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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.

L'expansion du marché des semi-conducteurs dans tous les secteurs d'activité résulte de la capacité de créer de nouvelles applications grâce à l'intégration de plus en plus de fonctionnalités sur une surface de plus en plus faible. Pour chaque entreprise, la compétitivité dépend du coût de fabrication mais aussi de la fiabilité du produit. Ainsi, la phase de test d'un circuit intégré, et plus particulièrement des circuits analogiques et mixtes, est le facteur prédominant dans les choix d'un compromis entre ces deux critères antagonistes, car son coût est désormais proche du coût de production. Cette tendance contraint les acteurs du marché à mettre en place de nouvelles solutions moins onéreuses. Parmi les recherches dans ce domaine, la conception en vue du test (DfT) consiste à intégrer pendant le développement de la puce, une circuiterie additionnelle susceptible d'en faciliter le test, voire d'effectuer un auto-test (BIST). Mais la sélection d'une de ces techniques nécessite une évaluation de leur capacité de différencier les circuits fonctionnels des circuits défaillants. Ces travaux de recherche introduisent une méthodologie d'estimation de la qualité d'une DfT ou d'un BIST dans le flot de conception de circuits analogiques et mixtes. Basée sur la génération d'un large échantillon prenant en compte l'impact des variations d'un procédé technologique sur les performances et les mesures de test du circuit, cette méthodologie calcule les métriques de test exprimant la capacité de chaque technique de détecter les circuits défaillants sans rejeter des circuits fonctionnels et d'accepter les circuits fonctionnels en rejetant les circuits défaillant. Ensuite, le fonctionnement d'un auto-test numérique adapté aux convertisseurs sigma-delta est présenté ainsi qu'une nouvelle méthode de génération et d'injection du stimulus de test. La qualité de ces techniques d'auto-test est démontrée en utilisant la méthodologie d'estimation des métriques de test. Enfin, un démonstrateur développé sur un circuit programmable démontre la possibilité d'employer une technique d'auto-test dans un système de calibrage intégré. / The pervasiveness of the semiconductor industry in an increasing range of applications that span human activity stems from our ability to integrate more and more functionalities onto a small silicon area. The competitiveness in this industry, apart from product originality, is mainly defined by the manufacturing cost, as well as the product reliability. Therefore, finding a trade-off between these two often contradictory objectives is a major concern and calls for efficient test solutions. The focus nowadays is mainly on Analog and Mixed-Signal (AMS) circuits since the associated testing cost can amount up to 70% of the overall manufacturing cost despite that AMS circuits typically occupy no more than 20% of the die area. To this end, there are intensified efforts by the industry to develop more economical test solutions without sacrificing product quality. Design-for-Test (DfT) is a promising alternative to the standard test techniques. It consists of integrating during the development phase of the chip extra on-chip circuitry aiming to facilitate testing or even enable a built-in self-test (BIST). However, the adoption of a DFT technique requires a prior evaluation of its capability to distinguish the functional circuits from the defective ones. In this thesis, we present a novel methodology for estimating the quality of a DfT technique that is readily incorporated in the design flow of AMS circuits. Based on the generation of a large synthetic sample of circuits that takes into account the impact of the process ariations on the performances and test measurements, this methodology computes test metrics that determine whether the DFT technique is capable of rejecting defective devices while passing functional devices. In addition, the thesis proposes a novel, purely digital BIST technique for Sigma-Delta analog-to-digital converters. The efficiency of the test metrics evaluation methodology is demonstrated on this novel BIST technique. Finally, a hardware prototype developed on an FPGA shows the possibility of adapting the BIST technique within a calibration system.

Les travaux de recherche de cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre de la conception d’unconvertisseur analogique-numérique (ADC, Analog-to-Digital Converter) large bande et à haute résolution afinde numériser plusieurs standards de communications sans fil. Il répond ainsi au concept de la radio logiciellerestreinte (SDR, Software Defined Radio). L’objectif visé est la reconfigurabilité par logiciel et l’intégrabilité envue d’un système radio multistandard. Les ADCs à sur-échantillonnage de type sigma-delta () s’avèrent debons candidats dans ce contexte de réception SDR multistandard en raison de leur précision accrue. Bien queleur bande passante soit réduite, il est possible de les utiliser dans une architecture en parallèle permettantd’élargir la bande passante. Nous nous proposons alors dans cette thèse de dimensionner et d’implanter unADC parallèle à décomposition fréquentielle (FBD) basé sur des modulateurs  à temps-discret pour unrécepteur SDR supportant les standards E-GSM, UMTS et IEEE802.11a. La nouveauté dans l’architectureproposée est qu’il est programmable, la numérisation d’un signal issu d’un standard donné se réalise enactivant seulement les branches concernées de l’architecture parallèle avec des sous-bandes defonctionnement et une fréquence d’échantillonnage spécifiée. De plus, le partage fréquentiel des sous-bandesest non uniforme. Après validation du dimensionnement théorique par simulation, l’étage en bande de base aété dimensionné. Cette étude conduit à la définition d’un filtre anti-repliement passif unique d’ordre 6 et detype Butterworth, permettant l’élimination du circuit de contrôle de gain automatique (AGC). L’architectureFBD requière un traitement numérique permettant de combiner les signaux à la sortie des branches enparallèle pour reconstruire le signal de sortie finale. Un dimensionnement optimisé de cet étage numérique àbase de démodulation a été proposé. La synthèse de l’étage en bande de base a montré des problèmes destabilité des modulateurs . Pour y remédier, une solution basée sur la modification de la fonction detransfert du signal (STF) afin de filtrer les signaux hors bande d’intérêt par branche a été élaborée. Unediscontinuité de phase a été également constatée dans le signal de sortie reconstruit. Une solution deraccordement de phase a été proposée. L’étude analytique et la conception niveau système ont étécomplétées par une implantation de la reconstruction numérique de l’ADC parallèle. Deux flots de conceptionont été considérés, un associé au FPGA et l’autre indépendant de la cible choisie (VHDL standard).L’architecture proposée a été validée sur un FPGA Xilinx de type VIRTEX6. Une dynamique de 74 dB a étémesurée pour le cas d’étude UMTS, ce qui est compatible avec celle requise du standard UMTS. / The work presented in this Ph.D. dissertation deals with the design of a wideband and accurate Analog-to-Digital Converter (ADC) able to digitize signals of different wireless communications standards. Thereby, itresponds to the Software Defined Radio concept (SDR). The purpose is reconfigurability by software andintegrability of the multistandard radio terminal. Oversampling  (Sigma Delta) ADCs have been interestingcandidates in this context of multistandard SDR reception thanks to their high accuracy. Although they presentlimited operating bandwidth, it is possible to use them in a parallel architecture thus the bandwidth isextended. Therefore, we propose in this work the design and implementation of a parallel frequency banddecomposition ADC based on Discrete-time  modulators in an SDR receiver handling E-GSM, UMTS andIEEE802.11a standard signals. The novelty of this proposed architecture is its programmability. Where,according to the selected standard digitization is made by activating only required branches are activated withspecified sub-bandwidths and sampling frequency. In addition the frequency division plan is non-uniform.After validation of the theoretical design by simulation, the overall baseband stage has been designed. Resultsof this study have led to a single passive 6th order Butterworth anti-aliasing filter (AAF) permitting theelimination of the automatic gain control circuit (AGC) which is an analog component. FBD architecturerequires digital processing able to recombine parallel branches outputs signals in order to reconstruct the finaloutput signal. An optimized design of this digital reconstruction signal stage has been proposed. Synthesis ofthe baseband stage has revealed  modulators stability problems. To deal with this problem, a solution basedon non-unitary STF has been elaborated. Indeed, phase mismatches have been shown in the recombinedoutput signal and they have been corrected in the digital stage. Analytic study and system level design havebeen completed by an implementation of the parallel ADC digital reconstruction stage. Two design flows havebeen considered, one associated to the FPGA and another independent of the chosen target (standard VHDL).Proposed architecture has been validated using a VIRTEX6 FPGA Xilinx target. A dynamic range over 74 dB hasbeen measured for UMTS use case, which responds to the dynamic range required by this standard.

The aim of this work is to implement digital filters into programmable gate array. The work also includes a description of the MEMS technology, including comparisons with the technology of MEMS microphones from various manufacturers. Another part is devoted to the Sigma-delta modulation. The main section is the design and implementation of digital CIC and FIR filters for signal processing of digital microphone, including simulation and verification of properties of the proposed filter in Matlab.

This master’s thesis deals with the issue of digital to analog conversion and possibility of its realization in digital circuits. Goal of this project is to design sigma-delta digital to analog converter with resolution of 14 bits and frequency band (0 ÷ 20) kHz. Main functional blocks: interpolator and modulator sigma-delta will be realized like digital structures. Reconstruction filter will be realized like an analog structure. For design a check of parameters of designed converter programs MATLAB and Simulink are used. Designed digital structures will be described by VHDL language.

Dissertation thesis is focused on real digital signal processing by quadrature mirror digital filter banks. In the first part a dual channel quadrature mirror digital filter bank is described briefly. Mainly transfer functions for distorted subband signals are described. In the next part generalized sigma-delta modulator and its linear model are described. Subsequently the generalized sigma-delta modulator is used in decomposition part of quadrature mirror digital filter bank. Designed structure is analyzed. Two design method of transfer functions are designed for the structure on the basis of analysis results. The first method is suitable for hand-made design by intuitive distribution of zeros and poles. The second method is more suitable for computer design. It is iterative method based on correlation. Transfer functions for quadrature mirror digital filter bank with sigma-delta modulators design examples are also part of thesis. Application of designed structure of quadrature mirror digital filter bank can lead to bigger compression ration in lossy data compression.

In power electronics, the switched converter plays a fundamental role in the efficient conversion and dynamical control of electrical energy. Due to the switching operation of these systems, overlaid disturbances come into existence in addition to the desired behavior of the variables, causing deviations in the current and voltages. From a control perspective, these disturbances are of no interest since they cannot be compensated. They can even alter the measurements given to the control system, affecting its behavior. Furthermore, during the control design, averaged models are often used, by which the switching operation is somehow disregarded. They consider instead the average behavior of the system variables. Thus, it is essential that the measuring setup provides a measurement of the average value to the control system. To accomplish this goal, there are in practice different approaches. For example, the disturbances originated by the switching operation can be either suppressed using an analog or digital filter, or the sampling of the variables can be carried out in a suitable manner, synchronous to the carrier of the modulation method. Unfortunately, the use of filters adds an extra phase shift or delay to the control loop, reducing its dynamical performance. Moreover, the synchronous sampling method provides a good approximation of the average value only if certain conditions are met, otherwise a distortion due to aliasing takes place. A method is developed in this work to predict, in every switching cycle, the average value of the system variables in a switched power converter. In this context, the work presents an alternative method to carry out the measurement of the average value, avoiding the principal drawbacks of the standard measuring methods. To achieve this, a suitable model of the converter is used, incorporating the modulation method and the type of analog-to-digital converter, either a conventional sample-and-hold or a sigma-delta converter. The measurement given by the analog-to-digital converter is used to predict the time behavior of the system variables during the present switching period and then to evaluate its average value, before the period is completed. The method allows to obtain simultaneously the average value of currents and voltages, to get rid of the delay introduced by filtering, and to avoid the drawback of sampling in the measurement, i.e. aliasing. In this work, an overview of the standard measuring methods for switched power converters is first presented. The problematics that arise from the sampling process are also discussed. Next, the theoretical grounds of the method are developed and the tools needed to implement it are derived. To illustrate its applicability, the method is used first in DC-DC converters, where the case of the buck converter is analyzed in detail. Similarly, the method is applied to a three-phase two-level voltage source converter. In both cases, simulation results and experimental verification are presented for different operational modes. The usage of the method in open and closed loop is discussed, and its effect in the system behavior is shown. The performance of the prediction method is contrasted with other standard measuring methods.

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 .

Analog-to-Digital Converters (ADCs) can be classified into two categories namely Nyquist-rate ADCs and OversampledADCs. Nyquist-rate ADCs can process very high bandwidths while Oversampling ADCs provide high resolution using coarse quantizers and support lower input signal bandwidths. This work describes a Reconfigurable ADC (R-ADC) architecture which models 14 different ADCs utilizing four four-bit flash ADCs and four Reconfigurable Blocks (RBs). Both Nyquist-rate and Oversampled ADCs are included in the reconfiguration scheme. The R-ADC supports first- and second-order Sigma-Delta (ΣΔ) ADCs. Cascaded ΣΔ ADCs which provide high resolution while avoiding the stability issues related to higher order ΣΔ loops are also included. Among the Nyquist-rate ADCs, pipelined and time interleaved ADCs are modeled. A four-bit flash ADC with calibration is used as the basic building block for all ADC configurations. The R-ADC needs to support very high sampling rates (1 GHz to 2 GHz). Hence switched-capacitor (SC) based circuits are used for realizing the loop filters in the ΣΔ ADCs. The pipelined ADCs also utilize an SC based block called Multiplying Digital-to-Analog Converter (MDAC). By analyzing the similarities in structure and function of the loop filter and MDAC, a RB has been designed which can accomplish the function of either block based on the selected configuration. Utilizing the same block for various configurations reduces power and area requirements for the R-ADC. In SC based circuits, the minimum sampling capacitance is limited by the thermal noise that can be tolerated in order to achieve a specific ENOB. The thermal noise in a ΣΔ ADC is subjected to noise shaping. This results in reduced thermal noise levels at the inputs of successive loop filters in cascaded or multi-order ΣΔ ADCs. This property can be used to reduce the sampling capacitance of successive stages in cascaded and multi-order ΣΔ ADCs. In pipelined ADCs, the thermal noise in successive stages are reduced due to the inter-stage gain of the MDAC in each stage. Hence scaling of sampling capacitors can be applied along the pipeline stages. The RB utilizes the scaling of capacitor values afforded by the noise shaping property of ΣΔ loops and the inter-stage gain of stages in pipelined ADCs to reduce the total capacitance requirement for the specified Effective Number Of Bits (ENOB). The critical component of the RB is the operational amplifier (opamp). The speed of operation and ENOB for different configurations are determined by the 3 dB frequency and DC gain of the opamp. In order to find the specifications of the opamp, the errors introduced in ΣΔ and pipelined ADCs by the finite gain and bandwidth of the opamp were modeled in Matlab.The gain and bandwidth requirements for the opamp were derived from the simulation results. Unlike Nyquist-rate ADCs, the ΣΔ ADCs suffer from stability issues when the input exceeds a certain level. The maximum usable input level is determined by the resolution of the quantizer and the order of the loop filter in the ΣΔADC. Using Matlab models, the maximum value of input for different oversampling ADC configurations in the R-ADC were found. The results obtained from simulation are comparable to the theoretical values. The cascaded ADCs require digital filter functions which enable the cancellation of quantization noise from certain stages. These functions were implemented in Matlab. For the R-ADC, these filter functions need to run at very high sampling rates. The ΣΔ loop filter transfer functions were chosen such that their coefficients are powers of two, which would allow them to be implemented as shift and add operations instead of multiplications. The R-ADC configurations were simulated in Matlab. A schematic for the R-ADC was developed in Cadence using ideal switches and a finite gain, single-pole operational transconductance amplifier model. The ADC configuration was selected by four external bits. Performance parameters such as SNR, SNDR and SFDR obtained from simulations in Cadence agree with those from Matlab for all ADC configurations.