De nombreux dispositifs embarqués récents comme les téléphones portables, les GPS ou encore les consoles de jeu, possèdent un ou des haut-parleurs, chacun étant piloté par un amplificateur audio sur circuit intégré. De tels amplificateurs audio doivent répondre le mieux possible à quatre contraintes : une qualité audio satisfaisante, une immunité aux perturbations induites par le système, une faible consommation et une surface de silicium minimale. Ce travail de thèse sous contrat CIFRE a pour origine la création de l’entreprise Primachip en mai 2009 par Christian Dufaza et Hassan Ihs. Cette startup a été bâtie sur une architecture innovante d’amplificateur audio de classe D intégré. Son originalité repose sur le principe de rétroaction partielle qui s’applique à une boucle contenant un modulateur numérique Delta Sigma (ΔΣ) qui pilote l’étage de puissance et un convertisseur analogique-numérique (ADC) effectuant la rétroaction. Cela permet d’obtenir la stabilité de cette boucle tout en offrant une excellente réjection des bruits de l’étage de puissance. Un prototype sur silicium de l’architecture d’amplificateur de classe D numérique a été conçu et fabriqué. Un nouvel ADC ΔΣ temps continu a été développé pour ce prototype, afin d’obtenir des performances supérieures ou égales à l’état de l’art. Les résultats obtenus sur le circuit se sont révélés encourageants, bien que toutes les spécifications n’aient pas été atteintes. L’analyse des erreurs de ce premier circuit doit permettre la réalisation d’un amplificateur intégré exploitant au mieux cette architecture de classe D numérique. / Most current embedded devices, such as smartphones, GPS or portable consoles, feature one speaker or more, those speakers being driven by an integrated audio amplifier. This type of amplifier must meet four specifications: an adequate audio quality, to be immune to system disturbances, low power consumption and the smallest silicon area. This work takes its origin from the creation of Primachip in May 2009 by Christian Dufaza and Hassan Ihs. The aim of this startup was to develop and sell an innovative audio class-D amplifier for mobile market: the digital class-D concept. A partnership with the IM2NP laboratory was decided to propose a PhD topic under CIFRE contract (PhD in an industrial environment), in order to study and improve the amplifier architecture. Its originality is in the partial feedback concept which applies to a loop made of a digital ΔΣ modulator driving the power stage, with an analogue-to-digital converter (ADC) in the feedback path. It makes it possible to achieve stability while offering an outstanding power supply rejection. An integrated prototype of the class-D amplifier was designed, fabricated and evaluated. A new continuous-time ΔΣ ADC has been added to enable the digital class-D loop to achieve performances superior or equal to state of the art. The circuit measurement results were encouraging, although not ideal. The analysis of the prototype errors was performed. The conclusions should allow the design of an integrated audio amplifier making the best of the digital class-D architecture.

L’engouement actuel pour les applications de type réseaux de capteurs sans-fil ou internet des objets (IoT) relance la nécessité, alors initiée par les applications mobiles, de concevoir des émetteurs-récepteurs radio à basse consommation. Dans ce contexte, l’objet des travaux de thèse est de proposer des techniques de réduction de la consommation des récepteurs radio tout en minimisant l’impact sur leur architecture de manière à pouvoir adapter leur consommation aux besoins de performance.Pour ce faire, l’utilisation intermittente du convertisseur analogique numérique (ADC) a, dans un premier temps, été étudiée puis celle-ci a été généralisée à l’ensemble du récepteur. Pour chacune de ces approches, une modélisation de la dégradation des performances en termes de taux d’erreur (BER) a été confrontée à une estimation de la réduction de la consommation engendrée. Par ailleurs, l’impact de l’ajout de modules spécifiques aux techniques proposées est décrit à l’aide de résultats concernant leurs complexités et leurs consommations. L’ensemble de ces résultats s’inscrit pleinement dans le domaine de recherche des récepteurs adaptatifs pour lesquels les performances sont adaptées au canal de transmission en temps réel.Finalement, une technique de compensation digitale des défauts de quadrature a été proposée, rendant possible l’utilisation d’une PLL moins énergivore mais avec des performances dégradées. Cette technique utilise une recherche par dichotomie des poids de compensation des défauts de quadrature, lui permettant de converger suffisamment rapidement pour pouvoir réaliser la compensation sur une portion connue du message reçu et ainsi éviter une perte d’information. / The recent craze for the Wireless Sensor Networks (WSN) and the Internet of Things (IoT) applications boosts the necessity, previously introduced by the mobile applications, to design low power transceivers. In this context, the purpose of this thesis is to propose some techniques to reduce the power consumption of RF receivers while minimizing the impact on their architecture in order to be able to adapt their power consumption to the required performances.To do so, the study of the intermittent use of the analog-to-digital converter (ADC) is firstly proposed and then extended to the whole receiver. In each case, the degradation of the receiver performances in terms of bit error rate (BER) is compared to an estimate of the obtained decrease of the power consumption. Moreover, the complexity and the overhead power consumption of the modules involved in the processing of the proposed techniques are also estimated and discussed. All these results are part of the field of research called “adaptive receiver” that tries to adapt the receiver performances to its environment in real time.Finally, a digital compensation technique of the quadrature imbalances was proposed. It allows using a less energy-consuming PLL but with degraded quadrature performances and compensating the mismatches in the digital domain. This technique uses a dichotomic search of the compensation weights allowing a fast convergence in order for the compensation to be done during the reception of a known portion of the received message and therefore avoiding a loss of information.

La thèse présente le développement de capteurs CMOS pour un futur dosimètre électronique neutrons. A côté des systèmes passifs largement répandus, les dosimètres actifs existants ne donnent pas satisfaction, alors qu’ils sont fermement recommandés par une directive européenne (IEC 1323). Le groupe RaMsEs de l’IPHC développe un nouveau concept de dosimètre électronique personnel neutrons à base de capteurs CMOS. Au cours de cette thèse, le circuit intégré AlphaRad2, à très bas bruit et très faible consommation électrique, a été implémenté dans une technologie commerciale. Il intègre un réseau de micro-diodes sur une surface sensible de 6.55 cm2 avec sa chaîne de traitement sur le même substrat de silicium. Des simulations physiques ont permis d’étudier le processus de collection de charge et d’optimiser l'efficacité de collection. La géométrie du capteur est un compromis entre la collection des électrons secondaires et de la capacité totale du détecteur. Le circuit de lecture comprend un amplificateur de charge (CSA), un circuit de mise en forme (shaper) et un discriminateur pour une réponse digitale. Nous présentons une analyse théorique complète du circuit, les paramètres de dessin, ainsi que des tests électriques et des tests en sources de rayonnement. La sensibilité effective du système est au niveau de la particule unique (proton ou alpha), grâce à un très bon rapport signal à bruit. Une série complète de mesures en sources de photons, de neutrons et de particules chargées a permis de démontrer une bonne efficacité aux neutrons rapides et surtout une excellente réjection gamma grâce à l’application d’un seuil électronique approprié. / This thesis presents the development of CMOS sensors for a future neutron sensitive electronic individual dosemeter. Active dosemeters, exist but do not yet give results as satisfactory as passive devices, being however, mandatory for workers in addition to the passive dosimetry since 1995 (IEC 1323). The RaMsEs group in the laboratory IPHC is exploring a new compact device based on CMOS sensors for operational neutron dosimetry. In this thesis, a dedicated sensor, AlphaRad-2, with low noise and very low power consumption (314 μW), has been implemented in a commercial CMOS technology. The AlphaRad-2 integrates the sensing part made of a micro-diode array of 32×32 n-well/p-epi diodes on a sensitive area of 6.55 mm2 and the signal processing electronics on the same silicon substrate. Device physics simulations have been performed to study the charge collection mechanism in diode matrices, and to optimize the collection efficiency and its time properties. The sensor geometry is a compromise between the collection performance and the total capacitance of the detector. A charge sensitive amplifier (CSA), a shaper, and a discriminator are employed in the readout circuit. We present its theoretical analysis, circuit design, and electrical tests. Our device has a sensitivity at the level of one single secondary charge particle (proton or α) thanks to its excellent noise performance. Extensive measurements to radioactive sources of α-particles, photons, and fast neutrons, have demonstrated good detection efficiency to fast neutrons and excellent γ-rejection through applying an appropriate electronic threshold.

Les Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) produisent de l’électricité à partir de la dégradation de matières organiques par des bactéries. Les PCMs sont considérées comme des micro- génératrices à faible tension et faible puissance. Dans le but de récupérer l’énergie électrique produite afin de pouvoir alimenter des capteurs autonomes, des architectures mettant en œuvre plusieurs piles seront préférées. L'association d'un grand nombre de PCMs individuelles offre des perspectives très intéressantes notamment au niveau de la production d'énergie électrique. Cela permet d’atteindre des niveaux de tension acceptables en sortie et permet de mutualiser les puissances électriques de chaque cellule. L’association série d’un grand nombre de PCMs est un défi en soi à cause des couplages hydrauliques (lorsque les PCMs partagent le même substrat) et à cause des non-uniformités entre générateurs qui mènent à une association non-efficace. Les circuits d'équilibrage de tension peuvent être une solution pour compenser ces inhomogénéités. Ils peuvent améliorer l’efficacité de l’association et prévenir le phénomène d'inversion de tension. L’association hydraulique des biopiles permet d’éviter la chute de puissance liée au manque de carburant. Une fuite de charge entre les PCMs va diminuer le rendement global de l’association. Le débit du flux doit être contrôlé pour éliminer ce problème. Un flux de la cathode vers l’anode provoque des pertes supplémentaires dues à la fuite d’oxygène. La récupération d’énergie à partir de PCMs nécessite une unité de gestion d’énergie qui adapte la tension et contrôle le fonctionnement de la PCM. Un convertisseur flyback à faible tension d’entrée, autonome et auto-démarrant a été conçu et optimisé pour la récupération d’énergie à partir des PCMs. La récupération d’énergie à partir des PCMs peut être présentée comme une source alternative pour éliminer les batteries dans les applications de faible puissance (capteur autonome). / Microbial Fuel Cells (MFCs) are bioreactors that convert chemical energy in organic compounds to electrical energy through the metabolism of microorganisms. Organic matters are widely available in the environment that contains a huge amount of energy. This energy could be harvested, converted, by the technology of MFCs, to be used in certain applications. Energy production of a MFC is limited in low voltage value and low-power values what limits the potential applications. To step-up the voltage of MFCs to be suitable for real applications, an efficient power management unit (PMU) is required with a specific design to deal with their characteristics. A flyback converter under discontinuous conduction mode (DCM) is the most adapted to such low-power source like MFCs, offers a simple implementation, and low losses conversion system. The flyback converter has a good efficiency that can reach 75% with one MFC and about 80% when it is supplied by a serial stack of MFCs. Associations of MFCs are very interesting to increase the output power and expand the domain of application. Parallel association is a method to increase the output current but it imposes limitations in conversion efficiency due to the low output voltage of the stack. Contrarily, the serial association steps-up the voltage what leads to better performance of the converter. However the non-uniformities between cells in a serial stack affect negatively the performance of the stack. Voltage balancing circuits are considered as the solution to compensate this phenomenon. In the switched-capacitor method, an external capacitor is used to transfer the energy from the strongest MFC(s) to the weakest one(s). The losses in the switched-capacitor circuit are less than the losses of the switched-MFCs. The switched-capacitor offers an efficient, simple, low consumption method to optimize the performance and prevent the voltage reversal of the weak cells. Integration of this circuit can optimize the efficiency. Continuous operation mode by hydraulically connection between MFCs can continuously refresh the substrate to give an autonomous energy harvesting system. On the other hand, in some applications, e.g. a wastewater treatment plant, MFCs could not be hydraulically isolated. In this configuration, a leakage charge between the associated MFCs will decrease the global efficiency. The flow rate has to be controlled to eliminate this problem. A flow from cathodes to anodes causes additional losses due to the oxygen leakage. A temperature sensor is continuously supplied by alternatively connecting two MFCs. Each MFC supplies the sensor for two days. The flyback converter is able to continuously supply the sensor from the energy harvested from one continuously-fed MFC. This could be a good example, in a wastewater treatment plant (WWTP), to supply monitoring systems or also to supply low power applications of a building from a local WWTP.

Edge computing requires highly energy efficient microprocessor units with embedded non-volatile memories to process data at IoT sensor nodes. Ferroelectric non-volatile memory devices are fast, low power and high endurance, and could greatly enhance energy-efficiency and allow flexibility for finer grain logic and memory. This paper will describe the basics of ferroelectric devices for both hysteretic (non-volatile memory) and negative capacitance (steep slope switch) devices, and then project how these can be used in low-power logic cell architectures and fine-grain logic-in-memory (LiM) circuits.

Internet of Things is the latest phenomenon in the computing industry. Even if it has not been completely defined yet, we are already surrounded by various devices connected to the Internet. This thesis project focuses on low cost and low-power wireless solutions and on the on-line backend behind the architecture. At the same time the present work also deals with Cloud Computing which can provide a highly scalable runtime environment for this backend without building an infrastructure. To handle the huge amount of data collected by billions of devices, BigData services could be used in the same cloud space. The project is a collection of the theoretical background of the Internet of Things; so as a result, it provides the reader with an overview of the concept. It also provides a walktrough of the design, implementation and testing process of a complex agricultural Internet of Things solution.

The thesis is focused on the research and development of a new hybrid one-wire bus with special use enabling microelectronic integration. The bus, its physical layer and protocol have been developed based on applied research to meet the complex requirements of a new application group. These requirements are especially laid on the bus robustness and its immunity to interference and to work under real operating conditions. Part of the thesis is a description of existing solutions of one-wire buses, definition of current solutions and setting of goals for research of the new bus. Further are made the design of protocol and operating parameters of the bus operating in low power and power mode. In conclusion, the thesis deals with the practical verification of the proposed solution and there is also suggested a perspective of follow-up research in this area.

The thesis deals with emulating higher-order elements using the transformation mutators, which were described by Leon Chua in 1971. The procedure of designing mutators from their mathematical description to the synthesis of concrete electrical circuits is described. The circuit solutions are based on the utilization of advanced circuit principles in order to achieve optimal circuit performance. Mutators are implemented as a set of eight incremental modules. Via their cascade connection, it is possible to emulate arbitrary elements from the periodical table of higher-order elements. The proposed solutions are tested by means of computer simulations and also verified by measurements.

This thesis is devoted to detect motion and it is focused on energy consumption. The introduction involves possible ways for acceleration measuring and discusses The MEMS technology in accelerometers. It also describes components used in a low-power module and some suggestions leading to resolution of this issue. This thesis includes the module design as well, PCB design and software equipment. Finally, it evaluates the results and the solution accuracy.

The master thesis deals with the issue of long-term ECG recording, used in medicine for monitoring of cardiac anomalies. Author focuses on explaning the general concepts in the first part. Author describes measuring methods and issues associated with measuring. Comparison of existing devices and design of solution with own features are in next chapter. Next is comparison and selecting of formats for recording measured data and description of device connectivity. In next chapter author focuses on hardware design and implementation of device. After that author describes software solution design for microcontroller, Bluetooth module and smartphone. Author introduces possible improvements for future generation of the device and then describes results of testing at the end of this work.