De nos jours, les capteurs capacitifs sont largement utilisés dans la mesure de grandeurs physiques telles que le déplacement, l’humidité, la pression, etc. Cette large diffusion est principalement due au développement des technologies MEMS qui ont permis de réduire leur coût, leur taille et leur consommation. Pour mesurer ces variations de capacité, des interfaces de conditionnement électronique ont été développées afin d’obtenir un signal électrique exploitable tel qu’une tension, un courant, un temps, une fréquence ou directement une sortie numérique. C’est dans ce cadre que se positionne l’objectif de cette thèse ; étudier la faisabilité d’une mesure capacitive à sortie numérique à partir d’un pont actif, une architecture développée et brevetée par l’équipe Conception et Test de Microsystèmes du LIRMM pour le conditionnement de capteurs résistifs basse consommation. La conversion numérique utilisée est une modulation Sigma-Delta 1 bit du 1er ordre, relativement facile à implémenter, et donc bien adaptée à l’intégration, à la faible consommation et à la réalisation d’interfaces génériques. Pour le retour 1 bit, deux structures de contre réaction ont été proposées : une contre-réaction résistive et une capacitive. Les résultats théoriques sont comparés à des résultats de simulations et à des mesures obtenues à partir des prototypes fabriqués en technologie CMOS 0,35μm d’Austria MicroSystem (AMS). / Nowadays, capacitive sensors are widely used in the measurement of physical quantities such as displacement, humidity, pressure, etc. This wide dissemination is mainly due to the development of MEMS technologies that have reduced their cost, size and consumption. To measure these capacitance changes, sensor electronic interfaces have been developed to obtain an exploitable electrical signal such as voltage, current, time, frequency or directly a digital output. It is in this framework that the aim of this thesis is positioned ; to study the feasibility of a capacitive measurement with digital output from an active bridge, an architecture developed and patented by the Design and Test Microsystems team of LIRMM for conditioning low power resistive sensors. The digital conversion used is a one-bit first-order Sigma-Delta modulation that is relatively easy to implement, and is well adapted to integration, low power consumption and realization of generic sensor interfaces. Two feedback architectures have been proposed: a resistive feedback and a capacitive. The theoretical results are compared with the results of simulations and measurements obtained from prototypes fabricated using a 0.35μm CMOS technology from Austria MicroSystem (AMS).

Ce travail de thèse porte sur le développement d’une méthodologie efficace pour la conception analogique, des algorithmes et des outils correspondants qui peuvent être utilisés dans la conception dynamique de fonctions linéaires à temps continu. L’objectif principal est d’assurer que les performances pour un système complet peuvent être rapidement investiguées, mais avec une précision comparable aux évaluations au niveau transistor.Une première direction de recherche a impliqué le développement de la méthodologie de conception basée sur le processus d'optimisation automatique de cellules au niveau transistor et la synthèse de macro-modèles analogiques de haut niveau dans certains environnements comme Mathworks - Simulink, VHDL-AMS ou Verilog-A. Le processus d'extraction des macro-modèles se base sur un ensemble complet d'analyses (DC, AC, transitoire, paramétrique, Balance Harmonique) qui sont effectuées sur les schémas analogiques conçues à partir d’une technologie spécifique. Ensuite, l'extraction et le calcul d'une multitude de facteurs de mérite assure que les modèles comprennent les caractéristiques de bas niveau et peuvent être directement régénéré au cours de l'optimisation.L'algorithme d'optimisation utilise une méthode bayésienne, où l'espace d’évaluation est créé à partir d'un modèle de substitution (krigeage dans ce cas), et la sélection est effectuée en utilisant le critère d’amélioration (Expected Improvement - EI) sujet à des contraintes. Un outil de conception a été développé (SIMECT), qui a été intégré comme une boîte à outils Matlab, employant les algorithmes d’extraction des macro-modèles et d'optimisation automatique. / The aim of this thesis is to establish an efficient analog design methodology, the algorithms and the corresponding design tools which can be employed in the dynamic conception of linear continuous-time (CT) functions. The purpose is to assure that the performance figures for a complete system can be rapidly investigated, but with comparable accuracy to the transistor-level evaluations. A first research direction implied the development of the novel design methodology based on the automatic optimization process of transistor-level cells using a modified Bayesian Kriging approach and the synthesis of robust high-level analog behavioral models in environments like Mathworks – Simulink, VHDL-AMS or Verilog-A.The macro-model extraction process involves a complete set of analyses (DC, AC, transient, parametric, Harmonic Balance) which are performed on the analog schematics implemented on a specific technology process. Then, the extraction and calculus of a multitude of figures of merit assures that the models include the low-level characteristics and can be directly regenerated during the optimization process.The optimization algorithm uses a Bayesian method, where the evaluation space is created by the means of a Kriging surrogate model, and the selection is effectuated by using the expected improvement (EI) criterion subject to constraints.A conception tool was developed (SIMECT), which was integrated as a Matlab toolbox, including all the macro-models extraction and automatic optimization techniques.

Este trabalho descreve o projeto de um modulador Analógico-Digital (A/D) Sigma-Delta de 16 bits (98 dB de SNR) de baixo consumo em tecnologia CMOS para a aquisição de sinais de áudio. Para projetar o modulador foi utilizada a metodologia top down, a qual consiste em projetar desde o nível de sistema até os blocos básicos em nível de transistores. O sistema foi analizado e projetado utilizando equacões e modelos comportamentais para obter as especificações de cada bloco do modulador. Considerando um baixo consumo de potência foi escolhida a topologia CIFF (do inglês Chain of Integrator with FeedForward) de terceira ordem e quatro bits implementado com capacitores chaveados. O modulador projetado é composto por três integradores chaveados, um somador analógico, um weigthed DAC e um quantizador de quatro bits. A técnica de Chopper é incluida no modulador para diminuir o ruído Flicker na entrada do modulador. Os blocos de maior consumo dentro do modulador são as OTAs. Por esta razão eles são projetados utilizando a metodologia gm/ID reduzindo assim o consumo de potência. O projeto foi realizado na tecnologia IBM 0,18 \'mü\'m sendo utilizado o simulador spectre do Cadence. O modulador Sigma-Delta atinge um SNR de 98 dB para uma banda de 20 kHz e um consumo de potência de 2,4 mW para uma fonte de alimentação de 1,8 V. / This work describes the design of a 16 bits low power Sigma-Delta modulator (98 dB SNR) in a CMOS technology for the acquisition of audio signals. To design the modulator it was used the top-down methodology, which consists on the design from system level to the transistor-level basic blocks. The system was analyzed and designed using behavioral models and equations to obtain the specifications of each block of the modulator. Considering a low power consumption it was chosen a third-order four bits CIFF topology (Chain Integrator with feedforward) implemented with switched capacitors. The modulator is composed by three integrators, one analog adder, one weigthed DAC and one four bit quantizer. The Chopper technique is included in the modulator to reduce the Flicker noise at the input of the modulator. The blocks of higher consumption within the modulator are the OTAs. Hence, they was designed using the methodology gm/ID to reduce power consumption. It was designed on the 0.18 \'mü\'m IBM technology and using the Cadence Spectre simulator. The Sigma-Delta modulator achieves a SNR of 98 dB for a bandwidth of 20 kHz and a power consumption of 2.4 mW with a 1.8 V power supply.

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.

Conversores analógico-digitais (ADCs) têm papel fundamental na implementação dos sistemas-em-chip, do inglês System-on-Chip (SoC), atuais. Em razão dos requisitos destes sistemas e dos compromissos entre as características fundamentais dos ADCs, como largura de banda, consumo de energia e exatidão, diversas topologias e estratégias para sua implementação em circuitos integrados (CIs) têm sido desenvolvidas através dos tempos. Dentre estas topologias, os conversores sigma-delta (SDC) têm se destacado pela versatilidade, aliada ao baixo consumo e excelente exatidão. Inicialmente desenvolvidos e empregados para a conversão de sinais de baixa frequência e com operação em tempo discreto (DT), esta classe de conversores têm evoluído e nos últimos anos está sendo desenvolvida para operar em tempo contínuo e ser empregada na conversão de sinais com frequências de centenas de kHz a dezenas de MHz. Neste trabalho, os moduladores sigma-delta em tempo contínuo (SDMs-CT) são estudados, visando sua aplicação à conversão analógico-digital (AD). Os SDMs-CT oferecem vantagens significativas sobre seus homólogos em tempo discreto, como menor consumo de energia, maior largura de banda do sinal de entrada e filtro anti-alias, do inglês anti-alias filter (AAF), implícito. Entretanto, os SDMs-CT apresentam limitações adicionais, responsáveis pela degradação de seu desempenho, como os efeitos do jitter do sinal de relógio, o atraso excessivo do laço de realimentação, do inglês Excess Loop Delay (ELD), e as limitações impostas aos integradores analógicos. Após o estudo e análise de SDMs-CT e de suas limitações, foi desenvolvido um modelo comportamental no ambiente Matlab/Simulink R , que permite a simulação do impacto destas limitações no modulador, possibilitando a obtenção de uma estimativa mais aproximada do seu desempenho. Com base nestas simulações foi possível a determinação das especificações mínimas de cada bloco analógico que compõe o modulador (como o slew rate, a frequência de ganho unitário (fu) e o ganho DC dos amplificadores operacionais utilizados nos integradores) e os valores toleráveis de ELD e jitter do sinal de relógio. Adicionalmente, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia para simulação de SDMs-CT compostos por DACs a capacitor chaveado e resistor, do inglês Switched-Capacitor-Resistor (SCR). Com base neste modelo e no estudo das diferentes topologias de SDMs, um circuito foi desenvolvido para aplicação em receptores de RF, sendo do tipo passa-baixas de laço único, do inglês single-loop, single-bit, de terceira ordem, voltado ao baixo consumo de energia. Este circuito foi desenvolvido em tecnologia CMOS IBM de 130 nanômetros, tendo sido enviado para fabricação. Através das simulações pós-leiaute realizadas espera-se que seu desempenho fique próximo ao que tem sido publicado recentemente sobre SDMs-CT passa-baixas de laço único e single-bit. / Analog-to-Digital Converters (ADCs) play a fundamental role in the implementation of current systems-on-chip (SoC). Due to the requirements of these systems and the tradeoffs between the main ADCs characteristics, such as signal bandwidth, power consumption and accuracy, many topologies and strategies for their implementation in integrated circuits (ICs) have been developed through the ages. Among these topologies, the sigmadelta converters (SDC) have highlighted the versatility combined with low power consumption and excellent accuracy. Initially developed and used for the conversion of low frequency signals and operation in the discrete time (DT) domain, this class of converters have been evolved and developed over the past to operate in continuous time domain for the conversion of signals with frequencies of hundreds of kHz up to tens of MHz. In this work, continuous time sigma-delta modulators (CT-SDMs) are studied focusing its application to the analog-to-digital (AD) conversion. CT-SDMs offer significant advantages over their discrete-time counterparts, such as lower power consumption, higher input signal bandwidth and implicit anti-alias filter (AAF). However, CT-SDMs present additional limitations that are responsible for their performance degradation, such as the clock jitter, Excess Loop Delay (ELD) and the limitations imposed on the analog integrators. After the study and analysis of CT-SDMs and their performance limitations, a behavioral model approach was developed in the Matlab/Simulink R environment, which allows the simulation of the limitations impact on the modulator, allowing the obteinment of a more accurate estimate of its performance. Based on these simulations it was possible to determine the minimum specifications for each block that composes the analog modulator (such as slew rate, the unity gain frequency (fu) and the DC gain of the operational amplifiers used in integrators) and tolerable values of ELD and clock jitter. Additionally, it was developed in this work a methodology for simulate CT-SDMs with Switched-Capacitor- Resistor (SCR) DACs that provide exponential waveforms. Based on this model and the study of different SDMs topologies, it was developed a low-pass, single-loop, single-bit, third order circuit focused on low-power intended for application in RF receivers. This circuit was developed in an IBM 130 nanometers CMOS technology, and was send to manufacturing. Based on the post-layout simulations it is expected to have performance close to what has been recently published of low-pass, single-loop, single-bit CT-SDMs.

Conversores analógico-digitais (ADCs) têm papel fundamental na implementação dos sistemas-em-chip, do inglês System-on-Chip (SoC), atuais. Em razão dos requisitos destes sistemas e dos compromissos entre as características fundamentais dos ADCs, como largura de banda, consumo de energia e exatidão, diversas topologias e estratégias para sua implementação em circuitos integrados (CIs) têm sido desenvolvidas através dos tempos. Dentre estas topologias, os conversores sigma-delta (SDC) têm se destacado pela versatilidade, aliada ao baixo consumo e excelente exatidão. Inicialmente desenvolvidos e empregados para a conversão de sinais de baixa frequência e com operação em tempo discreto (DT), esta classe de conversores têm evoluído e nos últimos anos está sendo desenvolvida para operar em tempo contínuo e ser empregada na conversão de sinais com frequências de centenas de kHz a dezenas de MHz. Neste trabalho, os moduladores sigma-delta em tempo contínuo (SDMs-CT) são estudados, visando sua aplicação à conversão analógico-digital (AD). Os SDMs-CT oferecem vantagens significativas sobre seus homólogos em tempo discreto, como menor consumo de energia, maior largura de banda do sinal de entrada e filtro anti-alias, do inglês anti-alias filter (AAF), implícito. Entretanto, os SDMs-CT apresentam limitações adicionais, responsáveis pela degradação de seu desempenho, como os efeitos do jitter do sinal de relógio, o atraso excessivo do laço de realimentação, do inglês Excess Loop Delay (ELD), e as limitações impostas aos integradores analógicos. Após o estudo e análise de SDMs-CT e de suas limitações, foi desenvolvido um modelo comportamental no ambiente Matlab/Simulink R , que permite a simulação do impacto destas limitações no modulador, possibilitando a obtenção de uma estimativa mais aproximada do seu desempenho. Com base nestas simulações foi possível a determinação das especificações mínimas de cada bloco analógico que compõe o modulador (como o slew rate, a frequência de ganho unitário (fu) e o ganho DC dos amplificadores operacionais utilizados nos integradores) e os valores toleráveis de ELD e jitter do sinal de relógio. Adicionalmente, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia para simulação de SDMs-CT compostos por DACs a capacitor chaveado e resistor, do inglês Switched-Capacitor-Resistor (SCR). Com base neste modelo e no estudo das diferentes topologias de SDMs, um circuito foi desenvolvido para aplicação em receptores de RF, sendo do tipo passa-baixas de laço único, do inglês single-loop, single-bit, de terceira ordem, voltado ao baixo consumo de energia. Este circuito foi desenvolvido em tecnologia CMOS IBM de 130 nanômetros, tendo sido enviado para fabricação. Através das simulações pós-leiaute realizadas espera-se que seu desempenho fique próximo ao que tem sido publicado recentemente sobre SDMs-CT passa-baixas de laço único e single-bit. / Analog-to-Digital Converters (ADCs) play a fundamental role in the implementation of current systems-on-chip (SoC). Due to the requirements of these systems and the tradeoffs between the main ADCs characteristics, such as signal bandwidth, power consumption and accuracy, many topologies and strategies for their implementation in integrated circuits (ICs) have been developed through the ages. Among these topologies, the sigmadelta converters (SDC) have highlighted the versatility combined with low power consumption and excellent accuracy. Initially developed and used for the conversion of low frequency signals and operation in the discrete time (DT) domain, this class of converters have been evolved and developed over the past to operate in continuous time domain for the conversion of signals with frequencies of hundreds of kHz up to tens of MHz. In this work, continuous time sigma-delta modulators (CT-SDMs) are studied focusing its application to the analog-to-digital (AD) conversion. CT-SDMs offer significant advantages over their discrete-time counterparts, such as lower power consumption, higher input signal bandwidth and implicit anti-alias filter (AAF). However, CT-SDMs present additional limitations that are responsible for their performance degradation, such as the clock jitter, Excess Loop Delay (ELD) and the limitations imposed on the analog integrators. After the study and analysis of CT-SDMs and their performance limitations, a behavioral model approach was developed in the Matlab/Simulink R environment, which allows the simulation of the limitations impact on the modulator, allowing the obteinment of a more accurate estimate of its performance. Based on these simulations it was possible to determine the minimum specifications for each block that composes the analog modulator (such as slew rate, the unity gain frequency (fu) and the DC gain of the operational amplifiers used in integrators) and tolerable values of ELD and clock jitter. Additionally, it was developed in this work a methodology for simulate CT-SDMs with Switched-Capacitor- Resistor (SCR) DACs that provide exponential waveforms. Based on this model and the study of different SDMs topologies, it was developed a low-pass, single-loop, single-bit, third order circuit focused on low-power intended for application in RF receivers. This circuit was developed in an IBM 130 nanometers CMOS technology, and was send to manufacturing. Based on the post-layout simulations it is expected to have performance close to what has been recently published of low-pass, single-loop, single-bit CT-SDMs.

Conversores analógico-digitais (ADCs) têm papel fundamental na implementação dos sistemas-em-chip, do inglês System-on-Chip (SoC), atuais. Em razão dos requisitos destes sistemas e dos compromissos entre as características fundamentais dos ADCs, como largura de banda, consumo de energia e exatidão, diversas topologias e estratégias para sua implementação em circuitos integrados (CIs) têm sido desenvolvidas através dos tempos. Dentre estas topologias, os conversores sigma-delta (SDC) têm se destacado pela versatilidade, aliada ao baixo consumo e excelente exatidão. Inicialmente desenvolvidos e empregados para a conversão de sinais de baixa frequência e com operação em tempo discreto (DT), esta classe de conversores têm evoluído e nos últimos anos está sendo desenvolvida para operar em tempo contínuo e ser empregada na conversão de sinais com frequências de centenas de kHz a dezenas de MHz. Neste trabalho, os moduladores sigma-delta em tempo contínuo (SDMs-CT) são estudados, visando sua aplicação à conversão analógico-digital (AD). Os SDMs-CT oferecem vantagens significativas sobre seus homólogos em tempo discreto, como menor consumo de energia, maior largura de banda do sinal de entrada e filtro anti-alias, do inglês anti-alias filter (AAF), implícito. Entretanto, os SDMs-CT apresentam limitações adicionais, responsáveis pela degradação de seu desempenho, como os efeitos do jitter do sinal de relógio, o atraso excessivo do laço de realimentação, do inglês Excess Loop Delay (ELD), e as limitações impostas aos integradores analógicos. Após o estudo e análise de SDMs-CT e de suas limitações, foi desenvolvido um modelo comportamental no ambiente Matlab/Simulink R , que permite a simulação do impacto destas limitações no modulador, possibilitando a obtenção de uma estimativa mais aproximada do seu desempenho. Com base nestas simulações foi possível a determinação das especificações mínimas de cada bloco analógico que compõe o modulador (como o slew rate, a frequência de ganho unitário (fu) e o ganho DC dos amplificadores operacionais utilizados nos integradores) e os valores toleráveis de ELD e jitter do sinal de relógio. Adicionalmente, neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia para simulação de SDMs-CT compostos por DACs a capacitor chaveado e resistor, do inglês Switched-Capacitor-Resistor (SCR). Com base neste modelo e no estudo das diferentes topologias de SDMs, um circuito foi desenvolvido para aplicação em receptores de RF, sendo do tipo passa-baixas de laço único, do inglês single-loop, single-bit, de terceira ordem, voltado ao baixo consumo de energia. Este circuito foi desenvolvido em tecnologia CMOS IBM de 130 nanômetros, tendo sido enviado para fabricação. Através das simulações pós-leiaute realizadas espera-se que seu desempenho fique próximo ao que tem sido publicado recentemente sobre SDMs-CT passa-baixas de laço único e single-bit. / Analog-to-Digital Converters (ADCs) play a fundamental role in the implementation of current systems-on-chip (SoC). Due to the requirements of these systems and the tradeoffs between the main ADCs characteristics, such as signal bandwidth, power consumption and accuracy, many topologies and strategies for their implementation in integrated circuits (ICs) have been developed through the ages. Among these topologies, the sigmadelta converters (SDC) have highlighted the versatility combined with low power consumption and excellent accuracy. Initially developed and used for the conversion of low frequency signals and operation in the discrete time (DT) domain, this class of converters have been evolved and developed over the past to operate in continuous time domain for the conversion of signals with frequencies of hundreds of kHz up to tens of MHz. In this work, continuous time sigma-delta modulators (CT-SDMs) are studied focusing its application to the analog-to-digital (AD) conversion. CT-SDMs offer significant advantages over their discrete-time counterparts, such as lower power consumption, higher input signal bandwidth and implicit anti-alias filter (AAF). However, CT-SDMs present additional limitations that are responsible for their performance degradation, such as the clock jitter, Excess Loop Delay (ELD) and the limitations imposed on the analog integrators. After the study and analysis of CT-SDMs and their performance limitations, a behavioral model approach was developed in the Matlab/Simulink R environment, which allows the simulation of the limitations impact on the modulator, allowing the obteinment of a more accurate estimate of its performance. Based on these simulations it was possible to determine the minimum specifications for each block that composes the analog modulator (such as slew rate, the unity gain frequency (fu) and the DC gain of the operational amplifiers used in integrators) and tolerable values of ELD and clock jitter. Additionally, it was developed in this work a methodology for simulate CT-SDMs with Switched-Capacitor- Resistor (SCR) DACs that provide exponential waveforms. Based on this model and the study of different SDMs topologies, it was developed a low-pass, single-loop, single-bit, third order circuit focused on low-power intended for application in RF receivers. This circuit was developed in an IBM 130 nanometers CMOS technology, and was send to manufacturing. Based on the post-layout simulations it is expected to have performance close to what has been recently published of low-pass, single-loop, single-bit CT-SDMs.

Orientadores: Jose Antenor Pomilio, Saulo Finco / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-09T03:34:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Mioni_DanielPasti_M.pdf: 1903299 bytes, checksum: 7343c6fb1cd22aa8df8654d5b9b51852 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Desenvolvemos um amplificador de áudio classe D baseado em moduladores S-?, destinado a aparelhos auditivos, a maioria dos quais utiliza baterias de 1,1V e necessita ter baixo consumo de corrente. Neste trabalho os amplificadores e comparadores foram construídos com inversores CMOS, pois um destes inversores, alimentado com uma tensão de 1,1V, pode consumir uma corrente CC tão baixa quanto 400nA, dependendo das dimensões, e proporcionar alto ganho de tensão quando polarizado em sua região linear de operação. Por estes motivos, podem substituir com vantagem amplificadores operacionais e comparadores em algumas aplicações. Um protótipo deste circuito foi implementado com tecnologia CMOS 0,35µm e alcançou um rendimento de 90% / Abstract: This thesis presents the design of a firstorder S-? audioband power amplifier optimized for hearing aid (HA) amplification. The majority of HAs use a 1.1V battery and require very low current consumption to improve battery life. This work made use of amplifiers and comparators based on CMOS inverters because such an inverter, with a 1.1V battery, can operate on a current as low as 400nA, depending on its dimensions, and provide high voltage gain when biased in their linear region. For these reasons, they can substitute with advantage operational amplifiers in some applications. A prototype of this circuit was implemented in a monolithic chip using 0.35µm CMOS technology and achieved 90% of power efficiency / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Este trabalho descreve o projeto de um modulador Analógico-Digital (A/D) Sigma-Delta de 16 bits (98 dB de SNR) de baixo consumo em tecnologia CMOS para a aquisição de sinais de áudio. Para projetar o modulador foi utilizada a metodologia top down, a qual consiste em projetar desde o nível de sistema até os blocos básicos em nível de transistores. O sistema foi analizado e projetado utilizando equacões e modelos comportamentais para obter as especificações de cada bloco do modulador. Considerando um baixo consumo de potência foi escolhida a topologia CIFF (do inglês Chain of Integrator with FeedForward) de terceira ordem e quatro bits implementado com capacitores chaveados. O modulador projetado é composto por três integradores chaveados, um somador analógico, um weigthed DAC e um quantizador de quatro bits. A técnica de Chopper é incluida no modulador para diminuir o ruído Flicker na entrada do modulador. Os blocos de maior consumo dentro do modulador são as OTAs. Por esta razão eles são projetados utilizando a metodologia gm/ID reduzindo assim o consumo de potência. O projeto foi realizado na tecnologia IBM 0,18 \'mü\'m sendo utilizado o simulador spectre do Cadence. O modulador Sigma-Delta atinge um SNR de 98 dB para uma banda de 20 kHz e um consumo de potência de 2,4 mW para uma fonte de alimentação de 1,8 V. / This work describes the design of a 16 bits low power Sigma-Delta modulator (98 dB SNR) in a CMOS technology for the acquisition of audio signals. To design the modulator it was used the top-down methodology, which consists on the design from system level to the transistor-level basic blocks. The system was analyzed and designed using behavioral models and equations to obtain the specifications of each block of the modulator. Considering a low power consumption it was chosen a third-order four bits CIFF topology (Chain Integrator with feedforward) implemented with switched capacitors. The modulator is composed by three integrators, one analog adder, one weigthed DAC and one four bit quantizer. The Chopper technique is included in the modulator to reduce the Flicker noise at the input of the modulator. The blocks of higher consumption within the modulator are the OTAs. Hence, they was designed using the methodology gm/ID to reduce power consumption. It was designed on the 0.18 \'mü\'m IBM technology and using the Cadence Spectre simulator. The Sigma-Delta modulator achieves a SNR of 98 dB for a bandwidth of 20 kHz and a power consumption of 2.4 mW with a 1.8 V power supply.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Analyse und den Entwurf eines vollintegrierten Empfängers im UHF-Bereich mit dem Ziel, für die Verwendung im Mobilfunkstandard der vierten Generation geeignet zu sein, aber auch eine Einschätzung bezüglich der Anwendbarkeit eines solchen Empfängers für Geräte der fünften Generation vorzunehmen. Bei dem Empfängerkonzept handelt es sich um einen direkt digitalisierenden Empfänger, d.h. das Empfangssignal wird direkt mittels Analog-Digital-Umsetzer digitalisiert und vorher nicht auf eine niedrigere Trägerfrequenz abwärtsgemischt. Der Analogteil eines direkt digitalisierenden Empfängers besteht also nur aus einem LNA und einem ADU. Diese Empfängertopologie stellt hohe Anforderungen an den ADU und bildet deshalb den Fokus dieser Arbeit. Für die Untersuchungen des Empfängerkonzepts wurde sich auf eine Implementierung für niedrige Mobilfunkfrequenzbänder beschränkt, weshalb für den Entwurf festgelegt wurde, eine Trägerfrequenz von 750MHz mit einer Signalbandbreite von 20MHz empfangen und verarbeiten zu können. Der Entwurf erfolgte in einer 28nm CMOS Technologie, sollte flächen- und stromsparend sein, sich aber auch für zukünftige Technologieknoten mit noch höherer Integrationsdichte eignen, ohne die analogen Schaltblöcke gesondert bei der Technologiewahl berücksichtigen zu müssen. Somit konnten integrierte Spulen in der Empfängerkette nicht verwendet werden. Zugleich muss im Empfänger der Alias-Effekt unterdrückt werden. Um diese strengen Rahmenbedingungen ohne exorbitante Stromaufnahme zu erfüllen, kommt als ADU-Topologie nur ein zeitkontinuierlicher Sigma-Delta-Modulator in Frage. Dazu musste das Schleifenfilter des Sigma-Delta-Modulators komplett neu entworfen werden, was u.a. den Entwurf einer einstellbaren hochgütigen aktiven Spule erforderte. Das Empfängerkonzept konnte erfolgreich an der gefertigten Schaltung verifiziert werden, der gemessene dynamische Bereich blieb jedoch weit hinter dem ursprünglich anvisierten Ziel von 84dB zurück. Es konnte lediglich ein dynamischer Bereich von 59dB bei einer Leistungsaufnahme von 36,4mW und einer maximalen Auflösung von 4,5 Bit erreicht werden. Nachfolgende Untersuchungen des Konzepts zeigen aber Lösungsansätze auf, mit denen die Auflösung auf 8,7 Bit und der Dynamikbereich auf 69dB gesteigert werden kann.