Puissance dissipée par la matrice de pixels

La puissance consommée par une matrice de pixels à intégration APS-3T (pixels actifs

à 3 transistors) utilisant le mode "capture progressive" (rolling shutter) est présentée par

l’équation suivante :

Equation 2.12. Pmatrice = FR . M . N (EReset + ESF) + N . M . Pleak

Photodiode

Reset

Amplificateur suiveur (SF)

Transistor de sélection

Vs_pixel

Y_sel

Enable

Source follower bias (SFB)

Bu

s co

lon

n

e

SHS

SHR

CS

C_R

CDS

CDS

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F_R : nombre d’images par seconde (Frame rate)

N : nombre de lignes

M : nombre de colonnes

E_Reset : énergie nécessaire pour l’initialisation du pixel

E_SF : énergie dissipée par l’amplificateur suiveur au sein du pixel

P_leak : puissance dissipée due aux courants de fuite au sein du transistor de reset et du transistor de selection

Equation 2.13. EReset = Vdd . VReset . CPd

V_dd : tension d’alimentation

V_Reset : tension de reset du pixel

C_Pd : capacité équivalente de la photodiode

Dans le cas où on utilise un transistor d’initialisation de type NMOS, la tension VReset

est approximativement égale à Vdd. Durant la phase d’initialisation du pixel, une partie de

l’énergie provenant de la source d’alimentation est stockée au sein de la capacité CPdde la

photodiode, alors que l'autre partie est dissipée par le transistor de reset. Durant la phase de

photo-transduction, l’énergie conservée par la capacité CPd est dissipée par le mécanisme de

photo-génération.

L’amplificateur suiveur au sein de chaque pixel a pour rôle de transmettre un signal

analogique sous une impédance réduite vers les amplificateurs colonne (échantillonnage,

stockage et amplification du signal). L'énergie dépensée se traduit par l'équation suivante:

Equation 2.14.

E_SF = V_dd . V_S (C_S + C_col) + V_dd . V_R (C_R + C_col) + I_LN . V_{DSF_Sav} .T_{CS_charge}

+ ILN . VDSF_Rav .TCR_charge + ILN (Vdd - VS). αs + ILN (Vdd – VR). αR

C_S : capacité pour stocker le signal liée à l’intensité lumineuse

C_R : capacité pour stocker le signal liée à l’initialisation du pixel (signal de reset)

C_col : capacité du bus colonne

VS : valeur maximale de la tension aux bornes de la capacité CS

V_R : valeur maximale de la tension aux bornes de la capacité C_R

I_LN : courant de polarisation fourni par le transistor SFB

T_{CS_charge} : temps nécessaire pour charger la capacité C_S

T_{CR_charge} : temps nécessaire pour charger la capacité C_R

V_{DSF_Sav} : valeur moyenne de la tension drain-source du transistor SF durant le chargement de la capacité C_S

V_{DSF_Rav} : valeur moyenne de la tension drain-source du transistor SF durant le chargement de la capacité C_R

αS = T_{S_read_out} - T_{CS_charge} ; avec T_{S_read_out} est la période durant laquelle le transistor de sélection est fermé pour

permettre la lecture du signal utile (proportionnel à l’intensité lumineuse)

αR = T_{R_read_out} - T_{CR_charge} ; avec T_{R_read_out} est la période durant laquelle le transistor de sélection est ouvert pour

permettre la lecture du signal de reset

Dans la pratique, les concepteurs des capteurs d’image CMOS font le choix

symétrique suivant :

αS = αR =αS/R; C_S = C_R = C_S/_R ; V_S = V_R = V_S/R ; V_{DSF_Sav} = V_{DSF_Rav} = V_{DSF_S / Rav} ; T_{CS_charge} = T_{CR_charge}

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L’équation 2.14 devient :

Equation 2.15.

E_SF = 2 . V_dd . V_S/R (C_S/R + C_col) + 2 . I_LN . V_{DSF_S/Rav} .T_{CS/R_charge} + 2 . I_LN (V_dd - V_S/R). αS/R

Les deux premiers termes de l’équation 2.15 représentent la puissance nécessaire

dissipée pour la lecture du pixel. Le dernier terme devrait être optimisé afin de réduire la

consommation énergétique totale de la matrice. Dans la pratique, l’optimisation significative

de la consommation totale de l’imageur passe par l’optimisation du premier terme. En effet, la

capacité Ccol du bus colonne devient de plus en plus importante pour les imageurs de large

format. La conception de capteurs d’image CMOS de petite et moyenne taille est appréciable

puisqu’elle permet des économies importantes d’énergie.

La puissance dissipée " Pleak " (dernier terme de l’équation 2.12) est due aux courants

de fuite à travers le transistor de reset. Ces courants de fuite deviennent de plus en plus

importants avec les technologies submicroniques récentes (à partir du 0.18 µm). Il existe trois

composantes principales de courants de fuite : courant de fuite de grille, courant sous-seuil et

courant de fuite entre source et drain. Actuellement, les fabricants des capteurs d’image

CMOS évitent de concevoir des imageurs en technologies submicroniques récentes (procédés

plus récents que la technologie 0.13 µm) à cause de la dégradation significative des

performances du capteur. Le "courant sous-seuil du transistor" reste prédominant par rapport

aux autres courants de fuite dans les capteurs d’image CMOS actuels. Le courant sous le seuil

d'un MOS est donné par l'équation suivante:

Equation 2.16.

I_{sub_th} = I₀ . exp[ (V_GS - V_TH) / (n . V_t) ] . (1 – exp[-V_DS / V_t]) . exp[(ɳ .V_DS) / (n . V_t)]

I₀ = µ₀ . C_ox . (W/L) . (n - 1) . V_t²

V_TH : tension de seuil du transistor

V_t = kT / q ; tension thermique

ɳ : coefficient de l’effet d’abaissement de la barrière de potentiel induite par le drain (DIBL : Drain Induced

Barrier Lowering)

n : coefficient de basculement sous-seuil du transistor (subthreshold swing coefficient)

µ0 : constante magnétique ou perméabilité magnétique du vide (µ0 = 4π 10^-7 Kg. m. A^-2. S^-2)

Cox : capacité de l’oxyde par unité de surface

Isub_th varie en fonction de l’intensité lumineuse du pixel. Ceci s’explique par la

dépendance de ce courant de fuite avec la tension VDS du transistor de reset. La variation du

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courant I_{sub_th} a un impact considérable non seulement sur la puissance dissipée au sein du

pixel, mais aussi sur la qualité de l’image capturée.

En ce qui concerne les imageurs qui emploient le mode "capture instantanée", la

puissance dissipée est similaire à celle des imageurs utilisant la "capture progressive". La

seule différence est la présence d’un pic élevé de consommation énergétique, dû à la lecture

simultanée de tous les pixels de l’imageur (équation 2.17).

Equation 2.17. EPeak_Reset = N . M . Vdd . VReset . CPd

Les capteurs d’image numériques intègrent du traitement, de la mémoire et de la

conversion analogique / numérique au sein de chaque pixel. Cette catégorie d’imageurs a une

consommation énergétique très élevée ; plusieurs blocs analogiques et numériques présents au

sein de chaque pixel fonctionnent en même temps provoquant un fort appel de courant.

La puissance dissipée par un capteur d’image numérique est traduite par l’équation

suivante :

Equation 2.18. Pmatrice = FR . M . N (EReset + Eread_out + Eanalog + Edigital) + N . M . Pleak

E_{read_out} : énergie dissipée lors de la lecture d’un pixel (E_{read_out} = E_SF lorsqu’il s’agit d’un capteur standard)

Eanalog : énergie dissipée par les blocs analogiques au sein de chaque pixel

E_digital : énergie dissipée par les blocs numériques au sein de chaque pixel

Dans le document Conception d'un micro-capteur d'image CMOS à faible consommation d'énergie pour les réseaux de capteurs sans fil (Page 62-65)