ASIC, WFEE, Instrumentation microélectronique, Électronique mixte, Amplificateur à bas bruit, Référence de courant, Polarisation de SQUID, Librairie numérique durcie aux radiations, X-IFU, Observatoire spatial à rayons X

Le sujet de ma thèse est la conception d'ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) mixtes durcis aux radiations pour observatoires spatiaux. La thèse se déroule dans le contexte d'un futur observatoire spatial à rayons X de l'ESA, se nomme « Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA) ». Les ASICs développés appartiennent à l'un des deux instruments scientifiques de cet observatoire, s'appelle « X-ray Integral Field Unit (X-IFU) », et sont dédiés à l'un des sous-systèmes de l'instrument X-IFU, le WFEE (Warm Front End Electronics).Le WFEE est un système électronique mixte comprenant principalement un amplificateur à bas bruit (LNA), un circuit de polarisation configurable pour SQUIDs, un buffer et un thermomètre. Par conséquent, mes travaux de thèse sont composés de deux parties: la partie numérique et la partie analogique.Mes contributions aux circuits numériques du WFEE sont présentées dans « Part III » de ma thèse. Elles comprennent la conception d'une nouvelle librairie des portes logiques numériques durcies aux radiations et la création d'un nouveau décodeur I2C avec ses schémas et layouts optimisés, en utilisant ma nouvelle librairie numérique. Les résultats représentatifs des essais de radiation sur les composants et les registres à 8-bit avec une telle conception durcie aux radiations sont également discutés dans « Part III » de ma thèse. Tous les circuits numériques dans les deux nouveaux ASICs «AwaXe_v2» et «AwaXe_v2.5» sont constitués de cette nouvelle librairie numérique durcie aux radiations, ainsi que ceux dans les futurs ASICs. Les décodeurs I2C optimisés ont prouvé un bon fonctionnement, testés avec les autres circuits intégrés dans «AwaXe_v2» et «AwaXe_v2.5».Mes contributions sur les circuits analogiques du WFEE sont présentées dans « Part IV ». Elles comprennent la conception d'un LNA, d'un buffer, d'une référence de courant et d'un convertisseur numérique-analogique (DAC). Le LNA est essentiel pour atteindre la résolution spectrale élevée sans précédent de 2,5 eV proposée par l'instrument X-IFU. Il a une conception originale, intégrée dans les ASICs v2 et v2.5. Il a été entièrement testée et a donné des résultats satisfaisants et cohérents. Ses performances ont été prouvées expérimentalement pour répondre à toutes les spécifications requises par le CNES. Fonctionnant dans la bande de fréquence de 1-5 MHz, il fournit un gain de tension super-linéaire de 85 V/V, une large bande passante de -1 dB à 17,5 MHz et une faible dérive de gain <350 ppm/K. Il réalise un très faible bruit à tension ¿ 0,8 nV/¿Hz à l'entrée, ainsi qu'une faible fréquence de coupure de bruit 1/f <4 kHz, un bon PSRR et un bon CMRR. Le buffer utilise une conception similaire à celle du LNA et a besoin plus d'études dans les travaux futurs. La référence de courant a été entièrement testée avec une sortie de 1 mA. Grâce à sa conception originale, qui compense les références CTAT et PTAT, elle est capable de fournir un courant super stable, indépendant de la température, parfaite pour la polarisation de SQUID. Enfin, j'ai également développé un DAC à 8-bit pour la polarisation de SQUID. 8 DACs, une référence de courant et un bus série composent un circuit complet de la polarisation de SQUID d'un canal WFEE. Ce circuit a été intégré dans l'ASIC «AwaXe_v2.5» et a donné un bon résultat lors de la première mesure.En conclusion, ma thèse a produit deux ASICs pour le WFEE: «AwaXe_v2» et «AwaXe_v2.5». Les deux ASICs montrent de bonnes performances. En particulier, le dernier ASIC intègre tous les composants d'un canal WFEE, ce qui peut être considéré comme un prototype. Ainsi, il est un bon représentant de mes travaux de la thèse. En outre, les performances élevées du LNA et de la référence de courant aussi montrent le potentiel pour s'adapter à d'autres missions scientifiques similaires.