Cette thèse présente un système bioélectronique prometteur, l'Hynet. Ce Réseau Hybride (vivant-artificiel) est conçu pour l'étude du comportement à long terme des cellules électrogénératrices, comme les neurones et les cellules betas, en deux aspects : l'individuel et en réseau. Il est basé sur une boucle fermée et sur la communication en temps réel entre la culture cellulaire et une unité artificielle (Matériel, Logiciel). Le premier Hynet utilise des Matrices d'électrodes (MEA) commerciales qui limitent les performances spatiotemporelles du Hynet. Une nouvelle Matrice d'électrodes intelligente (iMEA) est développée. Ce nouveau circuit intégré, analogique et mixte, fournit une interface à forte densité, à forte échelle et adaptative avec la culture. Le nouveau système améliore le traitement des données en temps réel et une acquisition faible bruit du signal extracellulaire.

La mesure de distance et la détection d'objets sont devenues essentielles dans de nombreux domaines tels que l'automobile ou la robotique, les applications médicales, les procédés industriels et agricoles, les systèmes de surveillance et de sécurité, etc. Dans le but d'améliorer les performances des dispositifs de télémétrie laser en terme de bruit et de diaphonie, une technique hétérodyne par mélange optoélectronique doit être utilisée. Par ailleurs, l'aspect système embarqué nécessite une réduction de l'encombrement et de la consommation à performances égales. L'intégration de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS apporte donc une solution optimale à cette approche grâce à ses multiples avantages (intégration du circuit d'instrumentation sur la même puce, modèles bien connus, coût raisonnable, performances élevées,…). Ainsi cette thèse traitera de l'étude de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS pour la télémétrie embarquée haute résolution. Le premier chapitre de ce manuscrit présente les diverses technique de mesure de distance par télémétrie laser par et justifie le choix de la télémétrie laser par déphasage ainsi que le gain en performances lié à l'hétérodynage. Le second chapitre décrit les mélangeurs électriques et optoélectroniques ainsi que les propriétés nécessaires à leur réalisation. Quelques photodétecteurs y sont présentés au vu de la possibilité de les utiliser en mélangeurs optoélectroniques et d'une intégration potentielle en technologie CMOS. Les principales contraintes liées à l'intégration en technologie CMOS de photocapteurs utilisables en mélangeurs optoélectroniques, sont exposés dans la troisième partie. Les travaux de conception et d'optimisation des structures ainsi que les phases de simulations et de test y sont détaillés. Enfin, pour valider expérimentalement les études précédentes, le dernier chapitre présente la conception d'une chaîne de mesure multivoies pour une tête de photoréception CMOS matricée pour un télémètre laser embarqué haute résolution. / Distance measurement and object detection has become essential in many fields such as automotive and robotics, medical applications, industrial processes and farming systems, surveillance and security, etc.. In order to improve the performance of laser ranging devices in terms of noise and crosstalk, an optoelectronic heterodyne technique of mixing should be used. Moreover, the aspect of embedded system requires a reduction in the size and power consumption for the same performance. The integration of optoelectronic mixers in CMOS technology will provide an optimal solution to this approach through its many advantages (integrated instrumentation circuit on the same chip, well-known models, reasonable cost, high performance, ...). Thus this thesis will focus on the study of optoelectronic mixers in CMOS technology for high resolution, embedded laser range finding systems. The first chapter of this thesis discusses the various technique of distance measurement by laser ranging and justifies the choice of phase shift technique and the gain in performance related to heterodyning. The second chapter describes the electrical and optoelectronic mixers and the properties needed to develop them. Some photodetectors are presented given the opportunity to use optoelectronic mixers and a potential integration with CMOS technology. The main constraints to the integration of CMOS photosensors used in optoelectronic mixers are set out in Part III. The work of design and optimization of structures and phases of simulations and testing are detailed. Finally, to experimentally confirm the earlier studies, the final chapter presents the design of a measuring head for a multichannel photoreceptor CMOS for a high resolution laser range finder.

L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont encore sources de découvertes et de mystère pour la communauté scientifique et pour l’humanité en général. Ces observations sont actuellement principalement basées sur la mesure d’ions et de particules in-situ qui constituent ces milieux. Les instruments d’observation intègrent des détecteurs spatiaux, utilisés pour convertir l'énergie des particules en charges électriques mesurables. Ces derniers sont étroitement liés à leur électronique analogique ou Analog-Front-End (AFE) et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées « sensor heads ». Depuis quelques années, la volonté d’améliorer les résolutions spatiale et spectrale des détecteurs nécessite la conception d’une électronique intégrée multivoies. Ainsi, une électronique spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée. Cela permet d’une part de s’adapter au mieux à chaque détecteur pour en optimiser les performances ; et d’autre part de bénéficier des multiples avantages inhérents à l’utilisation d’une technologie CMOS : diminuer les dimensions et les temps de transit des signaux, intégration multifonctions, réduction des coûts pour une fabrication de masse et effets parasites étudiés et bien connus. Cependant les contraintes spatiales exigent une qualification draconienne du circuit. En effet, ces environnent radiatifs peuvent endommager les systèmes électroniques embarqués à bord des missions spatiales. Grâce à la réduction des dimensions, il ne semble plus opportun aujourd’hui d’utiliser des technologies dédiées au spatial (type SOI ou biCMOS spécifiques) mais plutôt de mettre en œuvre des techniques de durcissement par design (RHBD) sur des technologies standards qui sont moins onéreuses et plus performantes. L’objectif de cette thèse est la conception de nouvelles chaînes d’instrumentations intégrées multivoies pour le spatial. Ce travail, co-financé par le CNES et le CNRS, s’est inscrit dans le cadre d’un projet soutenu par le Réseau Thématique de Recherche Avancée Sciences et Technologies pour l’Aéronautique et l’Espace (RTRA STAE) entre 2008 et 2011, intitulé CASA (Chaines AStrophysiques et leur instrumentation Associée). Au cours de cette thèse nous avons conçu 2 ASICs associés à 2 types de détecteurs spatiaux bien distincts. Le premier permet de compter les électrons en sortie d’une microchannel plate (MCP) tandis que le deuxième permet de quantifier le niveau d’énergie perdu par les e- en pénétrant dans un SC. L’étude de ces différents détecteurs doit d’abord être faite afin de les modéliser pour une parfaite adéquation avec leur électronique de détection. Ensuite, une optimisation des chaînes de conversion en vitesse, bruit et consommation est réalisée. Enfin, une méthodologie de savoir faire au niveau du traitement des informations doit être développée pour pérenniser l’expérience emmagasinée durant ces travaux. / The solar system exploration and study of the distant universe are still sources of discovery and mystery to the scientific community and for humanity in general. These observations are currently mainly based on the measurement of ions and particles in-situ forming these environments. The observation instruments incorporate spatial sensors, used to convert particles energy into electrical charges measurable. These are closely related to their electronic analog or Analog-Front-End (AFE) and the combination form chains astrophysical detection called "sensor heads". In recent years, the desire to improve the spatial and spectral resolution detectors requires the design of a multichannel integrated electronics. Thus, a spatial-type electronic Application Specific Integrated Circuit (ASIC) should be developed. This allows one hand to best adapt to each detector to optimize performance, and on the other hand to benefit from multiples advantages inherent in the use of CMOS technology: reducing the size and transit time signals, multi-function integration, cost reduction for mass production and interference effects studied and well known. However, the spatial constraints require a drastic qualification of the circuit. Indeed, the surrounding radiation can damage electronic systems on board the space missions. By reducing the size, it seems more appropriate today to use technologies for the space (or BiCMOS SOI specific) but rather to implement hardening design techniques (RHBD) on standard technologies that are less expensive and more efficient. The objective of this thesis is the design of new integrated multi-channel instrumentation for space. This work, co-funded by CNES and CNRS, has registered as part of a project supported by the Advanced Research Thematic Network Science and Technology for Aeronautics and Space (RTRA STAE) between 2008 and 2011, called CASA (Channels Astrophysics and their associated instrumentation). In this thesis we have designed two ASICs associated with two types of distinct space detectors. The first is used to count the electrons at the output of a MicroChannel Plate (MCP) and the second quantifies the amount of energy lost by e- by entering in a SC. The study of these different sensors must first be made to model them for a perfect match with their detection electronics. Then the chain optimization in conversion speed, noise and consumption is achieved. Finally, a methodology of knowledge in the processing of information must be developed to sustain the experience stored in this work.

Le domaine de la conversion d'énergie requiert, la plupart du temps, la mise en œuvre d'études spécifiques et coûteuses pour répondre, avec les meilleures performances possibles (rendement, compacité, CEM), aux diverses applications. Afin de proposer une solution générique et évolutive, nous nous sommes intéressés à l'utilisation d'un réseau de micro- convertisseurs optimisés, de faible puissance, que l'on peut associer en série et/ou en parallèle, pour couvrir un large domaine d'applications. Dans ces conditions, un effort unique de réflexion est à porter sur le dimensionnement d'un micro-convertisseur optimisé qui joue le rôle de cellule élémentaire ou de brique de base pour l'établissement du réseau complet. Cependant, cela suppose de mettre en œuvre également une méthode de contrôle adaptée au grand nombre de micro-convertisseurs ainsi qu'une technique de communication entre tous les micro-convertisseurs, pour assurer un bon équilibrage de la puissance. L'objectif principal de cette thèse est de fournir une solution intégrée pour le contrôle à la fois des cellules de commutation internes du micro-convertisseur et du réseau lui-même. Pour y parvenir, une solution modulaire de contrôle entièrement décentralisé est proposée. Trois étapes essentielles sont alors étudiées : la génération des porteuses entrelacées, l'équilibrage des courants de phase et la régulation des grandeurs de sortie courant et/ou tension. Ces trois étapes sont abordées de manière à proposer une solution entièrement décentralisée. Plusieurs cartes de test ont été réalisées pour valider chaque fonction indépendamment. Un circuit intégré (démonstrateur), implémentant l'ensemble des fonctions nécessaires au contrôle d'un micro-convertisseur 5V-2A-1MHz, a également été conçu et testé. Les résultats expérimentaux montrent clairement la validité des solutions proposées, ce qui ouvre la voie vers un contrôle mieux adapté aux nouveaux types d'architectures multi-phasées et distribuées en réseau.

L'exploration du système solaire et l'étude de l'univers lointain sont principalement basées sur la mesure d'ions et de particules in-situ. Les détecteurs, utilisés pour convertir l'énergie en charges électriques mesurables, sont étroitement liés à leur électronique analogique Analog-Front-End (AFE) et cette combinaison forme des chaines astrophysiques de détection appelées "sensor heads". La nécessité d'améliorer les résolutions spatiales et spectrales des détecteurs nécessite la conception d'une électronique intégrée multivoies. Par ailleurs, pour s'adapter au mieux à chaque détecteur, une instrumentation spécifique devra être mise en oeuvre. Ainsi, le développement d'une électronique spatiale de type Application Specific Integrated Circuit (ASIC) doit être développée, nécessitant un savoir faire spécifique. La première partie de la thèse est consacrée à décrire les différentes méthodes de mesure des particules en environnement spatial. Le deuxième chapitre présente l'architecture d'un détecteur constitué de MicroChannel Plates (MCP), puis l'architecture d'un détecteur à base de semi-conducteurs pour la spectrométrie d'électrons énergétique. Le premier détecteur est utilisé pour la détection de particules alors que le deuxième permet de mesurer le niveau d'énergie déposé par les électrons dans des semi-conducteurs (Si et CdZnTe). Le simulateur GEANT 4 a permis de déterminer la géométrie optimale du détecteur en quantifiant le nombre de paires électron-positron créées dans les semi-conducteurs en fonction de l'énergie des particules incidentes. Le troisième chapitre présente une méthodologie de conception des chaînes d'instrumentation en technologie CMOS permettant de s'adapter aux différents détecteurs. Une étude succincte des effets de l'environnement spatial sur l'électronique CMOS est également réalisée. La structure analogique permettant de convertir une charge en tension est présentée et des pistes dont proposées afin de l'optimiser en vitesse, en bruit et en consommation. Le quatrième et cinquième chapitres de la thèse traitent du développement de deux ASICs, l'un permettant d'instrumenter un détecteur à MCP, l'autre un détecteur à semi-conducteurs. Enfin, le dernier chapitre présente les validations expérimentales et les performances des chaînes de détection pour la MCP et les semi-conducteurs. Les résultats de ces mesures ont permis de montrer la faisabilité de l'intégration multivoies de deux chaînes d'instrumentation spatiale validant ainsi la méthodologie de conception. Les performances obtenues sont meilleures que celles obtenues en électronique discrète et sont adaptées à l'environnement spatial. Ces nouvelles chaînes multivoies réalisées ouvrent donc de nouvelles perspectives dans les futures missions en astrophysique.

Le domaine de la conversion d’énergie requiert, la plupart du temps, la mise en œuvre d’études spécifiques et coûteuses pour répondre, avec les meilleures performances possibles (rendement, compacité, CEM), aux diverses applications. Afin de proposer une solution générique et évolutive, nous nous sommes intéressés à l’utilisation d’un réseau de micro-convertisseurs optimisés, de faible puissance, que l’on peut associer en série et/ou en parallèle, pour couvrir un large domaine d’applications. Dans ces conditions, un effort unique de réflexion est à porter sur le dimensionnement d’un micro-convertisseur optimisé qui joue le rôle de cellule élémentaire ou de brique de base pour l’établissement du réseau complet. Cependant, cela suppose de mettre en œuvre également une méthode de contrôle adaptée au grand nombre de micro-convertisseurs ainsi qu’une technique de communication entre tous les micro-convertisseurs, pour assurer un bon équilibrage de la puissance. L'objectif principal de cette thèse est de fournir une solution intégrée pour le contrôle à la fois des cellules de commutation internes du micro-convertisseur et du réseau lui-même. Pour y parvenir, une solution modulaire de contrôle entièrement décentralisé est proposée. Trois étapes essentielles sont alors étudiées : la génération des porteuses entrelacées, l’équilibrage des courants de phase et la régulation des grandeurs de sortie courant et/ou tension. Ces trois étapes sont abordées de manière à proposer une solution entièrement décentralisée. Plusieurs cartes de test ont été réalisées pour valider chaque fonction indépendamment. Un circuit intégré (démonstrateur), implémentant l’ensemble des fonctions nécessaires au contrôle d’un micro-convertisseur 5V-2A-1MHz, a également été conçu et testé. Les résultats expérimentaux montrent clairement la validité des solutions proposées, ce qui ouvre la voie vers un contrôle mieux adapté aux nouveaux types d’architectures multi-phasées et distribuées en réseau. / The field of energy conversion requires, in most cases, the implementation of specific and expensive studies in order to answer to various applications with the best performances of efficiency, compactness, and EMC for example. To propose a generic and scalable solution, we are interested in the use of a network of optimized micro-converters, low power, which can be combined in series and/or in parallel, to cover a wide range of applications. Under these conditions, one single effort is to focus on the design of an optimized micro-converter which plays the role of individual cell or brick base for the establishment of the complete network. However, this means also to implement a control method adapted to many micro-converters and a communication method between all micro-converters, to ensure a good balance of power. The main objective of this thesis is to provide an integrated solution for controlling both internal commutation cells of each micro-converter and the all network itself. To achieve this, a modular and fully decentralized control solution is proposed. Three essential steps are studied: the generation of interleaved carriers, the phase currents balancing and the output variables regulation (current and / or voltage). These three steps are discussed in order to propose a fully decentralized solution. Several test cards were realized to validate each function independently. An integrated circuit (demonstrator), implementing all the necessary control functions for a 5V-2A-1MHz micro-converter has also been designed and tested. The experimental results clearly demonstrate the validity of the proposed solutions, which opens the way to a control much more adapted to these new architectures of multi-phase conversion and distributed network.

Cette thèse présente un système bioélectronique prometteur, l’Hynet. Ce Réseau Hybride (vivant-artificiel) est conçu pour l’étude du comportement à long terme des cellules électrogénératrices, comme les neurones et les cellules betas, en deux aspects : l’individuel et en réseau. Il est basé sur une boucle fermée et sur la communication en temps réel entre la culture cellulaire et une unité artificielle (Matériel, Logiciel). Le premier Hynet utilise des Matrices d’électrodes (MEA) commerciales qui limitent les performances spatiotemporelles du Hynet. Une nouvelle Matrice d’électrodes intelligente (iMEA) est développée. Ce nouveau circuit intégré, analogique et mixte, fournit une interface à forte densité, à forte échelle et adaptative avec la culture. Le nouveau système améliore le traitement des données en temps réel et une acquisition faible bruit du signal extracellulaire. / This thesis presents a promising new bioelectronics system, the Hynet. The Hynet is a Hybrid (living-artificial) Network, developed to study the long-term behavior of electrogenic cells (such as Neurons or Beta-cells), both individually and in a network. It is based on real-time closed-loop communication between a cell culture (bioware) and an artificial processing unit (hardware and software). In the first version of our Hynet, we use commercial Multielectrode Arrays (MEA) that limits its spatiotemporal performances. A new Intelligent Multielectrode Array (iMEA) is therefore developed. This new analog/mixed integrated circuit provides a large-scale, high-density, and adaptive interface with the Bioware, which improves the real-time data processing and the low-noise acquisition of the extracellular signal. / Esta dissertação de doutorado apresenta um sistema bioeletrônico auspicioso, o Hynet. Esta Rede Híbrida (viva e artificial), é concebida para o estudo do comportamento à longo prazo de células eletrogeneradoras (como neurônios ou células beta), em dois aspectos : individual e em redes. Ele é baseado na comunicação bidirecional, em laço fechado e em tempo real entre uma cultura celular (Bioware) e uma unidade artificial (Hardware ou Software). Um primeiro Hynet é apresentado, mas o uso de Matrizes de Eletrodos (MEA) comerciais limita a performance do sistema. Finalmente, uma nova Matriz de Eletrodos Inteligente (iMEA) é desenvolvida. Este novo circuito integrado fornece uma interface adaptativa, em alta densidade e grande escala, com o Bioware. O novo sistema melhora o processamento de dados em tempo real e a aquisição baixo ruído do sinal extracelular.