Etude et modélisation comportementale de « front-end » analogiques pour des environnements « fond de puits ».

Abstract

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la modélisation des circuits analogiques et mixtes.Le travail part d’une problématique industrielle concernant les circuits électroniques utilisés dansles systèmes de forage pétrolier pour des besoins d’instrumentation et mesures. Ce travail de recherche concerne les circuits du front-end analogique que nous trouvons dans cette application industrielle. Nous examinons et nous essayons de trouver des modèles pour décrire l’effet des hautes températures sur les circuits électroniques dans un forage pétrolier. Ces circuits font partie des circuits industriels conventionnels. Ils ont généralement une température maximale de fonctionnement qui ne dépasse pas 125°C. Même si la température modifie le comportement de ces circuits, il existe des techniques d’adaptation qui permettent de compenser l’effet de la température sur ces circuits. Cependant, pour bien réussir la phase de la conception, il faut d’abord bien caractériser le comportement des différents circuits industriels utilisés en haute température. Il faut également trouver des modèles exacts qui décrivent le comportement de ces circuits en haute température. Or nous savons que la majorité des circuits industriels analogiques et mixtes sont décrits par des modèles de type SPICE. Par un choix de l’entreprise Schlumberger, notre partenaire industriel qui a financé ce travail, nous nous sommes intéressés dans notre étude à un composantspécifique présent dans la majorité des circuits analogiques et mixtes d’instrumentation :l’amplificateur opérationnel (l’AOP).Le travail commence par une étude des spécifications du circuit ainsi que le modèle SPICE.Une étude de la structure de ce modèle et sa simulation ont montré la non-précision du modèle audelàde 125°C. L’étude de validité du modèle a concerné le paramètre de la tension de décalage etle paramètre taux de rejection du mode commun. Nous avons interprété la différence des résultatsentre les mesures et la simulation de la tension de décalage. Nous avons constaté la limitation quereprésente l’approche structurelle par modélisation SPICE. Pour cette raison, nous avonssélectionné l’approche de modélisation comportementale pour les différents avantages qu’elleprésente. Ces avantages répondent à nos besoins et conviennent les mesures qui ont été effectuées.Nous avons sélectionné le langage VHDL-AMS et l’environnement Cadence ADVanceMS. Pourdéveloppé les modèles, nous avons alors énuméré les différents paramètres de performance d’unAOP. Nous avons validé la représentation de chaque paramètre par un circuit de test approprié.Dans un deuxième temps, nous avons approximé la variation de ces paramètres en température pardes équations polynomiales et exponentielles pour développer le modèle précis en HT. Le modèlea été validé par un circuit de test similaire au circuit expérimental. De bons résultats ont ététrouvés. L’erreur moyenne entre simulation VHDL-AMS et mesures n’a pas dépassé 3,11%. Dansle denier chapitre, nous avons simulé des circuits d’une chaine d’instrumentation. Nous avonssimulé l’effet de la température sur un capteur piézo-résistif (pont de Wheatstone). Trois architectures d’un amplificateur d’instrumentation ont été également modélisées e en se basant surle modèle VHD-AMS de l’AOP.