La logique supraconductrice RSFQ (Rapide Single Flux Quantum) est une solution très attractive pour le <br />traitement des données à très haute fréquence avec une dissipation très faible et des performances nettement <br />supérieures à ce que la technologie CMOS pourra offrir dans la prochaine décennie. La technologie RSFQ <br />en nitrure de niobium (NbN) en cours de développement au CEA-G est basée sur des jonctions Josephson <br />NbN/Ta_{X}N/NbN auto-shuntées qui présentent une fréquence d'oscillation maximum proche du THz jusqu'à <br />10 K. L'objectif de cette recherche a été d'appliquer cette technologie NbN 9K à un CAN (Convertisseur <br />Analogique-Numérique) adaptable aux télécommunications spatiales. Une architecture de type CAN <br />sigma-delta a été étudiée, sur-échantillonnant à 200 GHz de fréquence d'horloge un <br />signal avec une bande de 500 MHz et modulé sur une porteuse de 30 GHz. En particulier une horloge, <br />un comparateur et différents portes <br />logiques ont été étudiés et conçus pour opérer à 200 GHz ainsi qu'un modulateur sigma-delta passe-bande <br />du troisième ordre dont les performances SNR, SFDR, devraient après optimisation satisfaire les objectifs <br />visés. La complexité de l'architecture du filtre de décimation a été analysée. Certains composants de base <br />du filtre, des diviseurs de fréquence et des registres à décalage, ont été étudiés et dessinés, enfin quelques <br />méthodes de test du modulateur sont proposées. Le travail d'implémentation de circuits NbN en technologie <br />multi-niveaux a été traité conduisant à la réalisation complète de deux lots de circuits qui pour des raisons <br />technologiques clarifiées ensuite n'ont pu aboutir au test des portes logique du CAN. Cependant, les marges de <br />fonctionnement des portes logiques NbN ont été déterminées grâce à la caractérisation de jonctions, SQUIDs <br />et de filtres (résonateurs) micro-ondes. Finalement, une étude comparative entre des circuits à jonctions NbN <br />auto-shuntées opérant à 9K en réfrigération allégée et des circuits similaires obtenus en fonderie Nb basés sur <br />des jonctions Nb/AlO_{X}/Nb shuntées en externe opérant à 4K, démontre tous les avantages qu'on peut espérer <br />attendre de la technologie NbN.

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.

L’objectif des travaux menés dans le cadre de cette thèse est le déploiement d’un dispositif médical embarqué et portable assurant l’acquisition et la transmission du signal biomédical électrocardiogramme. Il doit intégrer des techniques de traitement avancées et un étage de communication radio. A la quête de nouvelles idées non encore explorées par la communauté scientifique, nous proposons dans notre travail d’appliquer une acquisition compressée intelligente par exploitation du caractère parcimonieux du signal électrocardiogramme à l’aide d’un convertisseur analogique-numérique à échantillonnage non-uniforme. / The objective of this thesis is the deployment of an embedded and portable medical device for acquisition and transmission of the biomedical electrocardiogram signal. The device incorporates advanced processing techniques and a radio communication module. In search of new ideas not yet explored by the scientific community, we propose in our work to apply an intelligent compressed acquisition by exploiting the sparsity character of the electrocardiogram using a non-uniform sampling analog-to-digital converter.

L’imagerie constitue un axe majeur de l’exploration de l’univers et de la Terre depuis l’espace, que l’on se trouve dans le domaine du visible ou non. Ainsi dans le domaine spatial, les données sont le plus souvent récupérées par un capteur CCD (Charge-Coupled Device, ou Dispositif à Transfert de Charge (DTC)) qui fournit des tensions analogiques vers un convertisseur analogique-numérique (CAN), dont la sortie sera transmise à une chaîne de traitement, puis envoyée sur terre. Ainsi, les CAN sont des éléments clés dans l’imagerie par satellite. De leur précision et de leur vitesse va dépendre la qualité de la représentativité de la chaîne de signaux binaires. Il est donc crucial de réaliser une conversion de données de grande qualité (vitesse, précision) tout en s’assurant de la résistance du CAN à l’environnement radiatif. L’objectif de cette thèse est d’améliorer la robustesse à l’environnement spatial, tout en optimisant les performances, de plusieurs fonctions élémentaires d’un convertisseur analogique-numérique de type pipeline 14bits,5MS/s, réalisées en technologie XFAB 0,18µm. Les trois fonctions ciblées sont les interrupteurs (notamment la résolution des problèmes liés au phénomène d’injection de charges en environnement spatial), les comparateurs (durcissement) et l’amplificateur à capacités commutées (amélioration du gain par une technique prédictive sans pénaliser la puissance consommée). / Imaging is a major issue in the observation of the Universe and the Earth from space, whether in the visible domain or not. Thus, in the spatial field, data is often gathered by a CCD (charge-Coupled Device) sensor, that supplies analog voltages to an Analog-to-Digital Converter (ADC), which outputs will be delivered to a processing chain, and then sent to earth. Consequently, ADCs are key elements in satellite imaging. Their precision and speed will indeed define the quality and the representativeness of the binary signal. It is then crucial to perform a high quality (speed & precision) conversion of the data, while making sure that the ADC can cope with the harsh irradiative environment. The purpose of this thesis is to improve the robustness to the space environment (hardening), while optimizing the performances, of several elementary devices that compose a 14 bits, 5MS/s pipeline ADC, made with the XFAB 180nm technology. The three targeted functions are the switches (especially the problems linked to coping with the charge injection problems in a space environment), the comparators (hardening) and the switched-capacitor amplifier (gain boosting through a predictive architecture with no penalty on the power consumption).

Les récentes avancées technologiques des microphones de type microsystème électromécanique (MEMS) leurs permettent une utilisation sur une large gamme d’amplitudes sonores. Leur niveau de bruit ayant baissé, il devient possible de capter des sons provenant d’une distance plus lointaine, tandis que l’augmentation de leur pression acoustique maximale leur permet de ne pas saturer dans un environnement très bruyant de type concert ou évènement sportif. Ainsi le système électronique de conversion analogique-numérique connecté au microphone devient l’élément limitant les performances du système d’acquisition acoustique. Un besoin de nouvelles architectures de conversion analogique-numérique ayant une plage dynamique augmentée se fait donc ressentir. Par ailleurs, ces microphones étant de plus en plus utilisés dans des systèmes fonctionnant sur batterie, la contrainte de limitation de la consommation devient importante.Dans la bande de fréquences audio, les convertisseurs analogiques-numériques de type sigma-delta sont les plus aptes à obtenir une grande résolution combinée à une faible consommation. Ils sont divisés en deux grandes familles: ceux à temps discret utilisant principalement des circuits à capacités commutées, et ceux à temps continu utilisant des circuits classiques. Cette thèse se concentre sur l’étude et la conception de chacun des deux types de convertisseurs sigma delta, en insistant sur la faible consommation, le faible coût de production (surface occupée) et la robustesse du circuit, cela en vue d’une production de masse pour équipements portables.La conception d’un convertisseur analogique numérique de type sigma-delta à temps discret a été réalisé, ce dernier atteignant un rapport signal sur bruit de 100 décibels sur une bande de 24kHz, pour une puissance consommée de seulement 480μW. Pour limiter la consommation, de nouveaux amplificateurs à base d’inverseurs sont utilisés, et dont la robustesse contre les variations du procédé de fabrication ou de la température a été améliorée. Les spécifications ont été définies grâce au développement d’un modèle de haut-niveau précis, ce qui permet d’éviter le surdimensionnement tout en atteignant les performances voulues. Enfin, un grand ratio de suréchantillonnage a été choisi afin de réduire l’espace utilisé par les capacités commutées, minimisant le coût de fabrication.Après une étude théorique de l’équivalence entre les modulateurs sigma-delta à temps discret et à temps continu, ainsi que des spécificités propres aux modulateurs à temps continu, une réalisation de ces derniers a été effectuée. Celui-ci atteint un rapport signal sur bruit de 95 décibels sur une bande de fréquence de 24kHz, tout en consommant 142μW. Pour réduire la consommation ainsi que l’espace utilisé, un filtre de boucle du second-ordre a été réalisé avec un seul amplificateur, et le quantificateur fait aussi office d’intégrateur grâce à l’utilisation d’une structure d’oscillateurs contrôlés en tension. Ce quantificateur à base d’oscillateurs est réalisé par des cellules numériques, réduisant la consommation et l’espace utilisé, mais est hautement non-linéaire. Cette non-linéarité a été prise en compte par des choix architecturaux afin de ne pas réduire les performances finales du modulateur. / The recent technological advances in microelectromechanical system (MEMS) microphones allow them to be used on a large sound amplitude range. Due to their lower noise level, it becomes possible to capture sound from a faraway distance, while their increased acoustic overload point gives them the ability to capture sound without saturation in a loud environment like a concert or a sport event. Thus, the electronic analog / digital conversion system connected to the microphone becomes the limiting element of the acoustic acquisition system performance. There is then a need for a new analog / digital conversion architecture which has an increased dynamic range. Furthermore, since more and more of these microphones are used in battery-powered devices, the power consumption limitation constraint becomes of high importance.In the audio frequency band, the sigma-delta analog / digital converters are the ones most able to provide a high dynamic range combined to a limited power consumption. They are split in two families: the discrete-time ones using switched-capacitors circuits and the continuous-time ones using more classical structures. This thesis concentrates on the study and the design of both of these two types of sigma-delta converters, with an emphasis on the low-power consumption, the low production cost (area occupied) and the circuit robustness, in sight of a mass production for portable devices.A discrete-time sigma-delta modulator design has been made, the latter reaching a signal to noise ratio of 100dB on a 24kHz frequency bandwidth, for a power consumption of only 480μW. To limit the power consumption, new inverter-based amplifiers are used, with an improved robustness against the variations of the fabrication process or the temperature. Amplifier specifications are obtained thanks to an accurate high-level model developed, which allows to avoid over-design while ensuring that the wanted performances are reached. Finally, a large oversampling ratio has been used to reduce the switched-capacitors area, lowering the modulator cost.After a theoretical study of the equivalence between discrete-time and continuous-time modulators, and of continuous-time modulators specificities, a design of the latter has been made too. It reaches a signal to noise ratio of 95dB on a 24kHz bandwidth, while consuming 142μW. To reduce the power consumption and the occupied area, a second-order loop filter is implemented using a single amplifier, and the quantizer uses a VCO-based structure that provides inherently an integrating stage. The VCO-based quantizer is made using digital cells, lowering the consumption and area, but is highly non-linear. This non-linearity has been handled by architectural choices to not influence the final modulator performances.

À l’horizon 2024, l’expérience ATLAS prévoit de fonctionner à des luminosités 10 fois supérieures à la configuration actuelle. Par conséquent, l’électronique actuelle de lecture ne correspondra pas aux conditions de ces luminosités. Dans ces conditions, une nouvelle électronique devra être conçue. Cette mise à niveau est rendue nécessaire aussi par les dommages causés par les radiations et le vieillissement. Une nouvelle carte frontale va être intégrée dans l’électronique de lecture du calorimètre LAr. Un élément essentiel de cette carte est le Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) présentant une résolution de 12bits pour une fréquence d’échantillonnage de 40MS/s, ainsi qu’une résistance aux irradiations. Compte tenu du grand nombre des voies, ce CAN doit remplir des critères sévères sur la consommation et la surface. Le but de cette thèse est de concevoir un CAN innovant qui peut répondre à ces spécifications. Une architecture à approximations successives (SAR) a été choisie pour concevoir notre CAN. Cette architecture bénéficie d’une basse consommation de puissance et d’une grande compatibilité avec les nouvelles technologies CMOS. Cependant, le SAR souffre de certaines limitations liées principalement aux erreurs de décisions et aux erreurs d’appariement des capacités du CNA. Deux prototypes de CAN-SAR 12bits ont été modélisés en Matlab afin d’évaluer leur robustesse. Ensuite les conceptions ont été réalisées dans une technologie CMOS 130nm d’IBM validée par la collaboration ATLAS pour sa tenue aux irradiations. Les deux prototypes intègrent un algorithme d’approximations avec redondance en 14 étapes de conversion, qui permet de tolérer des marges d’erreurs de décisions et d’ajouter une calibration numérique des effets des erreurs d’appariement des capacités. La partie logique de nos CAN est très simplifiée pour minimiser les retards de génération des commandes et la consommation d’énergie. Cette logique exécute un algorithme monotone de commutation des capacités du CNA permettant une économie de 70% de la consommation dynamique par rapport à un algorithme de commutation classique. Grâce à cet algorithme, une réduction de capacité totale est aussi obtenue : 50% en comparant notre premier prototype à un seul segment avec une architecture classique. Pour accentuer encore plus le gain en termes de surface et de consommation, un second prototype a été réalisé en introduisant un CNA à deux segments. Cela a abouti à un gain supplémentaire d’un facteur 7,64 sur la surface occupée, un facteur de 12 en termes de capacité totale, et un facteur de 1,58 en termes de consommation. Les deux CAN consomment respectivement une puissance de ~10,3mW et ~6,5mW, et ils occupent respectivement une surface de ~2,63mm2 et ~0,344mm2.Afin d’améliorer leurs performances, un algorithme de correction numérique des erreurs d’appariement des capacités a été utilisé. Des buffers de tensions de référence ont étés conçus spécialement pour permettre la charge/décharge des capacités du convertisseur en hautes fréquences et avec une grande précision. En simulations électriques, les deux prototypes atteignent un ENOB supérieur à 11bits tout en fonctionnant à la vitesse de 40MS/s. Leurs erreurs d’INL simulés sont respectivement +1,14/-1,1LSB et +1,66/-1,72LSB.Les résultats de tests préliminaires du premier prototype présentent des performances similaires à celles d’un CAN commercial de référence sur notre carte de tests. Après la correction, ce prototype atteint un ENOB de 10,5bits et un INL de +1/-2,18LSB. Cependant suite à une panne de carte de tests, les résultats de mesures du deuxième prototype sont moins précis. Dans ces circonstances, ce dernier atteint un ENOB de 9,77bits et un INL de +7,61/-1,26LSB. En outre la carte de tests actuelle limite la vitesse de fonctionnement à ~9MS/s. Pour cela une autre carte améliorée a été conçue afin d’atteindre un meilleur ENOB, et la vitesse souhaitée. Les nouvelles mesures vont être publiées dans le futur. / By 2024, the ATLAS experiment plan to operate at luminosities 10 times the current configuration. Therefore, many readout electronics must be upgraded. This upgrade is rendered necessary also by the damage caused by years of total radiations’ effect and devices aging. A new Front-End Board (FEB) will be designed for the LAr calorimeter readout electronics. A key device of this board is a radiation hard Analog-to-Digital Converter (ADC) featuring a resolution of 12bits at 40MS/s sampling rate. Following the large number of readout channels, this ADC device must display low power consumption and also a low area to easy a multichannel design.The goal of this thesis is to design an innovative ADC that can deal with these specifications. A Successive Approximation architecture (SAR) has been selected to design our ADC. This architecture has a low power consumption and many recent works has shown his high compatibility with modern CMOS scaling technologies. However, the SAR has some limitations related to decision errors and mismatches in capacitors array.Using Matlab software, we have created the models for two prototypes of 12bits SAR-ADC which are then used to study carefully their limitations, to evaluate their robustness and how it could be improved in digital domain.Then the designs were made in an IBM 130nm CMOS technology that was validated by the ATLAS collaboration for its radiation hardness. The prototypes use a redundant search algorithm with 14 conversion steps allowing some margins with comparator’s decision errors and opening the way to a digital calibration to compensate the capacitors mismatching effects. The digital part of our ADCs is very simplified to reduce the commands generation delays and saving some dynamic power consumption. This logic follows a monotonic switching algorithm which saves about70% of dynamic power consumption compared to the conventional switching algorithm. Using this algorithm, 50% of the total capacitance reduction is achieved when one compare our first prototype using a one segment capacitive DAC with a classic SAR architecture. To boost even more our results in terms of area and consumption, a second prototype was made by introducing a two segments DAC array. This resulted in many additional benefits: Compared to the first prototype, the area used is reduced in a ratio of 7,6, the total equivalent capacitance is divided by a factor 12, and finally the power consumption in improved by a factor 1,58. The ADCs respectively consume a power of ~10,3mW and ~6,5mW, and they respectively occupy an area of ~2,63mm2 and ~0,344mm2.A foreground digital calibration algorithm has been used to compensate the capacitors mismatching effects. A high frequency open loop reference voltages buffers have been designed to allow the high speed and high accuracy charge/discharge of the DAC capacitors array.Following electrical simulations, both prototypes reach an ENOB better than 11bits while operating at the speed of 40MS/s. The INL from the simulations were respectively +1.14/-1.1LSB and +1.66/-1.72LSB.The preliminary testing results of the first prototype are very close to that of a commercial 12bits ADC on our testing board. After calibration, we measured an ENOB of 10,5bits and an INL of +1/-2,18LSB. However, due to a testing board failure, the testing results of the second prototype are less accurate. In these circumstances, the latter reached an ENOB of 9,77bits and an INL of +7,61/-1,26LSB. Furthermore the current testing board limits the operating speed to ~9MS/s. Another improved board was designed to achieve a better ENOB at the targeted 40MS/s speed. The new testing results will be published in the future.

Ce travail de thèse concerne les circuits ultra-rapides pour la conversion analogique numérique performante en technologie bipolaire à hétérojonctions sur substrat Indium Phosphore (TBDH/InP). L'étude s'intéresse à la fonction principale qui est l'échantillonnage blocage. Elle a été menée par simulation de l'ensemble des blocs composant cette fonction. En particulier une étude extensive des cœurs des circuits Echantillonneurs/Bloqueurs a été effectuée pour différents paramètres électriques pour aboutir à des valeurs optimales réalisant un compromis entre la bande passante la résolution et la linéarité.Des architectures de circuits Echantillonneurs/Bloqueurs (E/B) avec ou sans l'étage d'amplification à gain variable ont été conçues, optimisées, réalisées et caractérisées et des performances à l'état de l'art ont été obtenues : des circuits E/B de bande passante supérieure à 50 GHz et cadencées à 70 Gs/s ont été réalisés pour les applications de communications optiques et des circuits de bande passante supérieure à 16 GHz cadencés à (2-8) Gs/s ont été réalisés pour la transposition de fréquence. / This thesis concerns the design of high speed circuits in Indium phosphide heterojunction Bipolar technology for High performance analog to digital conversion (ADC).The study focuses on the Track and Hold block (THA) which is the main function of the ADC. The study was conducted by simulating all blocks of the THA circuit. In particular, an extensive study of the THA main block was performed for various electrical parameters to achieve optimal conditions in order to obtain a good tradeoff between resolution bandwidth and linearity. THA architectures circuits with or without Voltage Gain Amplifier stage were designed, optimized and characterized. High THA performances were achieved: THA circuit with a bandwidth greater than 50 GHz at 70 Gs/s were achieved for optical communications and circuits of bandwidth more than16 GHz at (2-8 GS /s) have been realized for down conversion operation.

Les technologies CMOS représentent aujourd’hui plus de 90% du marché des capteurs d’images : elles permettent d’intégrer des systèmes intelligents dans une seule puce (SoC = System-On-Chip) et ouvrent la voie à l’intégration d’algorithmes de plus en plus complexes dans les dernières générations de capteurs. Des techniques telles que la reconstruction grande dynamique nécessitent d’acquérir plusieurs images avec un même capteur et de les recombiner. Ces nouvelles contraintes nécessitent d’augmenter drastiquement le débit d’images pour des capteurs de tailles conséquentes (Jusqu'à 30 Mpixels), ainsi que d’augmenter la résolution du convertisseur analogique numérique (jusqu’à 14 bits). Cela crée une demande forte en techniques de conversion analogique-numérique. Ces techniques doivent obéir en même temps aux contraintes de performance notamment la vitesse, la résolution, le faible bruit, la faible consommation et l'intégrabilité mais aussi aux contraintes de qualité d'image impactées directement par la chaine de conversion analogique-numérique en plus de la technologie du pixel. D'ici découle une double problématique pour le sujet:- Etudier et déterminer les limites atteignables en termes de performance sur les différents axes précités.- Gestion du fonctionnement massivement parallèle lié à la structure inhérente des capteurs d'image en vue d'avoir une qualité d'image irréprochable. / CMOS technologies represent nowadays more than 90% of image sensors market given their features namely the possibility of integrating entire intelligent systems on the same chip (SoC = System-On-Chip). Thereby, allowing the implementation of more and more complex algorithms in the new generations of image sensors.New techniques have emerged like high dynamic range reconstruction which requires the acquisition of several images to build up one, thus multiplying the frame rate.These new constraints require a drastic increase of image rate for sensors ofconsiderable size (Up to 30 Mpix and more). At the same time, the ADCresolution has to be increased to be able to extract more details (until 14 bits).With all these demanding specifications, analog-to-digital conversion capabilities have to be boosted as far as possible.These capabilities can be distinguished into two main research axes representing the pillars of the PhD work, namely:+ The study of the reachable limits in terms of performance: Speed, Resolution,Low Noise, Low power consumption and small design pitch.+ The management of the highly parallel operation linked to the structure of animage sensor. Solutions have to be found so as to avoid image artefacts andpreserve the image quality.

Le convertisseur analogique-numérique (ADC), fait fonction d’interface entre les domaines de représentation analogique et numérique des systèmes mixtes de traitement du signal.Il est un élément central en cela que ses performances circonscrivent celles des traitements numériques qui lui succèdent et a fortiori celles de son dispositif hôte. C’est notamment le casdes récepteurs radioélectriques numériques à large bande instantanée. De fait, ces systèmes voient leurs performances de dynamiques instantanées monotonale (DTDR) et bitonale (STDR)– i.e. leur capacité à traiter simultanément des composantes de faible puissance en présence d’une ou plusieurs autres composantes de plus forte puissance – limitées par la linéarité de leur ADC.Ce dernier caractère est quantifié par les performances de dynamique sans raies parasites (SFDR)et distorsion d’intermodulation (IMD) d’un ADC.Les critères de DTDR et de STDR sont essentiels pour les récepteurs radios numériques de guerre électronique conçus pour le traitement des signaux de radiocommunications. En effet, ces dispositifs sont employés à l’établissement de la situation tactique de l’environnement électromagnétique à des fins de support de manoeuvres militaires. La fidélité de la représentation numérique du signal analogique reçu est donc critique. Ainsi, cette thèse vise à étudier la linéarisation des ADC, i.e. l’augmentation des SFDR et IMD, en vue de l’amélioration des dynamiques instantanées de ces récepteurs.Dans ce manuscrit, nous traitons cette problématique selon deux axes différents. Le premier consiste à corriger les distorsions introduites par un ADC au moyen de tables de correspondances(LUT) pré-remplies. À cette fin, nous proposons un algorithme de remplissage de LUT procédant d’une méthode de la littérature par la réduction de moitié du nombre de coefficients à déterminer pour estimer la non-linéarité intégrale (INL) d’un ADC. Sur la base de cette nouvelle méthode,nous développons une approche de correction des non-linéarités dynamiques introduites par un ADC reposant sur une paire de LUT statiques et présentons un exemple d’algorithme permettant de l’opérer. Le second axe du manuscrit repose sur la modélisation comportementale de l’ADC par les séries de Volterra à temps discrets et leurs dérivés. En premier lieu, nous considérons les trois problématiques fondamentales de cette approche de linéarisation : la modélisation ;l’identification de modèle ; et l’inversion de modèle. Puis, nous définissons trois solutions de linéarisation d’ADC aveugles. Enfin, nous analysons l’implémentation sur circuits à réseaux logiques programmables (FPGA) de l’un de ces algorithmes afin d’évaluer la pertinence d’uneopération en temps-réel des échantillons de sortie d’un ADC échantillonnant à une fréquence d’environ 400 MHz. / The analog-to-digital converter (ADC) is a central component of mixed signal systems as the interface between the analog and digital representation spaces. Its performance bounds that of the device it is integrated in. Indeed, ADC linearity is essential for maintaining in the digital space the reliability of its input signal and then that of the information it carries.Wideband digital radio receivers are particularly sensitive to ADC non-linearities. Single-tone and dual-tone dynamic range (respectively STDR and DTDR) of such systems – i.e. the abilityto process simultaneously signal components with high power ratio – are limited by the spurious free dynamic range (SFDR) and intermodulation distortion (IMD) of their internal ADC.DTDR et de STDR are key metrics for electronic warfare wideband digital radio receivers developed for radiocommunication signal processing. As a matter of fact, these equipments are employed for analyzing the tactical situation of the radiofrequency spectrum in order to support military maneuvers. Hence, signal integrity is critical. This thesis deals with the ADC linearization issue in this context. Thus, it aims to study techniques for increasing ADC SFDRand IMD for the purpose of improving dynamic ranges of electronic warfare wideband digitalr eceivers.In this dissertation, the problematic of ADC linearization is approached in two different ways.On the one hand, we consider distortion compensation using pre-filled look-up tables (LUT). Wepropose an algorithm for filling LUTs that stems from an existing method by halving the numberof coefficients required for the integral non-linearity (INL) estimation. Then, based on this new method, we develop an approach for correcting ADC dynamic non-linearities using a couple ofstatic LUTs and we present an example of algorithm for operating this method. On the other hand,we study linearization solutions that rely on behavioural modelling of ADCs using discrete-time Volterra series and its derivatives. First, we address the three fundamental issues of this approach:modelling ; model identification ; and model inversion. Then, we propose three blind linearization algorithms. Finally, we consider the implementation on field programmable gate array (FPGA) of one of them for the purpose of evaluating the relevance of real-time linearization of an ADC sampling at about 400 MHz.

L’ évolution des systèmes radar et de guerre électronique tend à concevoir desrécepteurs numériques possédant des bandes instantanées de plus en plus larges. Cette contraintese reporte sur les Convertisseurs Analogique-Numérique (CAN) qui doivent fournir une fréquenced’échantillonnage de plus en plus élevée tout en conservant une puissance dissipée réduite. Unesolution pour répondre à cette demande est le CAN à Temps Entrelacés (ET-CAN) qui paralléliseM CANs pour augmenter la fréquence d’échantillonnage d’un facteur M tout en restant dansun rapport proportionné avec la puissance dissipée. Cependant, les performances dynamiquesdes ET-CANs sont réduites par des défauts d’entrelacements liés à des différences de processusde fabrication, de leur tension d’alimentation et des variations de température. Ces défautspeuvent être modélisés comme issus des disparités d’offsets, de gains ou décalages temporels etglobalement comme issus des disparités de réponses fréquentielles. Ce sont sur ces dernièresdisparités, moins traitées dans la littérature, que portent nos travaux. L’objectif est d’étudierces disparités pour en déduire un modèle et une méthode d’estimation puis, de proposer desméthodes de compensation numérique qui peuvent être implémentées sur une cible FPGA.Pour cela, nous proposons un modèle général des disparités de réponses fréquentielles desET-CANs pour un nombre de voies M quelconques. Celui-ci mélange une description continuedes disparités et une description discrète de l’entrelacement, résultant sur une expression desdéfauts des ET-CANs comme un filtrage à temps variant périodique (LPTV) du signal analogiqueéchantillonné uniformément. Puis, nous proposons une méthode d’estimation des disparitésdes ET-CANs basée sur les propriétés de corrélation du signal en sortie du modèle, pour Mvoies quelconques. Ensuite, nous définissions une architecture de compensation des disparitésde réponses fréquentielles des ET-CANs et nous étudions ses performances en fonction de sesconfigurations et du signal en entrée. Nous décrivons une implémentation de cette architecturepour M=4 voies entrelacées sur cible FPGA et nous étudions les ressources consommées afin deproposer des pistes d’optimisation. Enfin, nous proposons une seconde méthode de compensationspécifique au cas M=2 voies entrelacées, dérivée de la première mais travaillant sur le signalanalytique en sortie d’un ET-CAN et nous la comparons à une méthode similaire de l’état del’art. / The evolution of radar and electronic warfare systems tends to develop digitalreceivers with wider bandwidths. This constraint reaches the Analog to Digital Converters(ADC) which must provide a sample rate higher and higher while maintaining a reducedpower dissipation. A solution to meet this demand is the Time-Interleaved ADC (TIADC)which parallelizes M ADCs, increasing the sampling frequency of an M factor while still ina proportionate relation to the power loss. However, the dynamic performance of TIADCsare reduced by errors related to the mismatches between the sampling channels, due to themanufacturing processes, the supply voltage and the temperature variations. These errors canbe modeled as the result of offset, gain and clock-skew mismatches and globally as from thefrequency response mismatches. It is these last mismatches, unless addressed in the literaturethat carry our work. The objective is to study these errors to derive a model and an estimationmethod then, to propose digital compensation methods that can be implemented on a FPGAtarget.First, we propose a general TIADC model using frequency response mismatches for any Mchannel number. Our model merge a continuous-time description of mismatches and a discretetimeone of the interleaving process, resulting in an expression of the TIADC errors as a linearperiodic time-varying (LPTV) system applied to the uniformly sampled analog signal. Then,we propose a method to estimate TIADC errors based on the correlation properties of theoutput signal for any M channel. Next, we define a frequency response mismatch compensationarchitecture for TIADC errors and we study its performance related to its configuration and theinput signal. We describe an FPGA implementation of this architecture for M=4 interleavedchannels and we study the resources consumption to propose optimisations. Finally, we proposea second compensation method, specific to M=2 interleaved channels and derived from the firstone, but working on the analytical signal from the TIADC output and we compare it to a similarstate-of-the-art method.