle nous nous appuyons pour comprendre et pr´edire le comportement des matrices. Ce travail est le fruit d’une collaboration ´etroite avec Louis Rodriguez, Olivier Boulade et Eric Doumayrou.