Le besoin croissant de réduction du volume, de la masse et de la consommation des dispositifs électroniques sans pertes deperformances concerne aussi les oscillateurs à quartz utilisés dans les applications métrologiques (bases de temps, capteurs),la téléphonie, la navigation... Dans le cadre de cette problématique, nous avons développé un ASIC (Application SpecificIntegrated Circuit) en technologie 0,35 μm SiGe BiCMOS (Austriamicrosystems®) fonctionnant sous 3,3 V (±10%) pourréaliser un oscillateur à quartz miniature opérationnel sur une gamme en fréquence allant de 10 MHz à 100 MHz. Ce circuitdont la surface ne dépasse pas les 4 mm2 est composé de diverses cellules RF, depuis le système d’entretien de type Colpitts,la mise en forme et jusqu’à l’adaptation du signal à sa charge d’utilisation (50 W ou HCMOS). Ces cellules sont toutespolarisées par une référence de tension interne de type bandgap CMOS. La consommation totale du circuit en charge resteinférieure à 100 mW pour un bruit blanc de phase visé de −150 dBc/Hz à 40 MHz. Pour minimiser la sensibilité thermiquedu résonateur et ainsi pouvoir s’orienter également vers des applications OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator),nous avons partiellement intégré une régulation de température dans notre ASIC. Cette régulation fortement dépendante del’architecture thermo-mécanique a été dimensionnée puis validée au travers de modélisations par analogie sous Spectre®.Notre électronique intégrée nécessite peu de composants externes et nous l’avons reportée par flip chip sur une interfacespécifique pour / The increasing demand for high-performance devices featuring compact, lighter-weight designs with low-power consumptionalso impacts quartz crystal oscillators used in metrological applications (time bases, sensors), telephony or navigation. Inthis context, we have developed an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) in 0.35 μm SiGe BiCMOS technology(Austriamicrosystems®) supplied by 3.3 V (±10%) to realize a miniaturized quartz crystal oscillator operating in the 10 MHzto 100 MHz frequency range. The fabricated die hosts several RF cells in a 4 mm2 area, including a sustaining amplifier(Colpitts topology), a signal shaping circuit and an output buffer dedicated to a specific load (50 W or HCMOS). These cellsare biased by a fully integrated CMOS bandgap voltage reference. The die power consumption remains lower than 100 mWfor a targeted phase noise floor as low as −150 dBc/Hz at a 40 MHz carrier frequency. A thermal control loop has in additionbeen partially integrated to the ASIC, in order to reduce the quartz resonator thermal sensitivity as well as to extend thepotential application field of the developed die to oven applications (OCXO). The thermal control, that is strongly dependanton the mechanical design, has been designed and tested by using electrical analogy modeling on Spectre® simulator. Finallyour integrated circuit has been connected to a specific substrate using flip chip technology to realize a miniaturized quartzcrystal oscillator packaged on a TO-8 enclosure (Ø15.2 mm).

Cette thèse porte sur le développement d'un capteur de pixel monolithique CMOS utilisé pourl’identification et le comptage des particules ionisés dan l’espace avec un flux élevé. Un nouveauconcept pour l’identification de l’espèce des particules proposé dans la présente étude, est basésur l'analyse des amas de particules déclenchés. Pour valider ce nouveau concept, un capteur detaille complet, qui comprend la matrice de pixel sensible aux particules ionisés signal, une chaînede traitement du signal analogique, un convertisseur analogue numérique de 3 bits, et untraitement du signal numérique a été conçu dans un processus de 0.35 μm. Le capteur sortiedirectement des informations de flux à travers 4 canaux avec un débit de données très faible(80 bps) et dissipation d’énergie minimale (~ 100 mW). Chaque canal représente particules avecdifférentes espèces et les énergies. La densité maximum de flux mesurable est jusqu'à 108particules/cm2/s (coups s'accumulent < 5%). Un prototype à échelle réduite a été fabriqué et testéavec trois types d'illumination de rayonnement (rayons X, les électrons et laser infrarouge). Tousles résultats obtenus valident le nouveau concept proposé. Un moniteur de rayonnement spatialtrès miniaturisé basé sur un capteur de pixel CMOS peut être prévu. Le moniteur peut présente lesmêmes performances que les compteurs actuels, mais avec une dissipation de puissance réduited'un ordre de grandeur qu'un poids, un volume d'encombrement et un coût moindre. En outre, enraison de ses sorties de haut niveau et faible débit de données, aucune traitement supplémentairedu signal dehors du capteur est nécessaire, ce qui le rend particulièrement attrayant pour desapplications dan les petits satellitaires. / This thesis focuses on the development of a CMOS monolithic pixel sensor used for space ionizingparticles identification and counting in high flux. A new concept for single particle identification isproposed in this study, which is based on the analysis of particle triggered clusters. To validate thisnew concept, a full size sensor including the sensitive pixel matrix, an analogue signal processingchain, a 3-bit analogue to digital converter, and a digital processing stage was designed in a 0.35μm process. The sensor directly output particles flux information through 4 channels with a verylow data rate (80 bps) and minimal power dissipation (~ 100mW). Each channel representsparticles with different species and energies. The highest measurable flux density is up to 108particles/cm2/s (hits pile up < 5%). A reduced scale prototype was fabricated and tested with 3types of radiation illumination (X-ray, electrons and infrared laser). All the results obtained validatethe proposed new concept and a highly miniaturized space radiation monitor based on a singleCMOS pixel sensor could be foreseen. The monitor could provide measurements of comparable orbetter quality than existing instruments, but at around an order of magnitude lower powerconsumption, mass and volume and a lower unit cost. Moreover, due to its high level and low datarate outputs, no signal treatment power aside the sensor is required which makes it especiallyattractive for small satellite application.

The doctoral thesis deals with development and design of novel architectures of digital filters for low-power integrated circuits. The main goal was to achieve optimum parameters of digital filters with respect to the chip area, power consumption and operating frequency. The target group of the proposed architectures are application specific integrated circuits designed for signal processing from sensors using delta-sigma modulators. Three novel architectures of digital filters optimized for low-power integrated circuits are presented in the thesis. The thesis provides analysis and comparison of parameters of the new filter architectures with the parameters of architectures generated by Matlab tool. A software tool has been designed and developed for the practical application of the proposed architectures of digital filters. The developed software tool allows generating hardware description of the filters with respect to defined parameters.

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The widespread use of Liquid Petroleum Gas (LPG) for cooking and as fuel for automobile vehicles requires fast and selective detection of LPG to precisely measure the leakage of gas for preventing the occurrence of accidental explosions. The adoption of Micro-Electro-Mechanical-System (MEMS) technology for fabricating the gas sensor provides other potential advantages for sensing applications, which includes low power consumption, low fabrication cost, high quality, small size and reliability. MEMS based gas sensor requires a sensitive layer of oxide material like ZnO, SnO2, TiO2, Fe2O3, etc. The tin oxide material used in the present work changes its electrical properties, as it interacts with the reducing gas like LPG. The sensor material becomes active only at high temperature such as 400ºC, thereby realizing the need of a micro heater to reach the desired temperature. To control the temperature of micro heater and to determine the change in electrical properties of the sensor due to its interaction with LPG an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) forms an essential constituent of the MEMS based gas sensor. In the present work, an attempt has been made to improve the sensitivity of LPG gas sensor and it is correlated with other properties by different characterization techniques. The work also includes the design as well as testing of ASIC for gas sensor system. Process parameters particularly deposition time and substrate temperature have a profound influence on the microstructure of the tin oxide film, which in turn affects the gas sensing properties. To study the effects of these parameters, RF magnetron sputtering system is used for depositing tin oxide films onto the silicon substrate, which is compatible with CMOS technology. The effects of structural properties, optical properties and the porosity of the films are also studied and correlated with the gas sensing properties. In this direction the deposited films are characterized using X-Ray Diffraction (XRD) to determine the structure orientation. The morphology of the sensor films are analyzed by Scanning Electron Microscope (SEM) while the refractive index, thickness and porosity of the films are determined using ellipsometry studies. The thickness of the deposited films is also confirmed by the surface profilometer. The change in composition of the deposited film along its depth is determined using Secondary Ion Mass Spectrometer (SIMS). Maximum sensitivity 5.5 is obtained for 470 nm thick films, which corresponds to a grain size of 38nm at the operating temperature of 4000C. Following these studies, an ASIC has been designed using Tanner EDA Tools on AMIS 0.7 µm CMOS process, fabricated through Euro practice’s ASIC prototyping service, Belgium and tested successfully after fabrication. The temperature control module of ASIC has been designed using relaxation oscillator technique to control the temperature of the in house developed heater. The resistance to period conversion technique is explored for the design of the sensor read out module of ASIC. The heater is integrated successfully with the sensor film, ASIC and microcontroller based LCD module. The test results show good agreement with the simulation results.

Le besoin croissant de réduction du volume, de la masse et de la consommation des dispositifs électroniques sans pertes deperformances concerne aussi les oscillateurs à quartz utilisés dans les applications métrologiques (bases de temps, capteurs),la téléphonie, la navigation... Dans le cadre de cette problématique, nous avons développé un ASIC (Application SpecificIntegrated Circuit) en technologie 0,35 μm SiGe BiCMOS (Austriamicrosystems®) fonctionnant sous 3,3 V (±10%) pourréaliser un oscillateur à quartz miniature opérationnel sur une gamme en fréquence allant de 10 MHz à 100 MHz. Ce circuitdont la surface ne dépasse pas les 4 mm2 est composé de diverses cellules RF, depuis le système d'entretien de type Colpitts,la mise en forme et jusqu'à l'adaptation du signal à sa charge d'utilisation (50 W ou HCMOS). Ces cellules sont toutespolarisées par une référence de tension interne de type bandgap CMOS. La consommation totale du circuit en charge resteinférieure à 100 mW pour un bruit blanc de phase visé de −150 dBc/Hz à 40 MHz. Pour minimiser la sensibilité thermiquedu résonateur et ainsi pouvoir s'orienter également vers des applications OCXO (Oven Controlled Crystal Oscillator),nous avons partiellement intégré une régulation de température dans notre ASIC. Cette régulation fortement dépendante del'architecture thermo-mécanique a été dimensionnée puis validée au travers de modélisations par analogie sous Spectre®.Notre électronique intégrée nécessite peu de composants externes et nous l'avons reportée par flip chip sur une interfacespécifique pour

The rapid advancements in semiconductor technology have led to constant shrinking of transistor sizes as per Moore's Law. Wireless communications is one field which has seen explosive growth, thanks to the cramming of more transistors into a single chip. Design of these systems involve trade-offs between performance, area and power. Fast Fourier Transform is an important component in most of the wireless communication systems. FFTs are widely used in applications like OFDM transceivers, Spectrum sensing in Cognitive Radio, Image Processing, Radar Signal Processing etc. FFT is the most compute intensive and time consuming operation in most of the above applications. It is always a challenge to develop an architecture which gives high throughput while reducing the latency without much area overhead. Next generation wireless systems demand high transmission efficiency and hence FFT processor should be capable of doing computations much faster. Architectures based on smaller radices for computing longer FFTs are inefficient. In this thesis, a fully parallel unrolled FFT architecture based on novel radix-4 engine is proposed which is catered for wide range of applications. The radix-4 butterfly unit takes all four inputs in parallel and can selectively produce one out of the four outputs. The proposed architecture uses Radix-4^3 and Radix-4^4 algorithms for computation of various FFTs. The Radix-4^4 block can take all 256 inputs in parallel and can use the select control signals to generate one out of the 256 outputs. In existing Cooley-Tukey architectures, the output from each stage has to be reordered before the next stage can start computation. This needs intermediate storage after each stage. In our architecture, each stage can directly generate the reordered outputs and hence reduce these buffers. A solution for output reordering problem in Radix-4^3 and Radix-4^4 FFT architectures are also discussed in this work. Although the hardware complexity in terms of adders and multipliers are increased in our architecture, a significant reduction in intermediate memory requirement is achieved. FFTs of varying sizes starting from 64 point to 64K point have been implemented in ASIC using UMC 130nm CMOS technology. The data representation used in this work is fixed point format and selected word length is 16 bits to get maximum Signal to Quantization Noise Ratio (SQNR). The architecture has been found to be more suitable for computing FFT of large sizes. For 4096 point and 64K point FFTs, this design gives comparable throughput with considerable reduction in area and latency when compared to the state-of-art implementations. The 64K point FFT architecture resulted in a throughput of 1332 mega samples per second with an area of 171.78 mm^2 and total power of 10.7W at 333 MHz.

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Tesis por compendio / [ES] La Tomografía por Emisión de Positrones (PET) es una de las técnicas más importantes en la medicina de diagnóstico actual y la más representativa en el campo de la Imagen Molecular. Esta modalidad de imagen es capaz de producir información funcional única, que permite la visualización en detalle, cuantificación y conocimiento de una variedad de enfermedades y patologías. Áreas como la oncología, neurología o la cardiología, entre otras, se han beneficiado en gran medida de esta técnica. A pesar de que un elevado número de avances han ocurrido durante el desarrollo del PET, existen otros que son de gran interés para futuras investigaciones. Uno de los principales pilares actualmente en PET, tanto en investigación como en desarrollo, es la obtención de la información del tiempo de vuelo (TOF) de los rayos gamma detectados. Cuando esto ocurre, aumenta la sensibilidad efectiva del PET, mejorando la calidad señal-ruido de las imágenes. Sin embargo, la obtención precisa de la marca temporal de los rayos gamma es un reto que requiere, además de técnicas y métodos específicos, compromisos entre coste y rendimiento. Una de las características que siempre se ve afectada es la resolución espacial. Como discutiremos, la resolución espacial está directamente relacionada con el tipo de centellador y, por lo tanto, con el coste del sistema y su complejidad. En esta tesis, motivada por los conocidos beneficios en imagen clínica de una medida precisa del tiempo y de la posición de los rayos gamma, proponemos configuraciones de detectores TOF- PET novedosos capaces de proveer de ambas características. Sugerimos el uso de lo que se conoce como métodos de "light-sharing", tanto basado en cristales monolíticos como pixelados de tamaño diferente al del fotosensor. Estas propuestas hacen que la resolución espacial sea muy alta. Sin embargo, sus capacidades temporales han sido muy poco abordadas hasta ahora. En esta tesis, a través de varios artículos revisados, pretendemos mostrar los retos encontrados en esta dirección, proponer determinadas configuraciones y, además, indagar en los límites temporales de éstas. Hemos puesto un gran énfasis en estudiar y analizar las distribuciones de la luz centellante, así como su impacto en la determinación temporal. Hasta nuestro conocimiento, este es el primer trabajo en el que se estudia la relación de la determinación temporal y la distribución de luz de centelleo, en particular usando SiPM analógicos y ASICs. Esperamos que esta tesis motive y permita otros muchos trabajos orientados en nuevos diseños, útiles para instrumentación PET, así como referencia para otros trabajos. Esta tesis esta organizada como se describe a continuación. Hay una introducción compuesta por tres capítulos donde se resumen los conocimientos sobre imagen PET, y especialmente aquellos relacionados con la técnica TOF-PET. Algunos trabajos recientes, pero aún no publicados se muestran también, con el objetivo de corroborar ciertas ideas. En la segunda parte se incluyen las cuatro contribuciones que el candidato sugiere para el compendio de artículos. / [CA] La Tomografia per Emissió de Positrons (PET) és una de les tècniques més importants en la medicina de diagnòstic actual i la més representativa en el camp de la Imatge Molecular. Esta modalitat d'imatge és capaç de produir informació funcional única, que permet la visualització en detall, quantificació i coneixement d'una varietat de malalties i patologies. Àrees com l'oncologia, neurologia o la cardiologia, entre altres, s'han beneficiat en gran manera d'aquesta tècnica. Tot i que un elevat nombre d'avanços han ocorregut durant el desenvolupament del PET, hi ha altres que són de gran interés per a futures investigacions. Un dels principals pilars actuals en PET, tant en investigació com en desenvolupament, és l'obtenció de la informació del temps de vol (TOF en anglès) dels raigs gamma detectats. Quan açò ocorre, augmenta la sensibilitat efectiva del PET, millorant la qualitat senyal-soroll de les imatges. No obstant això, l'obtenció precisa de la marca temporal dels raigs gamma és un repte que requerix, a més de tècniques i mètodes específics, compromisos entre cost i rendiment. Una de les característiques que sempre es veu afectada és la resolució espacial. Com discutirem, la resolució espacial està directament relacionada amb el tipus de centellador, i per tant, amb el cost del sistema i la seua complexitat. En aquesta tesi, motivada pels coneguts beneficis en imatge clínica d'una mesura precisa del temps i de la posició dels raigs gamma, proposem nouves configuracions de detectors TOF-PET capaços de proveir d'ambduess característiques. Suggerim l'ús del que es coneix com a mètodes de "light-sharing", tant basat en cristalls monolítics com pixelats de diferent tamany del fotosensor. Aquestes propostes fan que la resolució espacial siga molt alta. No obstant això, les seues capacitats temporals han sigut molt poc abordades fins ara. En aquesta tesi, a través de diversos articles revisats, pretenem mostrar els reptes trobats en aquesta direcció, proposar determinades configuracions i, a més, indagar en els límits temporals d'aquestes. Hem posat un gran èmfasi a estudiar i analitzar les distribucions de la llum centellejant, així com el seu impacte en la determinació temporal. Fins al nostre coneixement, aquest és el primer treball en què s'estudia la relació de la determinació temporal i la distribució de llum de centelleig, en particular utilitzant SiPM analògics i ASICs. Esperem que aquesta tesi motive i permeta molts altres treballs orientats en nous dissenys, útils per a instrumentació PET, així com referència per a altres treballs. Aquesta tesi esta organitzada com es descriu a continuació. Hi ha una introducció composta per tres capítols on es resumeixen els coneixements sobre imatge PET i, especialmente, aquells relacionats amb la tècnica TOF-PET. Alguns treballs recents, però encara no publicats es mostren també, amb l'objectiu de corroborar certes idees. La segona part de la tesi conté els quatre articles revisats que el candidat suggereix. / [EN] Positron Emission Tomography (PET) is one of the greatest tools of modern diagnostic medicine and the most representative in the field of molecular imaging. This imaging modality, is capable of providing a unique type of functional information which permits a deep visualization, quantification and understanding of a variety of diseases and pathologies. Areas like oncology, neurology, or cardiology, among others, have been well benefited by this technique. Although numerous important advances have already been achieved in PET, some other individual aspects still seem to have a great potential for further investigation. One of the main trends in modern PET research and development, is based in the extrapolation of the Time- Of-Flight (TOF) information from the gamma-ray detectors. In such case, an increase in the effective sensitivity of PET is accomplished, resulting in an improved image signal-to-noise ratio. However, the direction towards a precise decoding of the photons time arrival is a challenging task that requires, besides specific approaches and techniques, tradeoffs between cost and performance. A performance characteristic very habitually compromised in TOF-PET detector configurations is the spatial resolution. As it will be discussed, this feature is directly related to the scintillation materials and types, and consequently, with system cost and complexity. In this thesis, motivated by the well-known benefits in clinical imaging of a precise time and spatial resolution, we propose novel TOF-PET detector configurations capable of inferring both characteristics. Our suggestions are based in light sharing approaches, either using monolithic detectors or crystal arrays with different pixel-to-photosensor sizes. These approaches, make it possible to reach a precise impact position determination. However, their TOF capabilities have not yet been explored in depth. In the present thesis, through a series of peer-reviewed publications we attempt to demonstrate the challenges encountered in these kinds of configurations, propose specific approaches improving their performance and eventually reveal their limits in terms of timing. High emphasis is given in analyzing and studying the scintillation light distributions and their impact to the timing determination. To the best of our knowledge, this is one of the first works in which such detailed study of the relation between light distribution and timing capabilities is carried out, especially when using analog SiPMs and ASICs. Hopefully, this thesis will motivate and enable many other novel design concepts, useful in PET instrumentation as well as it will serve as a helpful reference for similar attempts. The present PhD thesis is organized as follows. There is an introduction part composed by three detailed sections. We attempt to summarize here some of the knowledge related to PET imaging and especially with the technique of TOF-PET. Some very recent but still unpublished results are also presented and included in this part, aiming to support statements and theories. The second part of this thesis lists the four peer-reviewed papers that the candidate is including. / This project has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program (grant agreement No 695536). It has also been supported by the Spanish Ministerio de Economía, Industria y Competitividad under Grants No. FIS2014-62341-EXP and TEC2016-79884-C2-1-R. Efthymios Lamprou has also been supported by Generalitat Valenciana under grant agreement GRISOLIAP-2018-026. / Lamprou, E. (2021). Development and Performance Evaluation of High Resolution TOF-PET Detectors Suitable for Novel PET Scanners [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/162991 / Compendio

Des développements technologiques récents concernant les photodiodes à effet avalanche (PDA) ont mené à la conception et la fabrication d'un tout nouveau module de détection de radiation TEP (tomographie d'émission par positrons) destiné à l'imagerie moléculaire préclinique. Il est basé sur une matrice de 8 par 8 scintillateurs LYSO (ortho-silicate de lutétium dopé au cérium, cerium-doped lutetium yttrium orthosilicate ) individuellement couplés aux pixels de deux matrices monolithiques de 4 par 8 PDA. Cette avancée, pouvant amener la résolution spatiale d'un scanner à passer sous la barrière du mm, exige la conception d'un tout nouveau système d'acquisition de données. En effet, il faut adapter le système de lecture individuelle de chacun des pixels du bloc de détection de façon à satisfaire la multiplication par ~8, relativement à une version antérieure (le LabPET[indice supérieur TM] I), de la densité de pixels du futur scanner LabPET[indice supérieur TM] II. Conséquemment, le traitement de signal numérique ne peut être exclusivement embarqué dans les matrices de portes logiques programmable (field-programmable gate array , FPGA) du système d'acquisition, en considérant les aspects monétaires, d'espace occupé et de puissance consommée de l'ensemble du projet LabPET[indice supérieur TM] II. De façon à s'adapter à cette nouvelle réalité, un nouveau circuit intégré à application spécifique (application specific integrated circuit, ASIC) à signaux mixtes avec 64 canaux d'acquisition, fabriqué avec la technologie TSMC CMOS 0,18 [micromètre], a été conçu. L'ASIC utilise la méthode de temps au-dessus d'un seuil (time over threshold , ToT), déjà implantée dans des applications de physique des hautes-énergies, de manière à extraire numériquement l'information relative à un rayonnement interagissant avec la matrice de détection (l'énergie, le temps et le numéro de pixel de l'événement). Dans le cadre de ce projet, une architecture complexe de machines à états-finis, cadencée par une horloge de 100 MHz, a été implantée et elle permet à l'ASIC d'identifier le taux anticipé de 3 000 événements par seconde par canal. Ceci est réalisé en calculant en temps réel le paramètre ToT tout en assurant la calibration adéquate de chacune des chaînes d'acquisition. Le circuit intégré peut caractériser jusqu'à 2 Mévénements/s malgré son unique lien différentiel à bas voltage (low-voltage differential signaling, LVDS) de transfert de données et consomme environ 600 mW. L'ASIC a été développé en suivant un processus de conception de circuits intégrés à signaux mixtes. Il permet notamment de minimiser et de vérifier l'impact des indésirables effets parasites sur la circuiterie analogique et numérique de l'ensemble avant que les dessins de masques ne soient envoyés vers la fonderie pour fabriquer le circuit désiré.