Il existe une multitude d’applications où la détection de très faibles niveaux lumineux (jusqu’à quelques photons, voir le photon unique) est une partie clé de la mesure dans des domaines tels que l’imagerie médicale, l’astrophysique. Jusqu’à un passé récent, le seul composant permettant de détecter des niveaux aussi bas que le photon unique était le photomultiplicateur. Ce composant est volumineux, fragile, nécessite l’utilisation de hautes tensions et possède une résolution spatiale faible. Depuis quelques années, la faisabilité de photodétecteurs à photons uniques connus sous l’acronyme de SPAD (pour Single-Photon Avalanche Diode) dans un procédé de fabrication CMOS standard a été démontrée. Ces avancées permettent de réaliser des imageurs de haute résolution et grande sensibilité. Le travail dans cette thèse démarre par la compréhension du comportement de l’élément photosensible (le SPAD) pour finir par la conception du circuit de lecture associé au SPAD. Le deuxième axe de travail proposé dans cette thèse est un modèle haut niveau du SPAD suivi par son circuit de lecture. Le troisième axe propose une nouvelle architecture de lecture qui vise l’amélioration de la dynamique globale. Finalement, dans le dernier chapitre on propose une réalisation électrique CMOS du circuit à dynamique élevée. / A number of vision applications (medical imaging, astrophysics, …) require the detection of very low ligh levels (up to a few photons, or the single photon). Until recently, only one component can detect levels as low as the single photon: the photomultiplier. In recent years, it has been demonstrated the feasibility of designing avalanche diode using CMOS standard process. These advances allow to achieve high-resolution imaging and high sen-sitivity. The work in this thesis starts by the study of the behavior of the photon sensing element (SPAD) and finish by the design of the radout circuit of single photon avalanche photodiode. The second point of the work proposed in this thesis is a high-level model of SPAD followed by its readout circuit based on an anolg counter. The third line offers a novel readout method to enhance the readout dynamic range of pixel based on single photon avalanche photodiode. Finaly, A new readout circuit is proposed for SPAD based pixel. This readout circuit which is inspired from the simulated architectures will allow us to achieve our analog counter with the best performance.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

La très faible consommation dans les appareilles modernesest le facteur-clé pour les capteurs alimentée par une source d’énergierécupérée. La réduction du budget de puissance peut être atteinte grâceà différents techniques lié à trois niveaux d’abstraction : transistor, circuitet système. L’objet de cette thèse est l’analyse et la conception descircuits à très faible consommation pour des réseaux des capteurs sansfils. A’ régulateur de tension et an émetteur RF ont été examiné. Lepremier est le circuit principal pour la gestion de puissance ; il agitcomme interface entre le transducteur et les autres circuits du capteur.L’metteur est le circuit que exiges le plus de puissance pour fonctionner,donc une réduction de sa puissance il permet une augmentation de lavie opérationnelle du capteur. / In the modern devices Ultra-low power consumption is thesurvival key for the energy-harvested sensor node. The reduction of thepower budget can be achieved by mixing different low–power techniquesat three levels of abstraction: transistor level, circuit level and systemlevel. This thesis deals with the analysis and the design of Ultra-LowPower (ULP) circuits suitable for Energy-Harvesting Wireless SensorNetworks (EHWSN). In particular, voltage regulator and RF transmissioncircuits are examined. The former is the main block in powermanagement unit; it interfaces the transducer circuit with the rest of thesensor node. The latter is the most energy hungry block and thusdecreasing its power consumption can drastically increases the sensoron-time.

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Desde os anos 80 a evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados MOS tem buscado a redução da tensão de alimentação, como forma de se reduzir o consumo de energia dos circuitos. Partiu-se dos antigos 5 V, padrão estabelecido pela lógica TTL nos anos 70, até os circuitos modernos que operam com alimentação pouco abaixo de 1 V. Entretanto, desde os primeiros anos da década de 2000, a tensão de alimentação está estabilizada neste patamar, devido a limitações tecnológicas que tem se mostrado difíceis de serem transpostas. Tal desafio tem sido estudado por grupos de pesquisa ao redor do mundo, e diversas estratégias tem sido propostas para se chegar a circuitos analógicos e digitais que operem sob tensão de alimentação bem inferior a 1 V. De fato estes grupos têm focado seus estudos em circuitos que operam com tensão de alimentação inferior a 0,5 V, alguns chegando à casa de 200 ou 100 mV, ou até menor. Dentre as diversas classes de circuitos, os conversores de dados dos tipos digital-analógico (DAC) e analógicodigital (ADC) são circuitos fundamentais ao processo de integração entre os módulos que processam sinais analogicamente e os que processam sinais digitalmente, sendo assim essenciais à implementação dos complexos SoCs (System-on-Chips) da atualidade. Este trabalho apresenta um estudo sobre o desempenho da configuração MOSFET em rede M-2M (similar à rede R-2R que emprega resistores), utilizada como circuito conversor digital-analógico, quando dimensionada para operar sob tensão de alimentação muito baixa, da ordem de 200 mV ou inferior. Tal estudo se baseia no emprego de um modelo para os MOSFETs que é contínuo desde a condição de inversão fraca (subthreshold) até a inversão forte, e inclui o uso de um modelo de descasamento entre MOSFETs que é válido para qualquer condição de operação. Com base neste estudo foi desenvolvida uma metodologia de projeto, capaz de estabelecer as relações de compromisso entre “tensão de alimentação”, “resolução efetiva” e “área ocupada em silício”, fundamentais para se atingir um circuito otimizado. Resultados de simulação elétrica são apresentados e confrontados com os resultados analíticos, visando a comprovação da metodologia. O circuito já foi enviado para fabricação, e deve começar a ser testado em breve.

Unmanned vehicles, both ground and aerial, have become prevalent in recent years. The research community has different needs than the industrial community when designing a finalized unmanned system since the vehicle, the sensors and the control design are dynamic and change frequently as new ideas are developed and implemented. Current autopilot hardware, which is available as on-the-market products and proposed in research, is sufficient for unmanned systems design. However, this equipment falls short of being able to accommodate the needs of those in the research community who must be able to quickly implement new ideas on a flexible platform. The contribution of this research is the realization of a hardware platform, which provides for rapid implementation of newly developed theory. Rapid implementation is gained by providing for software development from within the Simulink environment and utilizing previously unrealized flexibility in sensor selection. In addition to the development of the hardware platform, research was performed within Simulink's System Generator environment in order to complement the hardware. The software produced consists of a user template that integrates to the selected hardware. The template creates a user friendly environment, which provides the end user the capability to develop software algorithms from within the Simulink environment. This capability facilitates the final step of full hardware implementation. The major novelty of the research was the overall FPGA based autopilot design. The approach provided flexibility, functionality and generality. The approach is also suitable for and applicable to the design of multiple platforms. This research yielded a first time approach to the development of an unmanned systems autopilot platform by utilizing: -Development of programmable voltage level digital Input/Output (I/O), ports, -Utilization of Field Programmable Analog Arrays (FPAA), -Hardware capabilities to allow for integration with full computer systems, -A full Field Programmable Gate Array (FPGA), implementation, -Full integration of the hardware within Simulink's System Generator Toolbox

The internet revolution has led to the demand for high speed, low cost solutions for providing high bandwidth to the consumers. Cable and DSL systems address these requirements through sophisticated analog and digital signal processing schemes. A key element of the analog front end of such systems is the line driver which interfaces with the transmission medium such as co-axial cable or twisted pair. The line driver is an amplifier that provides the necessary output current to drive the low impedance of the line. The main requirements for design are high output swing, high linearity, matched impedance to the line and power efficiency. These requirements are addressed by a class AB amplifier whose output impedance can be controlled through feedback. The property of this topology is that when the gain is unity, the output resistance of the driver is matched to the line resistance. Unity gain is achieved for varying line conditions through a tuning loop consisting of peak-to-peak detectors and differential difference amplifier. The design is fabricated in 0.5 micron AMI CMOS process technology. For line variations from 65 to 170 ohms, the gain is unity with an error of 3 % and the impedance matching error is 20 % at the worst-case. The linearity is better than 50 dB for a 1.2 V peak-to-peak signal over the signal bandwidth from 10 kHz to 5 MHz and the line resitance range from 65 to 160 ohms.