L’intégration des oscillateurs dans les microcontrôleurs est aujourd’hui un enjeu industriel majeur suscitant une forte concurrence entre les principaux acteurs du marché. En effet, les oscillateurs sinusoïdaux sont des circuits indispensables, et sont majoritairement basés sur l’utilisation d’un résonateur à quartz ou MEMS externe. De plus en plus d’investigations sont menées afin d’intégrer des dispositifs résonants dans les boîtiers et éviter ainsi toutes les contraintes extérieures limitant les performances de l’oscillateur. En ce sens, nous avons étudié dans ce travail le comportement électrique, et notamment inductif, des liaisons filaires permettant de connecter une puce à son boîtier de protection. L’avantage d’utiliser ce composant passif est principalement son faible coût. Ce composant a été caractérisé en utilisant plusieurs méthodologies de modélisations et de mesures sur une large plage fréquentielle. Cette étude propose un modèle permettant aux concepteurs d’utiliser une caractéristique électrique équivalente dans une technologie CMOS standard. L’intégration du composant dans une cellule résonante est démontrée au sein d’un prototype. / Nowadays, the integration of oscillators into microcontrollers is a major industrial challenge which involves a large competition between the main actors of this market. Indeed, sine wave oscillators are essential circuits, and are fore the most part based on external crystal or MEMs resonators. More and more investigations are carried out in order to integrate the resonant structure into the package, and avoid all external constraints able to restrict the performances of the oscillator. With this in mind, we studied in this work the electrical behavior, in particular the inductive behavior of bond wires which are electrical connections between a die and its package. The main advantage to use this type of component is its low cost of manufacturing. This passive component has been characterized using several measurement tools on a wide range of frequencies. A RLC model has been presented, allowing analogue designers to use an electrical equivalent circuit in standard CMOS technology. The integration of the passive component in a resonant cell has been demonstrated in a prototype.

O objetivo desta dissertação é propor o projeto de amplificadores de baixo rudo (LNAs) do tipo banda estreita e banda larga em tecnologia CMOS. O projeto de LNAs de banda estreita é representado através de um método de otimização conhecido como programação geométrica. Também, neste trabalho foi projetada uma topologia para LNAs de banda larga, aplicando a programação geométrica durante a fase inicial de projeto. Os layouts de ambos os circuitos foram desenhados e fabricados usando três processos CMOS diferentes. O aumento da utilização de circuitos digitais está reduzindo e substituindo a quantidade de circuitos analógicos implementados nos sistemas atuais. Nos transceptores de radiofrequência, a maior parte dos circuitos foi substituída por circuitos digitais equivalentes. A razão para esta substituição é devido a sua escalabilidade, variações PVT (Process, Voltage and Temperature) baixas, e menor tempo de projeto, resultado de um fluxo altamente automatizado. A redução do tempo de projeto representa um time-to-market menor e custos mais baixos. No entanto, o amplificador de baixo rudo é um dos blocos de radiofrequência que permanecem principalmente no domínio analógico, tornando a redução do tempo de projeto mediante a otimização do fluxo analógico como um bom foco de estudo. O LNA deve ser capaz de receber um sinal de baixa potência e alta frequência, e amplificá-lo adicionando o menor rudo possível, mantendo o casamento de impedâncias, baixo consumo de potência, e uma linearidade adequada a fim de evitar a distorção. Nesta dissertação, a maioria das especificações de desempenho citadas são formuladas rigorosamente e descritas como um programa geométrico. Além disso, vários scripts são escritos de forma a automatizar o fluxo de projeto. A programação geométrica é considerada como uma boa opção porque se o problema de otimização tem solução, o resultado é o ponto de otimização global, e pode ser atingido rapidamente (na ordem de segundos). Para um LNA fonte comum de banda estreita, o problema de projeto é completamente formulado como um programa geométrico, e alguns parâmetros normalmente desprezados, como as não idealidades dos indutores CMOS e a capacitância portadreno do transistor MOS são considerados no projeto. O problema de otimização é resolvido em minutos e testado em cinco processos CMOS diferentes, e para diferentes frequências de operação entre 1,5 GHz e 5 GHz. Os resultados são comparados e validados através de simulações, e dois layouts de LNAs para 2,45 GHz foram desenhados, fabricados e testados usando dois processos de 0,18 mm diferentes. Neste trabalho, também foi formulado um LNA de banda larga com cancelamento de rudo, e um bloco LNA-Misturador de banda larga é projetado incluindo a programação geométrica no cálculo da impedância de entrada e o cancelamento de rudo. Os layouts de dois protótipos diferentes do bloco LNA-Misturador de banda larga, operando na faixa de frequência entre 1 GHz e 5 GHz, foram desenhados e fabricados usando um processo de 0,18 mm. / This dissertation proposes the design of CMOS narrowband and wideband low noise amplifiers. The design problem of narrowband LNAs is represented as an optimization problem known as geometric programming. Furthermore, a topology for wideband LNAs is designed including the geometric programming in an early stage of the design. Both type of circuits were layouted and fabricated using three different CMOS processes. The tendency to increase the number of applications for digital-intensive circuitry, is reducing and replacing the amount of analog circuits implemented on systems nowadays. In radiofrequency transceivers, most of the circuits have been replaced by a digital-intensive counterpart. Digital circuitry is preferred over the analog one due to its scalability, low PVT (Process, Voltage and Temperature) variations, and shorter designing time result of a highly automated flow. The reduction of the designing time represents a faster time-to-market and lower costs. However, the low noise amplifier is one of the radiofrequency blocks that remain mainly in the analog domain, thus reducing its designing time by optimizing an analog design flow become a good focus of study. The LNA should be capable of receiving a low power and high frequency signal and amplify it adding the minimum noise possible, while maintaining good impedance matching, low power consumption and an adequate linearity in order to avoid distortion. In this dissertation, most of the performance parameters aforementioned are formulated rigorously and described as a geometric program. Moreover, various scripts are written in order to automate the design flow. The geometric programming is considered a good option because if the optimization problem is feasible, the result is the global optimum and can be obtained in seconds. For a common source narrowband LNA, the design problem is fully formulated as a geometric program and some parameters commonly neglected, as the CMOS inductors non-idealities and the gate-drain capacitance of MOS transistor are considered. The optimization problem is solved in minutes and tested on five different CMOS processes at different operating frequencies between 1.5 GHz and 5 GHz. The results are compared and validated through simulations, and two layouts for 2.45 GHz LNAs are drawn, fabricated and tested using two different 0.18 mm processes. In addition, a noise canceling wideband LNA is formulated, and a wideband LNA-Mixer cell is designed by including the geometric programming to estimate the input impedance matching and assure the noise cancelation. The layouts of two different prototypes of the wideband LNA-Mixer cells for the 1 GHz-5 GHz frequency band are drawn and fabricated using a 0.18 mm process.

Ce manuscrit porte sur l’analyse, les méthodes de conception et la recherche de nouvelles structures de sources de courant, en se focalisant principalement sur les miroirs de courant, source la plus élémentaire. Le dépassement des limites actuelles pour l’optimisation du compromis vitesse-précision-consommation est l’objectif majeur des travaux présentés.La première partie est consacrée à l’étude de l’origine de ces limites et dresse l’état de l'art des structures de miroir de courant CMOS. Sont ensuite étudiées plus en détails, les possibilités offertes par les miroirs à entrée active. Une des premières contributions de nos travaux de recherche a été de proposer un formalisme dédié à l’étude et à l’implémentation de ce type de miroir, suivi de propositions d’amélioration à coût minimum de la topologie classique.Le développement d’une nouvelle approche de conception utilisant un principe de rétroaction non-linéaire en mode courant constitue la contribution majeure de cette thèse. La rétroaction est implémentée grâce à un convoyeur de courant de seconde génération dédié, très faible consommation et conçu pour avoir un comportement volontairement non-linéaire. Couplée avec des techniques classiques de régulation cascode pour une copie en courant de haute-précision, cette topologie constitue une source de courant élémentaire compétitive pour la réalisation de systèmes à haut niveau de performance.L'approche est mise en œuvre puis validée par la conception, en technologie CMOS 180nm, de deux circuits dédiés à la génération des courants dans les puces de stimulation neurale. L’ensemble des résultats obtenus dans ces dernières études démontre, qu’il est possible de dépasser les limites actuelles du compromis vitesse-précision-consommation, en se basant sur la stratégie de conception et les nouvelles topologies de miroirs à entrée active proposées. / The work presented in this manuscript involves analysis, design methods and search for improved structures of current sources, with main focus on the current mirrors, the most elementary current source. The main objective of our research was to outperform the present limitations in terms of speed, power and accuracy that exists in CMOS current mirror design.In the first part of the manuscript, we investigate on the origin of these limitations and present a literature review of popular and recent advanced current mirror structures. Then follow a deeper analysis of active-input current mirror capabilities. The first scientific contributions were, the development of analytical tools dedicated to the implementation of the standard active-input topology, supported by two solutions for dynamic range and stability improvements at minimal costs.The proposition of a novel design approach, relying on a power-efficient speed boosting technique based on current-mode non-linear control loops, constitutes the major contribution of the work presented in this manuscript. The feedback circuit is implemented using a custom low-power current conveyor (CCII), built to be intentionally non-linear. Coupled with classical regulated cascode structures required for high-precision current copy, this enhanced active-input current mirror topology forms a new competitive elementary current source to the design of high-performance systems.The approach is validated and illustrated with the realization of two circuits in 180 nm CMOS technology. Cores of the circuits are two examples of output stages dedicated to neural stimulation chips. Finally, Results of the last studies have demonstrated that, thanks to the design strategy and the new active-input current mirror topologies proposed, it is actually possible to outperform the present limit of the speed-power-accuracy trade-off.

O objetivo desta dissertação é propor o projeto de amplificadores de baixo rudo (LNAs) do tipo banda estreita e banda larga em tecnologia CMOS. O projeto de LNAs de banda estreita é representado através de um método de otimização conhecido como programação geométrica. Também, neste trabalho foi projetada uma topologia para LNAs de banda larga, aplicando a programação geométrica durante a fase inicial de projeto. Os layouts de ambos os circuitos foram desenhados e fabricados usando três processos CMOS diferentes. O aumento da utilização de circuitos digitais está reduzindo e substituindo a quantidade de circuitos analógicos implementados nos sistemas atuais. Nos transceptores de radiofrequência, a maior parte dos circuitos foi substituída por circuitos digitais equivalentes. A razão para esta substituição é devido a sua escalabilidade, variações PVT (Process, Voltage and Temperature) baixas, e menor tempo de projeto, resultado de um fluxo altamente automatizado. A redução do tempo de projeto representa um time-to-market menor e custos mais baixos. No entanto, o amplificador de baixo rudo é um dos blocos de radiofrequência que permanecem principalmente no domínio analógico, tornando a redução do tempo de projeto mediante a otimização do fluxo analógico como um bom foco de estudo. O LNA deve ser capaz de receber um sinal de baixa potência e alta frequência, e amplificá-lo adicionando o menor rudo possível, mantendo o casamento de impedâncias, baixo consumo de potência, e uma linearidade adequada a fim de evitar a distorção. Nesta dissertação, a maioria das especificações de desempenho citadas são formuladas rigorosamente e descritas como um programa geométrico. Além disso, vários scripts são escritos de forma a automatizar o fluxo de projeto. A programação geométrica é considerada como uma boa opção porque se o problema de otimização tem solução, o resultado é o ponto de otimização global, e pode ser atingido rapidamente (na ordem de segundos). Para um LNA fonte comum de banda estreita, o problema de projeto é completamente formulado como um programa geométrico, e alguns parâmetros normalmente desprezados, como as não idealidades dos indutores CMOS e a capacitância portadreno do transistor MOS são considerados no projeto. O problema de otimização é resolvido em minutos e testado em cinco processos CMOS diferentes, e para diferentes frequências de operação entre 1,5 GHz e 5 GHz. Os resultados são comparados e validados através de simulações, e dois layouts de LNAs para 2,45 GHz foram desenhados, fabricados e testados usando dois processos de 0,18 mm diferentes. Neste trabalho, também foi formulado um LNA de banda larga com cancelamento de rudo, e um bloco LNA-Misturador de banda larga é projetado incluindo a programação geométrica no cálculo da impedância de entrada e o cancelamento de rudo. Os layouts de dois protótipos diferentes do bloco LNA-Misturador de banda larga, operando na faixa de frequência entre 1 GHz e 5 GHz, foram desenhados e fabricados usando um processo de 0,18 mm. / This dissertation proposes the design of CMOS narrowband and wideband low noise amplifiers. The design problem of narrowband LNAs is represented as an optimization problem known as geometric programming. Furthermore, a topology for wideband LNAs is designed including the geometric programming in an early stage of the design. Both type of circuits were layouted and fabricated using three different CMOS processes. The tendency to increase the number of applications for digital-intensive circuitry, is reducing and replacing the amount of analog circuits implemented on systems nowadays. In radiofrequency transceivers, most of the circuits have been replaced by a digital-intensive counterpart. Digital circuitry is preferred over the analog one due to its scalability, low PVT (Process, Voltage and Temperature) variations, and shorter designing time result of a highly automated flow. The reduction of the designing time represents a faster time-to-market and lower costs. However, the low noise amplifier is one of the radiofrequency blocks that remain mainly in the analog domain, thus reducing its designing time by optimizing an analog design flow become a good focus of study. The LNA should be capable of receiving a low power and high frequency signal and amplify it adding the minimum noise possible, while maintaining good impedance matching, low power consumption and an adequate linearity in order to avoid distortion. In this dissertation, most of the performance parameters aforementioned are formulated rigorously and described as a geometric program. Moreover, various scripts are written in order to automate the design flow. The geometric programming is considered a good option because if the optimization problem is feasible, the result is the global optimum and can be obtained in seconds. For a common source narrowband LNA, the design problem is fully formulated as a geometric program and some parameters commonly neglected, as the CMOS inductors non-idealities and the gate-drain capacitance of MOS transistor are considered. The optimization problem is solved in minutes and tested on five different CMOS processes at different operating frequencies between 1.5 GHz and 5 GHz. The results are compared and validated through simulations, and two layouts for 2.45 GHz LNAs are drawn, fabricated and tested using two different 0.18 mm processes. In addition, a noise canceling wideband LNA is formulated, and a wideband LNA-Mixer cell is designed by including the geometric programming to estimate the input impedance matching and assure the noise cancelation. The layouts of two different prototypes of the wideband LNA-Mixer cells for the 1 GHz-5 GHz frequency band are drawn and fabricated using a 0.18 mm process.

La métrologie fondamentale est la garante de la pérennité des systèmes de mesure et est en charge de fournir les étalons de références. En ce qui concerne la métrologie des rayonnements ionisants et, en particulier la métrologie des neutrons, des détecteurs étalons sont utilisés pour caractériser les champs de références, en énergie et en fluence. Les dosimètres ou détecteurs de particules sont étalonnés. Cette thèse présente le développement d’un spectromètre neutron candidat au statut d’étalon primaire pour la caractérisation de champs neutroniques dans la gamme 5-20 MeV. Le spectromètre utilise le principe du télescope à protons de recul comme moyen de détection ; la technologie CMOS, au travers de trois capteurs de positions, est mise à profit pour réaliser la trajectographie du proton de recul. Un détecteur Si(Li) est en charge de la mesure de l’énergie résiduelle du proton. Les simulations des dispositifs, réalisées sous MCNPX, ont permis d’estimer les performances du dispositif et de valider la procédure de reconstruction de l’énergie des champs neutroniques. Une étape essentielle de caractérisation des éléments du télescope et en particulier des capteurs CMOS est également proposée afin de garantir la validité de mesures expérimentales postérieures. Les tests réalisés aussi bien en champs mono-énergétiques qu’en champs étendus témoignent des très bonnes performances du système. La quantification des incertitudes indiquent une mesure de l’énergie avec une précision de plus de 1.5 % pour une résolution de moins de 6 %. La mesure de la fluence neutronique est quand a elle réalisée avec une incertitude de 4 à 6 %. / The fundamental metrology is responsible for the sustainability of the measurement systems and handles to supply the reference standards. Concerning the metrology of ionizing radiations and, in particular the neutron metrology, detectors standards are used to characterize reference fields, in terms of energy and fluence. The dosimeters or particle detectors are calibrated on these reference fields. This thesis presents the development of a neutron spectrometer neutron candidate to the status of primary standard for the characterization of neutron fields in the range from 5 to 20 MeV. The spectrometer uses the recoil proton telescope as detection principle; the CMOS technology, through three sensor positions, is taking advantage to realize the tracking of protons. A Si(Li) detector handles the measure of the residual proton energy. The device simulations, realized under MCNPX, allow to estimate its performances and to validate the neutron energy reconstruction. An essential step of characterization of the telescope elements and in particular of CMOS sensors is also proposed to guarantee the validity of posterior experimental measurements. The tests realized as well in mono-energy fields as in radionuclide source show the very good performances of the system. The quantification of uncertainties indicates an energy estimation with 1.5 % accuracy and a resolution of less than 6 %. The fluence measurement is performed with an uncertainty about 4 to 6%.

Um monitor de tensão de limiar (VT0) é um circuito que, idealmente, entrega o valor do VT0 como uma tensão na saída, para uma determinada faixa de temperatura, sem a necessidade de polarização externa, configurações paramétricas, ajuste de curvas ou qualquer cálculo subsequente. Estes circuitos podem ser usados em sensores de temperatura, referências de tensão e corrente, dosímetros de radiação e outras aplicações, uma vez que a dependência do VT0 nas condições de operação é um aspecto bem modelado. Além disso, estes circuitos podem ser utilizados para monitoramento de processos de fabricação e para compensação da variabilidade do processo, uma vez que o VT0 é um parâmetro chave para o comportamento do transistor e sua modelagem. Nesta tese, são apresentadas três novas topologias de circuitos, duas são monitores de VT0 NMOS e a terceira é um monitor de VT0 PMOS. As três estruturas são topologias de circuito auto-polarizadas que não utilizam resistências, e apresentam alta rejeição a variações na alimentação, baixa sensibilidade de Linea, e permitem a extração direta da tensão de limiar para grandes intervalos de temperatura e de tensão de alimentação, com pequeno erro. Sua metodologia de projeto é baseada no modelo unificado controlado por corrente (UICM), um modelo MOSFET que é contínuo, desde o nível de inversão fraca a forte e para as regiões de operação de triodo e saturação. Os circuitos ocupam uma pequena área de silício, consomem apenas dezenas de nanowatts, e podem ser implementados em qualquer processo padrão CMOS digital, uma vez que só utilizam transistores MOS (não precisa de nenhum resistor). Os monitores de VT0 são utilizados em diferentes aplicações, a fim de investigar a sua funcionalidade e comportamento como parte de um sistema. As aplicações variam de uma tensão de referência, que apresenta um desempenho comparável ao estado da arte, para uma configuração que permite obter uma menor variabilidade com processo na saída de um circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT. Além disso, explorando a capacidade de funcionar como um gerador de corrente específica (ISQ) que os monitores de VT0 aqui apresentados oferecem, introduz-se um novo circuito auto-polarizado que gera um tensão CTAT, que é menos sensível a variações de processo, e pode ser usado em referências de tensão band-gap. / A threshold voltage (VT0) monitor is a circuit that ideally delivers the estimated VT0 value as a voltage at its output, for a given temperature range, without external biases, parametric setups, curve fitting or any subsequent calculation. It can be used in temperature sensors, voltage and current references, radiation dosimeters and other applications since the MOSFET VT0 dependence on the operation conditions is a very well modeled aspect. Also, it can be used for fabrication process monitoring and process variability compensation, since VT0 is a key parameter for the transistor behavior and modeling. In this thesis, we present three novel circuit topologies, two of them being NMOS VT0 monitors and the last one being a PMOS VT0 monitor. The three structures are resistorless self-biased circuit topologies that present high power supply rejection, low line sensitivity, and allow the direct extraction of the threshold voltage for wide temperature and power supply voltage ranges, with small error. Its design methodology is based on the Unified Current Control Model (UICM), a MOSFET model that is continuous from weak to strong inversion and from triode to saturation regions. The circuits occupy small silicon area, consume just tens of nanoWatts, and can be implemented in any standard digital CMOS process, since they only use MOS transistors (does not need any resistor). The VT0 monitors are used in different applications in order to prove their functionality, and behavior as part of a system. The applications vary from a reference voltage, that presents performance comparable with state-of-the-art works, to a configuration that allows to obtain a lower process variability, in the output of a self-biased circuit that generates a complementary to the absolute temperature (CTAT) voltage. In addition, exploiting the ability to operate as an specific current (ISQ) generator, that the VT0 monitors presented here offer, we introduced a new self-biased circuit that produces a CTAT voltage and is less sensitive to process variations, and can be used in band-gap voltage references.

O presente trabalho descreve o projeto de modelos neurais pulsados em tecnologia CMOS. Foram projetados dois modelos: um neurônio baseado em condutâncias e um neurônio do tipo integra e dispara. O primeiro gera impulsos elétricos similares aos potenciais de ação gerados pelo neurônio biológico. Mediante simulação, foram observadas as seguintes características: disparo do impulso quando se atinge a tensão de limiar, hiperpolarização após o potencial de ação, retorno passivo à tensão de repouso, presença de período refratário e relação sigmoide entre a frequência de disparo e a intensidade do estímulo. Da mesma maneira, foi reproduzida a curva mínima duração x amplitude de estímulo típico dos neurônios biológicos. O segundo realiza a codificação de uma grandeza analógica na fase relativa dos impulsos elétricos gerados. Os impulsos gerados pelo circuito estão afastados em relação a um sinal periódico, em um intervalo que apresenta uma dependência logarítmica de uma corrente de entrada. John Hopfield propus esse tipo de codificação para explicar o reconhecimento de padrões com independência de escala, realizado pelo cérebro humano. No decorrer da pesquisa, foi necessário desenvolver algumas expressões analíticas para o projeto de circuitos de baixa frequência em CMOS, não encontradas na literatura estudada. As expressões estão baseadas na equação da corrente do transistor MOS proposta no modelo conhecido como Advanced Compact Mosfet (ACM). O projeto, implementação e testes de um transcondutor linearizado, e os resultados das simulações dos modelos neurais projetados, demonstram a validade das expressões desenvolvidas. / This work describes the design of pulsed neural models in CMOS technology. Two models were designed: a conductance based neuron and an integrate and fire neuron. The first generates electrical impulses similar to action potentials generated by the biological neuron. Through simulation, the following characteristics were observed: pulse trigger after reaching threshold voltage, hyperpolarization after the action potential, passive return to resting potential, presence of refractory period and sigmoid relationship between the firing rate and the stimulus intensity. Likewise, the curve minimal duration vs stimulus amplitude typical of biological neurons was reproduced. The second one performs the encoding of an analog input in the relative phase of electrical impulses. The impulses generated by the circuit are delayed with respect to a reference periodic signal, in a range that has a logarithmic dependence on an input current. John Hopfield proposed this type of encoding to explain the scale independent pattern recognition performed by the human brain. During the research, it was necessary to develop some analytical expressions for the design of low-frequency circuits in CMOS, not found in the literature studied. The expressions are based on the Advanced Compact MOSFET (ACM) model. The design, implementations and testing of a linearized transconductor, and the simulations results of the neural models designed, demonstrate the validity of the expressions developed.

Une architecture de capteurs à pixels CMOS permettant la désertion du volume sensible par polarisation via la face avant du circuit est étudiée à travers la caractérisation en laboratoire d’un capteur prototype. Les performances de collection de charge confirment la désertion d‘une grande partie de l’épaisseur sensible. De plus, le bruit de lecture restant modeste, le capteur présente une excellente résolution en énergie pour les photons en dessous de 20 keV à des températures positives. Ces résultats soulignent l’intérêt de cette architecture pour la spectroscopie des rayons X mous et pour la trajectométrie des particules chargées en milieu très radiatif. La profondeur sur laquelle le capteur est déserté est prédite par un modèle analytique simplifié et par des calculs par éléments finis. Une méthode d’évaluation de cette profondeur par mesure indirecte est proposée. Les mesures corroborent les prédictions concernant un substrat fin, très résistif, qui est intégralement déserté et un substrat moins résistif et mesurant 40 micromètres, qui est partiellement déserté sur 18 micromètres mais détecte correctement sur la totalité de l’épaisseur. Deux développements de capteurs destinés à l’imagerie X et à la neuro-imagerie intracérébrale sur des rats éveillés et libres de leurs mouvements sont présentés. / An architecture of CMOS pixel sensor allowing the depletion of the sensitive volume through frontside biasing is studied through the characterization in laboratory of a prototype. The charge collection performances confirm the depletion of a large part of the sensitive thickness. In addition, with a modest noise level, the sensor features an excellent energy resolution for photons below 20 keV at positive temperatures. These results demonstrate that such sensors are suited for soft X-ray spectroscopy and for charged particle tracking in highly radiative environment. A simplified analytical model and finite elements calculus are used to predict the depletion depth reached. An indirect measurement method to evaluate this depth is proposed. Measurements confirm predictions for a thin highly resistive epitaxial layer, which is fully depleted, and a 40micrometers thick bulk less resistive substrate, for which depletion reached 18 micrometers but which still offers correct detection over its full depth. Two sensor designs dedicated to X-ray imaging and in-brain neuroimaging on awake and freely moving rats are presented.

O presente trabalho descreve o projeto de modelos neurais pulsados em tecnologia CMOS. Foram projetados dois modelos: um neurônio baseado em condutâncias e um neurônio do tipo integra e dispara. O primeiro gera impulsos elétricos similares aos potenciais de ação gerados pelo neurônio biológico. Mediante simulação, foram observadas as seguintes características: disparo do impulso quando se atinge a tensão de limiar, hiperpolarização após o potencial de ação, retorno passivo à tensão de repouso, presença de período refratário e relação sigmoide entre a frequência de disparo e a intensidade do estímulo. Da mesma maneira, foi reproduzida a curva mínima duração x amplitude de estímulo típico dos neurônios biológicos. O segundo realiza a codificação de uma grandeza analógica na fase relativa dos impulsos elétricos gerados. Os impulsos gerados pelo circuito estão afastados em relação a um sinal periódico, em um intervalo que apresenta uma dependência logarítmica de uma corrente de entrada. John Hopfield propus esse tipo de codificação para explicar o reconhecimento de padrões com independência de escala, realizado pelo cérebro humano. No decorrer da pesquisa, foi necessário desenvolver algumas expressões analíticas para o projeto de circuitos de baixa frequência em CMOS, não encontradas na literatura estudada. As expressões estão baseadas na equação da corrente do transistor MOS proposta no modelo conhecido como Advanced Compact Mosfet (ACM). O projeto, implementação e testes de um transcondutor linearizado, e os resultados das simulações dos modelos neurais projetados, demonstram a validade das expressões desenvolvidas. / This work describes the design of pulsed neural models in CMOS technology. Two models were designed: a conductance based neuron and an integrate and fire neuron. The first generates electrical impulses similar to action potentials generated by the biological neuron. Through simulation, the following characteristics were observed: pulse trigger after reaching threshold voltage, hyperpolarization after the action potential, passive return to resting potential, presence of refractory period and sigmoid relationship between the firing rate and the stimulus intensity. Likewise, the curve minimal duration vs stimulus amplitude typical of biological neurons was reproduced. The second one performs the encoding of an analog input in the relative phase of electrical impulses. The impulses generated by the circuit are delayed with respect to a reference periodic signal, in a range that has a logarithmic dependence on an input current. John Hopfield proposed this type of encoding to explain the scale independent pattern recognition performed by the human brain. During the research, it was necessary to develop some analytical expressions for the design of low-frequency circuits in CMOS, not found in the literature studied. The expressions are based on the Advanced Compact MOSFET (ACM) model. The design, implementations and testing of a linearized transconductor, and the simulations results of the neural models designed, demonstrate the validity of the expressions developed.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor de corrente transiente destinado a detectar a ocorrência de um evento transiente causado pela incidência de radiação ionizante em um circuito integrado. Iniciando com uma descrição dos efeitos da radiação sobre os circuitos integrados e dos tipos de radiação de interesse, os fundamentos da técnica Bulk- BICS são apresentados e as propostas existentes na literatura são expostas e avaliadas, com ênfase no sensor que utiliza a célula de memória dinâmica DynBICS, resultado de um trabalho prévio e do qual se dispõe de amostras fabricadas. Sobre essas amostras são efetuados testes elétricos, um ensaio de dose total irradiada TID e um ensaio de estimulação laser, cujos resultados são apresentados e confirmam a funcionalidade da topologia da célula de memória dinâmica aplicada a circuitos Bulk-BICS. Em seguida, é apresentada a topologia da célula de memória integrativa como uma evolução da célula de memória dinâmica e propõe-se o circuito de um novo sensor Bulk-BICS baseado na nova célula. O funcionamento elétrico do circuito desse novo sensor TRIBICS é avaliado através de simulação de circuitos determinando-se a sensibilidade e o tempo de resposta do sensor utilizando-se pulsos de corrente em dupla exponencial. É feita uma análise do funcionamento da célula de memória estática e, através de uma comparação de desempenho entre as células de memória estáticas utilizadas em três circuitos propostos e a célula de memória integrativa, utilizando um modelo simplificado, mostra-se que a célula de memória integrativa é mais rápida e sensível do que as contrapartes estáticas O sensor TRIBICS é então simulado em conexão com um modelo de dispositivo, sendo antes apresentados os modelos TCAD do inversor utilizado como alvo da incidência da radiação nas simulações. São apresentados resultados obtidos individualmente para o transistor NMOS e para o transistor PMOS, nos quais se mostra a formação de um canal condutivo entre dreno e fonte durante o SET. Mostra-se, também, que os resultados obtidos com a simulação de dispositivos não concorda com aqueles proporcionados pela simulação de circuitos no tocante à divisão das correntes transitórias entre dreno, fonte e substrato. O resultado das simulações de dispositivo efetuadas com os modelos TCAD em modo misto com o circuito TRIBICS descrito em SPICE mostram a relação entre a transferência de energia da irradiação LET e a efetiva deteção do SET provocado, em função da distância entre os contatos de bulk ou substrato, permitindo determinar a máxima distância entre contatos para 100% de certeza na deteção do SET. Com isso, obtém-se uma estimativa do número de transistores que pode ser monitorado pelos Bulk-BICS. É proposta a estratégia de implementação dos Bulk-BICS na forma de uma standard cell a ser posicionada entre os grupos de transistores sob monitoração, e uma estimativa da relação entre as áreas dos transistores monitorados e do Bulk-BICS é apresentada. Por fim, é estudada a questão da fabricação dos Bulk-BICS no mesmo substrato dos transistores monitorados e uma maneira de fazê-la é proposta. Os resultados encontrados permitem definir a viabilidade e a eficácia da técnica Bulk-BICS como forma de deteção de eventos transientes em sistemas digitais. / A current sensor to detect the occurrence of a single-event transient that is caused by the incidence of ionizing radiation in an integrated circuit is presented. Radiation of interest and their effects on the integrated circuits are discussed. Fundamentals of the Bulk-BICS technique and the circuits proposed in the literature to implement this technique are discussed and evaluated, with emphasis on the dynamic memory cell-based circuit DynBICS, which was developed as a previous work and with fabricated samples available. Experimental results obtained from a series of electrical tests, a TID test, and a laser-stimulated test that were conducted on a number of fabricated and packaged samples are presented. The results confirm that the dynamic memory cell is suitable and robust enough to be used in Bulk-BICS circuits. Next, evolution of the dynamic memory cell into an integrative memory cell is discussed and the circuit of a Bulk-BICS using this new memory cell topology is presented. The electrical operation of this new sensor TRIBICS is evaluated using circuit simulations. By using double-exponential current pulses, both the sensitivity and the response time are determined. The static memory cell operation is analyzed and a comparison of performance between static and integrative cells is performed using a simplified model. The results show that the integrative memory cell is faster and more sensitive than the static cells used in three state-ofthe- art sensors published in literature Then the TRIBICS sensor is simulated connected to a TCAD-modeled device, comprising an inverter, which is used as a target for radiation impact. TCAD models are previously presented and the results obtained when the PMOS and NMOS transistors are separately excited by radiation show the formation of a conductive link between drain and source regions during the occurrence of SET. The simulations also show that the results obtained by using TCAD simulations do not agree with the ones obtained by using circuit simulation regarding the current share among drain, source and bulk during the SET. Mixed-mode simulations using the TCAD models in conjunction of TRIBICS circuits described in SPICE show the relationship between LET and the effective SET-detection with the inter-tap distance as a parameter, and allows to determine the inter-tap distance for 100% of SET detection efficiency. Based on these results, an estimate of how many transistors can be monitored by the Bulk-BICS is obtained. It is proposed to implement the Bulk-BICS as a standard cell, to be positioned in between the standard cell that compose a digital circuit and the area overhead necessary to implant the sensors in a real circuit is estimated. The problem on how to manufacture the Bulk-BICS circuit in the same substrate of the monitored transistors is studied and a solution is proposed. The results show the viability and effectiveness of the Bulk-BICS technique, as a means to detect single-event transients in digital systems.