With the advance of technology and rapid growth of digital systems, low power high speed analog-to-digital converters with great accuracy are in demand. To achieve high effective number of bits Analog-to-Digital Converter(ADC) calibration as a time consuming process is a potential bottleneck for designs. This dissertation presentsa fully digital background calibration algorithm for a 7-bit redundant flash ADC using split structure and look-up table based correction. Redundant comparators are used in the flash ADC design of this work in order to tolerate large offset voltages while minimizing signal input capacitance. The split ADC structure helps by eliminating the unknown input signal from the calibration path. The flash ADC has been designed in 180nm IBM CMOS technology and fabricated through MOSIS. This work was supported by Analog Devices, Wilmington,MA. While much research on ADC design has concentrated on increasing resolution and sample rate, there are many applications (e.g. biomedical devices and sensor networks) that do not require high performance but do require low power energy efficient ADCs. This dissertation also explores on design of a low quiescent current 100kSps Successive Approximation (SAR) ADC that has been used as an error detection ADC for an automotive application in 350nm CD (CMOS-DMOS) technology. This work was supported by ON Semiconductor Corp, East Greenwich,RI.

Le domaine de l'instrumentation des capteurs est en constante évolution. Ce travail propose la conception des éléments clefs qui constituent les chaines d'instrumentations de capteurs d'aujourd'hui au travers de 3 applications concrètes. La première application est la mesure de vitesse et de position, par exemple dans un roulement. Nous présentons la conception et la réalisation d'un circuit analogique pour le conditionnement d'un capteur de type magnétorésistif. Ce capteur mesure le champ magnétique généré par les pôles magnétiques d'une roue codeuse. Le circuit est optimisé en bruit, en consommation et travaille sur une bande passante de plusieurs kHz. Pour compenser la dispersion des capteurs, le circuit permet des réglages d'offset et une calibration de gains. Il contient également une mémoire de type OTP (One Time Programmable Memory) qui sauvegarde les réglages associés au capteur. La deuxième application est la mesure de signaux de type EcoG afin d'interfacer le cerveau humain. Nous décrivons la conception et la réalisation d'un convertisseur Analogique/Numérique de type SAR. Il possède un convertisseur numérique analogique capacitif avec une capacité d'atténuation afin de réduire le nombre total de condensateur et ainsi la consommation. Le comparateur possède une entrée rail-to-rail et un système de préamplification avec auto zéro pour diminuer l'offset. Sa consommation est de 86µW pour une vitesse de 24Ks/S et 12bits de résolution. Enfin la troisième application est la mesure de pression stationnaire sur la voilure des avions afin d'en connaître les contraintes. Nous décrivons l'étude architecturale d'un convertisseur sigma-delta permettant d'atteindre une grande résolution pour des signaux de faible fréquence. Il sera de type incrémentale et répondra à des applications de type instrumentation de capteur. Sa résolution est de 16bits ENOB pour une fréquence maximale d'entrée de 100Hz et minimale de sortie d'1Ks/S. Le mode incrémental permettra d'obtenir une sortie en réponse à une requête de manière asynchrone. Une modélisation de chaque élément du système complet convertisseur plus capteur a été effectuée sous Matlab. L'étude de la partie filtrage numérique du convertisseur et l'optimisation de son implémentation numérique sont présentées. Cette étude architecturale complète aboutit au dimensionnement de chaque élément pour répondre au cahier des charges de l'application . / The domain of sensors instrumentation is constantly evolving. The present work proposes the design of the key elements conception which constitute the instrumentations chains of current sensors through 3 concrete applications. The first application is speed and position measurement, for example in a wheel bearing. We present the design and realization of an analogical circuit for the conditioning of magneto resistive sensor. This sensor measures the magnetic field generated by the coding wheel magnetic poles inside the bearing. The circuit is noise and power consumption optimized on a bandwidth of few kHz. To compensate sensors variability, the circuit includes offset regulations and gains. It also contains an OTP (One Time Programmable) memory which backs up the associated sensor regulations. The second application is the measurement of EcoG's signals to interface with the human brain. We describe the design and realization of SAR ADC. It is composed of a capacitive DAC with an attenuation capacitor to reduce the total number of condensers and, in doing so, to reduce power consumption. The comparator is composed by a rail-to-rail input and multistage preamplification and output offset storage. ADC total power consumption is 86µW for 24Ks/S speed and 12bits resolution. Finally the third application is the pressure measurement on aircraft wings. We describe the architectural study sigma-delta incremental ADC which reaches high resolution for low band pass signals. Its resolution is 16bits ENOB for a maximal input frequency of 100Hz and an output speed of 1Ks/S. The incremental mode leads to obtain output code in answer to asynchronous requests. Each system element (converter plus sensors) has been matlab modelled. The converter digital filtering study and its digital implementation optimization are presented. This complete architectural study concludes with the sizing of each element in order to answer the technical specifications of the application.