This thesis, for the first time in literature, introduces a comprehensive study about analog controller designs for MEMS vibratory gyroscopes. A controller of a MEMS gyroscope is mandatory for robust operation, which is insensitive to sensor parameters and ambient con- ditions. Errors in the controller design not only deteriorate transient performance, such as settling time and overshoot, but also cause performance degradation due to stability problems. Accordingly, true controller design for a gyroscope is critical work in terms of functionality and system performance. This thesis gives details for modeling, analysis of closed-loop sys- tems, and design procedure for drive and sense modes. Controller loops are implemented both with discrete components and in a CMOS technology as an integrated circuit. Simulation and test results verify the modeling, analysis, and design procedure discussed in this thesis. Drive mode system developed previously at METU is optimized by taking circuit imperfec- tions into account, which results in an improved transient performance of 50 msec settling time with no overshoot for a 4&mu / m drive mode oscillation amplitude. This system has a 60 phase margin with the help of the pole-zero cancellation technique. In addition, a new gener- iv ation and simple drive mode controller for tactical grade applications is designed and verified with a moderate transient performance. Two different sense mode controller design procedures are also developed according to a new base-band equivalent model derived for mismatch operation, as a new contribution to the literature. Firstly, a PID controller is designed for low frequency separation between the drive and sense modes of the gyroscope. Secondly, an integral controller is used for moderate and high mismatch amount. The controller system designed with the new base-band equivalent model improves the linearity, angle random walk, and bias instability by factors of 4, 9, and 3, respectively. Proposed drive and sense mode controllers are also designed and implemented using a 0.6&mu / m standard CMOS process. These chips are the first functional chips developed at METU de- signed for MEMS gyroscopes. Functionality of the proposed three systems, i.e., conventional drive mode controller, new generation drive mode controller, and sense mode controller, are verified with tests. The first prototypes result in 0.033 degree/sqrt/(hr) angle random walk and 3 degree/hr bias instability for open-loop operation, which is very promising and can be improved even further in future designs.

Thesis (M.S.) -- Mississippi State University. Department of Electrical and Computer Engineering. / Title from title screen. Includes bibliographical references.

Le nombre d'objets connectés utilisés quotidiennement ne cesse d'augmenter. Ces objets manipulent et stockent toute sorte de données personnelles et confidentielles. La contrainte de la sécurité devient alors importante pour la conception des systèmes sur puce (SoCs) destinés à des applications grand public. Et, dans un contexte de plus en plus exigeant en termes de performances et agressif en termes de coûts d'intégration et de développement, il est important de trouver des solutions de sécurisation des SoCs adaptées. Aussi, bien que la sécurité matérielle soit souvent envisagée d'un point de vue numérique, les SoCs actuels sont la plupart du temps mixtes. Les travaux présentés dans ce manuscrit s'intéressent alors à la sécurisation des circuits analogiques composant ces systèmes mixtes. Pour protéger au mieux un système quel qu'il soit, il est avant tout nécessaire d'en connaitre les vulnérabilités. Pour cela, une méthodologie d'analyse des vulnérabilités dédiée aux circuits analogiques a été développée. Ainsi, les contremesures adéquates peuvent être développées avant que le système ne soit complètement conçu. La sécurité du système est alors améliorée sans augmenter considérablement le temps de conception de celui-ci. L'analyse d'un système analogique largement utilisé dans les SoCs actuels et composé de nombreux sous-circuits a permis d'identifier les attaques en faute par Stimulation Photoélectrique Laser (SPL) , et par variation de la tension d'alimentation, comme présentant un risque important pour le système. Mais, a aussi mis en avant certaines difficultés. En effet, les circuits analogiques, contrairement aux circuits numériques, sont sensibles aux fautes paramétriques. Aussi, les nombreuses interconnections entre les différents sous-circuits rendent l'analyse de la propagation des fautes difficile. Pour cela, des simulations du système au niveau transistors sont nécessaires. Ces simulations étant coûteuses en temps, la modélisation des circuits analogiques pour l'analyse des effets des attaques par variations de la tension d'alimentation a été étudiée. Les modèles développés pour cette analyse doivent respecter différentes contraintes spécifiques. L'application de ces contraintes à la modélisation d'un circuit analogique concret a montré que les modèles pouvaient être utilisés pour identifier les formes d'attaques pouvant compromettre la sécurité du circuit. En revanche, l'étude n'a pas permis de déterminer le temps gagné par l'utilisation de modèles. Après avoir identifié les deux types d'attaques précédents et analysé leurs effets sur les circuits analogiques, la problématique de la protection des circuits a été abordée. Les contremesures existantes ont été comparées et évaluées. Pour les compléter, des circuits analogiques de détection d'attaques laser et d'attaques en tension actives ont été conçus en tenant compte des fortes contraintes de coûts et des différentes problématiques présentes au niveau d'un SoC. Les tests électriques de ces détecteurs en technologie CMOS 28nm FD-SOI ont prouvé leur efficacité. Finalement, ce travail présente les différentes étapes de la sécurisation d'un circuit analogique, de l'analyse des vulnérabilités à la conception de contremesures, en passant par la modélisation des attaques et de leurs effets, dans le contexte d'applications mixtes et à bas coût. / With the development of the Internet of things, the number of connected devices is in constant increase. These objects use a large amount of data including personal credentials. Therefore, security has become a major constraint for System on Chips (SoCs) designers. Moreover, in a context more and more aggressive in terms of performances and time to market, it is important to find low cost security solutions. Although the hardware security is often treated from a digital point of view, almost every SoCs is also using analog and mixed IP. Thus, this work presents different steps to improve the security of analog IPs, from vulnerability analysis to countermeasures design validation, and behavioral modeling in the context of mixed signals and low cost applications. To protect any system, the first requirement is to know its vulnerabilities. To do so, a vulnerability analysis methodology dedicated to analog circuit has been developed. Using the results of this analysis, countermeasures can be designed during the development of the circuit and not at the end. The circuit security is thus improved without dramatically increasing its cost in terms of design time. The analysis of a clock system generator, an analog IP widely used in current SoCs and composed with various sub-circuits, has shown fault attacks using Laser Photoelectric Stimulation (LPS) or supply voltage glitches as important threats. After having identified the 2 previous attacks types as major threats, their effects on analog circuits are analyzed. Existing countermeasures are then compared and evaluated for the protection of analog IPs. To complete these solutions, two analog detectors have been designed to detect laser and supply voltage glitch attacks considering SoCs level constraints. Electrical test of these detectors processed on CMOS 28nm FD-SOI technology proved their efficiency. Theoretical vulnerability analysis has shown some difficulties. Indeed, analog circuits are sensitive to numerous parametrical faults. Also, the high interconnection of various sub-circuits makes the faults propagation analysis quite difficult. To help this analysis, electrical simulations at transistor level are necessary. These simulations are quite long and, so the behavioral modeling of analog circuits to help the analysis of supply voltage glitch attack effects has been studied. To do so, the developed models must be developed according different constraints presented in this report and applied to the behavioral modeling of a real analog circuit. This illustration proved that behavioral models can be used to help to identify which attack shapes are the most likely to induce faults in the circuit.