Le marché des objets connectés sécurisés est en plein essor et nécessite des plateformes de développement faible consommation pour des applications sans contact dans des facteurs de forme réduits. La réduction du facteur de forme impacte l’antenne et entraîne une baisse de l’énergie disponible dans la puce, qui, pour travailler à performances égales, doit voir sa consommation diminuer drastiquement. Un des principaux contributeurs à la consommation est la mémoire non-volatile embarquée (eNVM) utilisée pour le stockage et l’exécution du code. Il faut donc, pour une technologie donnée, être capable de concevoir des blocs périphériques du plan mémoire de manière à réduire la consommation au maximum. L’objectif de la thèse est donc de sélectionner une technologie eNVM très faible consommation compatible avec le procédé technologie CMOS classique, d’identifier les blocs critiques lors des opérations de la mémoire, et enfin de proposer des solutions de minimisation de la consommation pour chaque bloc critique. Pour ce faire, une étude de toutes les mémoires non volatiles embarquées disponibles sur le marché est réalisée. Il en ressort que la technologie Flash, en particulier la Flash NOR embarquée de type SuperFlash® ESF3, est la mieux adaptée pour les systèmes télé-alimentés. L’étude de la macro Flash NOR montre que durant l’écriture et l’effacement, la consommation du système est en partie liée à la génération de la haute tension par les pompes de charge. Par contre, durant la lecture, les performances globales du système sont déterminées par l’amplificateur de lecture. Ainsi, un travail de conception de chaque bloc individuel est mis en oeuvre pour réduire la consommation. / The market of secure connected devices is booming and requires low power development platforms for contactless applications in reduced form factors. The reduction in the form factor impacts the antenna size and thus leads to a decrease of the energy available in the chip, which should reduce drastically its consumption while keeping performances. One of the main contributors to the chip consumption is the embedded non-volatile memory (eNVM) used for storage and code execution. Therefore, for a given technology, it is necessary to design peripheral blocks of the memory array under strong consumption constraints. The aim of the thesis is to select a very low-power embedded nonvolatile memory technology compatible with the classical CMOS process, to identify the critical blocks during the operations of the memory, and finally to propose solutions to minimize the power consumption of each critical block.In order to do this, a study of all the embedded non-volatile memories available on the market is carried out. It emerges that the Flash technology, in particular the SuperFlash® ESF3 based NOR Flash technology, is best suited for remote-powered systems. The study of the NOR Flash macrocell shows that during write and erase operations, the system consumption is mainly related to the high voltage generation by charge pumps. However, during a read operation, overall performances of the system is determined by the sense amplifier. A design work for each individual block is then implemented to reduce consumption.

An accurate, high-speed, fully differential difference amplifier for current sensing utilizing the chopper approach was implemented in a 0.18 μm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Unlike state-of-the-art solutions, we use a higher chopping frequency in the MHz range due to the bandwidth requirements of the introduced circuits for the latter application, namely, low-side phase-current measurement in motor control circuits. Except the low-pass filter (LPF) effect of the output stage, no additional LPF was integrated in hardware at the output of the circuits. We show that on the other hand a digital LPF, which can be integrated in the field-programmable gate-array (FPGA) logic or microcontroller used for the motor control, offers a higher flexibility in terms of filter design. Weak input signals of only few mV can be reconstructed with a high accuracy. This is demonstrated for a 500 kHz rectangular signal and a chopping frequency of 20 MHz. Note that an input-signal frequency of several hundreds of kHz with harmonics in the MHz region is very challenging for chopper amplifiers. Still, a significant decrease of the input-referred noise is demonstrated, especially cancelling out the 1/f-noise achieving a remaining noise floor of approximately 8.5 nV/√Hz. Overall, the input-referred noise level can be pushed far below 50 μV (root mean square). Moreover, using a quite relaxed second-order Butterworth filter with a 3 dB corner frequency of 1 MHz, input-referred noise levels of 10 μV (root mean square) can be easily achieved at the costs of reduced bandwidth. The lowest achieved input offset is 50 μV. The gain is adjusted by resistive feedback and is approximately 40 dB. Hence, the amplifier is suitable for current sensing in motor control circuits, and a significant reduction of the shunt resistance typically used for this purpose will be possible.

Αντικείμενο της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η σχεδίαση ενός ενισχυτή χαμηλής τάσης τροφοδοσίας για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων σε βηματοδότες. Οι επιταγές της σύγχρονης τεχνολογίας για τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι η χαμηλή κατανάλωση ισχύος, η χρήση χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, η μείωση του κόστους παραγωγής, οι όλο και μικρότερες διαστάσεις των transistors και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η χρήση όμως της χαμηλής τάσης τροφοδοσίας αποτελεί πρόκληση από σχεδιαστικής άποψης, για την ταυτόχρονη μείωση της κατανάλωσης ισχύος χωρίς να υποβαθμίζεται η ποιότητα του σήματος. Αυτό το πρόβλημα λύνουν μέθοδοι όπως η σχεδίαση στο πεδίο του λογαρίθμου. Τα συστήματα στο πεδίο του λογαρίθμου (Log-Domain systems) αποτελούν υποκατηγορία των συστημάτων συμπίεσης – αποσυμπίεσης (companding systems) και ανήκουν στα ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) συστήματα. Τα πλεονεκτήματα των συστημάτων στο πεδίο του λογαρίθμου είναι η μεγάλη δυναμική περιοχή (Dynamic Range), η δυνατότητα επεξεργασίας μεγάλων σημάτων (large signal), καθώς και η λειτουργία σε περιβάλλον χαμηλής τροφοδοσίας. Υλοποιώντας φίλτρα στο πεδίο του λογαρίθμου προσφέρονται ελκυστικά χαρακτηριστικά όπως η ηλεκτρονική ρύθμιση της συχνότητας αποκοπής ή κεντρικής συχνότητας (electronic tuning) και η σχεδίαση χωρίς παθητικές αντιστάσεις (resistorless realization). Η καρδιά είναι ένα περίπλοκο σύστημα το οποίο φροντίζει για την κυκλοφορία του αίματος στο σώμα. Το έναυσμα για την εκκίνηση κάθε καρδιακού κύκλου προέρχεται από ένα ηλεκτρικό σήμα το οποίο ξεκινάει από το φλεβοκόμβο και διαδίδεται στο υπόλοιπο μυοκάρδιο, για να ξεκινήσει ένας νέος καρδιακός κύκλος. Σε ορισμένες περιπτώσεις η καρδιά δεν λειτουργεί σωστά και το ρόλο του φλεβοκόμβου έρχεται να καλύψει το ηλεκτρονικό σύστημα του βηματοδότη, το οποίο ανιχνεύει το καρδιακό σήμα και όταν κριθεί απαραίτητο εφαρμόζει την κατάλληλη θεραπεία με ηλεκτρικές ώσεις. Για την βελτίωση της ποιότητας ζωής ασθενών με καρδιακά προβλήματα ένας βηματοδότης πρέπει να έχει όσο δυνατόν μικρότερο μέγεθος και μεγαλύτερη αυτονομία. Η πρόοδος της τεχνολογίας αποζητά τη σχεδίαση ενός συστήματος ενισχυτή για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων πλέον ικανό να ανταπεξέλθει στη χαμηλή τάση τροφοδοσίας και να έχει μεγάλη αυτονομία λειτουργίας για την εισαγωγή του π.χ. σε ένα βηματοδότη. Το σύστημα που προτείνεται σε αυτή τη Διπλωματική Εργασία έχει ως σκοπό να εκπληρώσει τις ανάγκες αυτές χρησιμοποιώντας κυκλώματα τα οποία μπορούν να λειτουργήσουν σε χαμηλή τάση τροφοδοσίας και ταυτόχρονα να μειώνουν την κατανάλωση ισχύος. Η υλοποίηση των κυκλωμάτων μόνο με CMOS transistors στην περιοχή υποκατωφλίου, εκτός του γεγονότος ότι μειώνει το κόστος παραγωγής καθώς δεν χρησιμοποιούνται BJT transistors, προσφέρει λόγω της τεχνικής σχεδίασης στο πεδίο του λογαρίθμου και μεγάλη δυναμική περιοχή. Για την τεχνολογία 0.35μm της AMS επιτυγχάνεται λειτουργία σε περιβάλλον με 0.5V τάση τροφοδοσίας και κατανάλωση ισχύος της τάξης των 2.92nW. Ο ενισχυτής για την ανίχνευση καρδιακών σημάτων που προτείνεται, περιλαμβάνει ένα ζωνοπερατό φίλτρο σχεδιασμένο στο πεδίο του λογαρίθμου και τα κυκλώματα απόλυτης τιμής, μετατροπής της ενεργής τιμής σήματος σε σταθερό ρεύμα και συγκριτή ρεύματος. / This M.Sc Thesis deals with the design of a low voltage cardiac sense amplifier for pacemakers. The demands of modern technology for integrated circuits are low power consumption, ultra low power supply voltage, reduction of the production cost and high performance. Due to the fact that the use of low power supply voltage is a design challenge, the employment of the Log-Domain filter technique is an attractive solution for realizing high-performance analog processing systems. Log-Domain systems are a sub-category of compading (compressing/expanding) systems and belong to ELIN (Externally Linear Internaly Non-linear) systems. The advantages of Log-Domain systems are large dynamic range, handling of signals with relatively large amplitude, realization in a low-voltage environment, electronic tuning of their frequency characteristics and resistorless realizations. The heart is a complex system that takes care of blood circulation for the whole body. The trigger to commence the cardiac cycle is an electric signal which starts from the sinus node and expands to the rest of the myocardium in order for a new cardiac cycle to set off. In some cases, the heart does not function properly and the role of the sinus node is taken by a pacemaker, who senses the cardiac signal and when it is judged, it cures the problem with an electric pulse. In order to improve the patient’s quality of life a pacemaker has to be small in size and a prolonged battery life. Technological evolution and market demands have led to a demand for a design of a cardiac sense amplifier capable of coping with low power supply voltage and long battery life. The proposed system of this M.Sc thesis is meant to fulfill these needs by using circuits capable of functioning in a low power supply voltage environment as well as reducing power consumption. Implementing those circuits solely with CMOS transistors in the sub -threshold region, not only does it reduce the production cost since no BJT transistors are used but also it offers a large dynamic range due to the design of the circuits. For the AMS 0.35μ CMOS process of by the system functions for a power supply voltage of 0.5V while it dissipates 2.92nW. The proposed cardiac sense amplifier consists of a bandpass Log-Domain filter and circuits like an absolute value circuit, an rms-dc current converter circuit and a current comparator, which were carefully designed in order to follow the demands of modern technology and achieve the goal of low power dissipation.

<div> <div> <p>Phase transition materials (PTM) have garnered immense interest in concurrent post-CMOS electronics, due to their unique properties such as - electrically driven abrupt resistance switching, hysteresis, and high selectivity. The phase transitions can be attributed to diverse material-specific phenomena, including- correlated electrons, filamentary ion diffusion, and dimerization. In this research, we explore the application space for these materials through extensive device-circuit co-design and propose new ideas harnessing their unique electrical properties. The abrupt transitions and high selectivity of PTMs enable steep (< 60 mV/decade) switching characteristics in Hyper-FET, a promising post-CMOS transistor. We explore device-circuit co-design methodology for Hyper-FET and identify the criterion for material down-selection. We evaluate the achievable voltage swing, energy-delay trade-off, and noise response for this novel device. In addition to the application in low power logic device, PTMs can actively facilitate non-volatile memory design. We propose a PTM augmented Spin Transfer Torque (STT) MRAM that utilizes selective phase transitions to boost the sense margin and stability of stored data, simultaneously. We show that such selective transitions can also be used to improve other MRAM designs with separate read/write paths, avoiding the possibility of read-write conflicts. Further, we analyze the application of PTMs as selectors in cross-point memories. We establish a general simulation framework for cross-point memory array with PTM based <i>selector</i>. We explore the biasing constraints, develop detailed design methodology, and deduce figures of merit for PTM selectors. We also develop a computationally efficient compact model to estimate the leakage through the sneak paths in a cross-point array. Subsequently, we present a new sense amplifier design utilizing PTM, which offers built-in tunable reference with low power and area demand. Finally, we show that the hysteretic characteristics of unipolar PTMs can be utilized to achieve highly efficient rectification. We validate the idea by demonstrating significant design improvements in a <i>Cockcroft-Walton Multiplier, </i>implemented with TS based rectifiers. We emphasize the need to explore other PTMs with high endurance, thermal stability, and faster switching to enable many more innovative applications in the future.</p></div></div>