Conception et intégration d'un circuit haute tension reconfigurable pour l'interfaçage de capteurs

Depuis quelques années, l’industrie du transport connaît un important essor des solutions électriques, qui pourraient représenter une solution viable et durable pour réduire l’impact environnemental et social de cette industrie. Cette transition vers l’électrique induit égale- ment une augmentation du volume d’électronique embarquée installée dans les véhicules pour améliorer leur performance et leur consommation. Cependant, de tels circuits sont coûteux et complexes à mettre en place, en particulier dans des solutions industrielles qui doivent maintenir de bons niveaux de performance en milieu hostile et sous des niveaux de tensions élevés, supérieurs à ceux usuellement présentés dans la littérature. Pour répondre à cette problématique de complexité de conception, ce mémoire contribue au développement d’une interface de capteurs reconfigurable, adaptée à une grande variété d’applications de précision haute tension. L’interface de capteurs doit amplifier et filtrer les signaux analogiques des capteurs avant leur conversion et traitement numériques. Les amplificateurs à gain programmable (AGP) sont essentiels pour ajuster le niveau de signal à une plage optimale pour les convertisseurs analogique-numérique (CAN), tandis que les filtres anti-repliement (FAR) sont cruciaux pour éliminer les fréquences indésirables avant l’échantillonnage. Ce mémoire se propose de déve- lopper des solutions avancées pour ces deux composants en se concentrant sur une structure d’AGP à rétroaction négative, ainsi qu’un FAR continu, dont la fréquence de coupure sera reconfigurable. Ces deux circuits bénéficieront d’une conception en mode-courant, qui a su montrer dans la littérature récente de nombreux avantages pour les interfaces de précision. L’objectif principal est d’imaginer une interface de capteurs offrant une haute précision et une robustesse remarquable face aux variations environnementales dans un environnement haute tension, tout en garantissant sa versatilité pour pouvoir l’adapter à une multitude d’applications sans devoir repasser par de coûteuses étapes de conception. La revue de littérature explore les travaux existants sur les AGP et les FAR, en mettant l’accent sur les architectures actuelles les plus pertinentes face aux contraintes de conception liées à la haute tension. En particulier, ce manuscrit argumente sur les avantages et incon- vénients des AGP basés sur une transconductance contrôlée et sur une rétroaction négative, et justifie le choix de cette seconde technique pour une application haute tension nécessitant précision, linéarité et stabilité sur de larges plages de fonctionnement. En ce qui concerne les FAR, la revue couvre les différentes techniques de conception defiltres, y compris les filtres actifs et passifs, et leurs performances en termes de réjection des fréquences indésirables dans les bandes de fréquences basses. Les FAR doivent être robustes aux variations de processus, de tension et de température (PVT), et ce mémoire évalue les approches reconfigurables qui permettent une adaptation dynamique des caractéristiques du filtre en fonction des conditions opérationnelles. Les travaux décrits dans ce mémoire comprennent la conception détaillée, la simulation et l’implémentation de l’AGP et du FAR. Pour l’AGP, une structure à rétroaction négative a été choisie et optimisée. Une structure innovante et résiliente aux variations de procédé et de température est également proposée pour permettre la conversion à la volée d’un domaine de tension bipolaire vers un domaine de tension unipolaire. La conception inclut des simula- tions post-layout pour vérifier les performances en termes de linéarité, de bruit, d’impédance d’entrée et de sortie et de réjection du mode commun. Une attention particulière a été portée à la stabilité du gain sur une large gamme de températures et de variations de procédé. Le FAR développé dans ce mémoire utilise une approche reconfigurable continue pour s’adap- ter aux changements de fréquence des signaux parasites dans une multitude d’applications. La solution proposée se base sur la modélisation et le contrôle des éléments parasites des éléments actifs utilisés. Tout comme pour l’AGP, la performance du FAR est vérifiée à tra- vers des simulations post-layout, sur une large gamme de températures et de variations de procédé. Les résultats montrent que l’AGP conçu présente une faible erreur de gain, une haute impé- dance d’entrée et une faible impédance de sortie, ce qui est crucial pour maintenir l’intégrité des signaux des capteurs. Les tests ont démontré une excellente stabilité de gain pour tout signal dans la plage d’amplitude et de fréquence d’entrée, et pour une large gamme de tem- pératures et de variations de procédé. Le FAR reconfigurable a quant à lui démontré une grande précision sur le contrôle de sa fréquence de coupure par rapport à la modélisation mathématique. Les simulations post- layout ont pu démontrer la résilience du FAR aux variations de procédé, mais également sa vulnérabilité aux variations de température. Ce manuscrit présente également de multiples pistes d’amélioration pour le système présenté, afin notamment d’améliorer la résilience du FAR aux variations de température, et d’améliorer la précision de l’AGP pour le rendre compétitif par rapport aux solutions industrielles discrètes existantes sur le marché. En conclusion, cette recherche propose une solution avancée pour les interfaces de capteurs des véhicules électriques, combinant un AGP à rétroaction négative et un FAR reconfigurable. Il s’agit d’un système innovant, combinant dans un seul dé monolithique un AGP et un FAR en mode-courant ainsi qu’un convertisseur de tension bipolaire/unipolaire. Le dé est également capable de fonctionner avec des plages de tensions élevées, atteignant ±10 V, ce qui est encore absent de la littérature pour ce niveau de performance. Les composants présentés offrent des performances prometteuses en termes de précision et de robustesse, démontrant la pertinence de nos choix de conception. Les travaux futurs se concentreront sur l’optimisation des sous-systèmes de circuit, afin d’amener leur performance au niveau des puces industrielles présentes sur le marché. Ce mémoire de maîtrise contribue significativement au domaine des interfaces de capteurs, en proposant des solutions innovantes qui répondent aux exigences strictes des systèmes électro- niques industriels modernes. Les résultats obtenus ouvrent la voie à de nouvelles recherches et développements dans ce domaine, avec des implications potentielles pour une large gamme d’applications technologiques.

Abstract

In recent years, the transportation industry has experienced a significant rise in adopting electric vehicles, which could represent a viable and sustainable option to reduce this indus- try’s environmental and social impact. This transition to electric vehicles also increases the volume of embedded electronics installed in these vehicles to improve their performance and efficiency. However, such circuits are expensive and complex to implement, particularly in industrial solutions that must maintain high-performance levels in harsh environments and under high- voltage conditions that exceed those usually presented in the literature. To address this design complexity, this thesis contributes to developing reconfigurable sensor interfaces suitable for a wide range of high-precision, high-voltage applications. The sensor interface must amplify and filter the analog signals from the sensors before their digital conversion and processing. Programmable gain amplifiers (PGAs) are essential for adjusting the signal level to an optimal range for analog-to-digital converters (ADCs). At the same time, anti-aliasing filters (AAFs) are crucial for eliminating unwanted frequencies before sampling. This thesis aims to develop advanced solutions for these two components, focusing on a negative feedback PGA structure and a continuous AAF with reconfigurable cutoff frequency. Both circuits will benefit from a current-mode design, which has shown numerous advantages for precision interfaces in recent literature. The primary objective is to design a sensor interface that offers high precision and remarkable robustness against environmental variations in a high-voltage environment, while ensuring versatility for adoption in multiple applications without requiring costly redesigns. The literature review explores existing works on PGAs and AAFs, emphasizing the most relevant current architectures regarding high-voltage design constraints. Specifically, this manuscript discusses the advantages and drawbacks of PGAs based on controlled transcon- ductance and negative feedback, justifying the choice of the latter technique for high-voltage applications requiring precision, linearity, and stability over wide operating ranges. Regarding AAFs, the review covers various filter design techniques, including active and passive filters, and their performance in rejecting unwanted frequencies in low-frequency bands. AAFs must be robust to process, voltage, and temperature (PVT) variations, and this thesis evaluates reconfigurable approaches that allow dynamic adaptation of the filter’s characteristics based on operating conditions. The work in this thesis includes the detailed design, simulation, and implementation of the PGA and AAF. For the PGA, a negative feedback structure was chosen and optimized. An innovative structure resilient to process and temperature variations is also proposed to enable on-the-fly conversion from a bipolar voltage domain to a unipolar voltage domain. The design includes post-layout simulations to verify performance in linearity, noise, input and output impedance, and common-mode rejection. Particular attention was given to gain stability over a wide range of temperatures and process variations. The AAF developed in this thesis uses a continuous reconfigurable approach to adapt to changes in the frequency of parasitic signals across various applications. The proposed solu- tion is based on modeling and controlling the active components’ parasitic elements. Similarly to the PGA, the performance of the AAF is verified through post-layout simulations over a wide range of temperatures and process variations. The results show that the designed PGA exhibits low gain error, high input impedance, and low output impedance, which are crucial for maintaining the integrity of sensor signals. Tests have demonstrated excellent gain stability for any signal within the input amplitude and frequency range, and across a wide range of temperatures and process variations. The reconfigurable AAF demonstrated high accuracy in controlling its cutoff frequency com- pared to mathematical modeling. Post-layout simulations showed the AAF’s resilience to process variations, but also its vulnerability to temperature variations. This manuscript also presents several paths for improvement for the proposed system, particularly to enhance the AAF’s resilience to temperature variations and to improve the PGA’s accuracy to make it competitive with existing discrete industrial solutions on the market. In conclusion, this research proposes an advanced solution for sensor interfaces in electric vehicles, combining a negative feedback PGA and a reconfigurable AAF. This innovative system combines a PGA, a current-mode AAF, and a bipolar/unipolar voltage converter in a single monolithic die. The die can also operate with high voltage ranges, reaching ±10 V, which is not yet present in the literature at this performance level. The components proposed and validated in this thesis offer promising performance in terms of precision and robustness, demonstrating the relevance of our design choices. Future work will focus on optimizing the circuit subsystems to bring their performance to the level of industrial chips available on the market. This master’s thesis significantly contributes to sensor interfaces by proposing innovative so- lutions that meet the stringent requirements of modern industrial electrical systems. The reported results pave the way for further research and development, with potential implica- tions for various technological applications.