Abstract The aim of this work was to develop time-to-digital converters(TDC) with a wide measurement range of several hundred microseconds and with a measurement precision of a few picoseconds. Because of these requirements, the focus of this work was mainly on TDC architectures based on the Nutt interpolation method, which has several advantages when a long measurement range is a requirement. Compared to conventional data converters the characteristics of a Nutt TDC differ significantly when, for example, quantization errors and linearity errors are considered. In this thesis, the operating principle of a Nutt TDC is analysed and, in particular, the effects of reference clock instabilities are studied giving new insight how the different phase noise processes can be reliably translated into time interval jitter, and how these affect the measurement precision when very long time intervals are measured. Furthermore, these analytical results are confirmed by measurements conducted with a long-range TDC designed as part of this work. Two long-range TDCs have been designed, each based on different interpolator architectures. The first TDC utilises discrete component time-to-voltage converters(TVC) as interpolators. Other key functionality is implemented on an FPGA. The interpolators use Miller integrators to improve the linearity and the single-shot precision of the converter. The TDC has a nominal measurement range of 84ms and it achieves a single-shot precision of 2ps for time intervals shorter than 2ms, after which the precision starts to deteriorate due to the phase noise of the reference clock. In addition to the discrete TDC, an integrated long-range CMOS TDC has been designed with 0.35μm technology. Instead of TVCs, this TDC features cyclic/algorithmic interpolators, which are based on switched-frequency ring oscillators(SRO). The frequency switching is used as a mechanism to amplify quantization error, a key functionality required by any cyclic or a pipeline converter. The interpolators are combined with a 16-bit main counter giving a total range of 327μs. The RMS single-shot precision of the TDC is 4.2ps without any nonlinearity compensation. Furthermore, a calibration functionality implemented partially on-chip ensures that the accuracy of the TDC varies only ±2.5ps in a temperature range of -30C to 70C. Although implemented with fairly old technology, the interpolators’ effective linear range and precision represent state-of-the-art performance. / Tiivistelmä Tämän työn tavoitteena oli kehittää aika-digitaalimuuntia (TDC), joilla on laaja satojen mikrosekuntien mittausalue ja muutaman pikosekunnin kertamittaustarkkuus. Näistä vaatimuksista johtuen tässä työssä keskitytään pääasiassa Nuttin interpolointimenetelmään perustuviin TDC-arkkitehtuureihin. Verrattuna tavanomaisiin datamuuntimiin, Nutt TDC:n toiminta poikkeaa merkittävästi, kun tarkastellaan kvantisointi- ja lineaarisuusvirhettä. Tässä väitöskirjatyössä Nuttin menetelmään perustavan TDC:n toiminta analysoidaan, jonka yhteydessä tutkitaan erityisesti referenssioskillaattorin epästabiilisuuksien vaikutusta mittausepävarmuuteen. Tämän pohjalta vaihekohinan eri kohinaprosessit voidaan luotettavasti muuntaa taajuustason kohinatiheysmittauksista aika-tasossa kuvattavaksi aikavälijitteriksi. Nämä teoreettiset tulokset ovat varmistettu yhdellä osana tätä työtä suunnitellulla pitkän kantaman TDC:llä. Teoreettisen tarkastelun lisäksi kaksi pitkän kantaman TDC:tä on suunniteltu, toteutettu ja testattu. Ensimmäinen näistä perustuu erilliskomponenteilla toteutettuun aika-jännitemuunnokseen (TVC) pohjautuvaan interpolointimenetelmään. Analogisten interpolaattoreiden ohella muu olennainen toiminnallisuus toteutettiin FPGA:lle. Interpolaattorit käyttävät Miller-integraattoreita lineaarisuuden ja kertamittaustarkkuuden parantamiseksi. TDC:n nimellinen mittausalue on 84ms ja sillä saavutetaan 2ps:n kertamittaustarkkuus, kun mitattava aikaväli on lyhyempi kuin 2ms, minkä jälkeen mittaustarkkuus heikkenee referenssioskillaattorin vaihekohinan vaikutuksesta. Toinen pitkän kantaman TDC perustuu 0.35μm:n CMOS teknologialla totetutettuun integroituun piiriin. Aika-jännitemuunnoksen sijasta tämä TDC perustuu sykliseen/algoritmiseen interpolointitekniikkaan, jossa taajuusmoduloitua rengasoskillaattoria(SRO) käytetään kvantisointivirheen vahvistamiseksi. Interpolaattorit ovat yhdistetty 16-bittiseen referenssioskillaattorin laskuriin, jolloin TDC:n mittausalue on noin 327μs. Tämän TDC:n RMS kertamittaustarkkuus on 4.2ps, joka saavutetaan ilman epälineaarisuuden kompensointia. Samalle piirille on lisäksi toteutettu kalibrointitoiminnallisuus, jolla varmistetaan TDC:n hyvä mittaustarkkuus kaikissa olosuhteissa. Mittaustarkkuus poikkeaa maksimissaan vain ±2.5ps, kun lämpötila on välillä -30C-70C. Vaikka TDC on toteutettu kohtalaisen vanhalla CMOS teknologialla, interpolaattoreiden efektiivinen lineaarinen alue ja mittaustarkkuus edustavat alansa huippua.

Abstract The aim of this work was to improve the performance and usability of a digital time-to-digital converter (TDC) in CMOS technology. The characteristics of the TDC were improved especially for the needs of pulsed laser time-of-flight (TOF) distance measurement, where picosecond-level precision with a long µs-level measurement range is needed in order to approach mm-level measurement accuracy. Stability in the face of process, voltage and temperature variations, multiple measurement channels, alternative measurement modes, a high integration level, standard interfaces and simple usage were the main features for development. The measurement architecture is based on counter and timing signal interpolation on two levels. The counter counts the full reference clock cycles between the timing signals, while a new recycling delay line developed in this thesis interpolates within the reference clock cycle. This technique utilizes a short delay line several times per reference clock cycle, which minimizes the interpolation nonlinearity. The same structure also makes the use of a low, MHz-level reference frequency possible, and thus only a crystal is needed as an external oscillator component. The parallel load capacitor-scaled delay line structure acts as the second, sub-gate-delay interpolation level. The INL does not accumulate in elements connected in parallel, and the load capacitance differences enable high, ps-level resolution to be achieved. Four TDC circuits in 0.35 µm CMOS technology were designed and tested in the course of this work, of which the latest, a 7-channel TDC, is able to measure the time intervals between the start pulse and three separate stop pulses in one measurement and to resolve the pulse widths or rise times at the same time. In laser TOF distance measurement this functionality can be used when several echoes arrive at the receiver, and also to compensate for the detection threshold problem known as timing walk error. The TDC achieves 8.9 ps interpolation resolution within the cycle time of a 20 MHz reference clock using only 8 delay elements on the first interpolation level and 14 delay elements on the second. A measurement precision better than 9 ps was achieved without using result post-processing or look-up tables. This work shows that versatile, high performance TDCs can be created in standard CMOS technology. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli parantaa CMOS-aika-digitaalimuuntimien suorituskykyä ja käytettävyyttä. Muuntimen ominaisuuksia kehitettiin erityisesti laseretäisyysmittauksen tarpeita ajatellen, missä millimetritason mittaustarkkuus laajalla mittausaluella edellyttää aika-digitaalimuuntimelta pikosekuntitason tarkkuutta mikrosekuntien mittausalueella. Stabiilius prosessiparametri-, jännite- ja lämpötilavaihteluita vastaan, useat mittauskanavat, useat mittausmoodit, korkea integraatioaste, standardoidut liitäntäväylät ja helppo käytettävyys olivat erityisesti kehityksen kohteina. Suunniteltu mittausarkkitehtuuri koostuu laskurista ja kaksitasoisesta ajoitussignaali-interpolaattorista. Laskuri laskee kokonaiset referenssikellojaksot ajoitussignaalien välillä ja työssä kehitetty referenssiä kierrättävä viivelinjarakenne rekistereineen interpoloi ajoitussignaalien paikat referenssikellojaksojen sisältä. Referenssinkierrätystekniikka hyödyntää lyhyttä viivelinjaa useampaan kertaan kellojakson aikana, mikä minimoi epälineaarisuuden interpoloinnissa. Sama rakenne mahdollistaa myös MHz-tason referenssitaajuuden, jolloin matalataajuista kidettä voidaan käyttää referenssilähteenä. Toinen interpolointitaso koostuu rinnakkaisista kapasitanssiskaalatuista viive-elementeistä, mitkä mahdollistavat alle porttiviiveen mittausresoluution. Rinnakkaisessa rakenteessa elementtien epälineaarisuudet eivät summaudu, mikä mahdollistaa pikosekuntitason mittaustarkkuuden. Väitöskirjatyössä suunniteltiin ja toteutettiin neljä aikavälinmittauspiiriä käyttäen 0,35 µm CMOS-teknologiaa, joista viimeisin, 7-kanavainen muunnin kykenee mittaamaan aikavälin useampaan pulssiin yhdellä kertaa sekä voi selvittää samalla pulssien leveydet tai nousuajat. Laseretäisyysmittauksessa monikanavaisuutta voidaan käyttää kun useita kaikuja lähetetystä pulssista saapuu vastaanottimeen sekä kompensoimaan mittauksessa esiintyviä muita virhelähteitä. Käytettäessä 20 MHz:n kidettä referenssilähteenä muunnin saavuttaa alle 9 ps:n interpolointiresoluution ja tarkkuuden ilman epälineaarisuudenkorjaustaulukoita. Työ osoittaa, että edullisella CMOS-teknologialla voidaan toteuttaa monipuolinen ja erittäin suorituskykyinen aika-digitaalimuunnin.

No description available.

Power consumption is one of the main design constraints in today’s integrated circuits. For systems powered by small non-rechargeable batteries over their entire lifetime, such as medical implant devices, ultra-low power consumption is paramount. In these systems, analog-to-digital converters (ADCs) are key components as the interface between the analog world and the digital domain. This thesis addresses the design challenges, strategies, as well as circuit techniques of ultra-low-power ADCs for medical implant devices. Medical implant devices, such as pacemakers and cardiac defibrillators, typically requirelow-speed, medium-resolution ADCs. The successive approximation register (SAR) ADC exhibits significantly high energy efficiency compared to other prevalent ADC architectures due to its good tradeoffs among power consumption, conversion accuracy, and design complexity. To design an energy-efficient SAR ADC, an understanding of its error sources as well as its power consumption bounds is essential. This thesis analyzes the power consumption bounds of SAR ADC: 1) at low resolution, the power consumption is bounded by digital switching power; 2) at medium-to-high resolution, the power consumption is bounded by thermal noise if digital assisted techniques are used to alleviate mismatch issues; otherwise it is bounded by capacitor mismatch.  Conversion of the low frequency bioelectric signals does not require high speed, but ultra-low-power operation. This combined with the required conversion accuracy makes the design of such ADCs a major challenge. It is not straightforward to effectively reduce the unnecessary speed for lower power consumption using inherently fast components in advanced CMOS technologies. Moreover, the leakage current degrades the sampling accuracy during the long conversion time, and the leakage power consumption contributes to a significant portion of the total power consumption. Two SAR ADCs have been implemented in this thesis. The first ADC, implemented in a 0.13-µm CMOS process, achieves 9.1 ENOB with 53-nW power consumption at 1 kS/s. The second ADC, implemented in a 65-nm CMOS process, achieves the same resolution at 1 kS/s with a substantial (94%) improvement in power consumption, resulting in 3-nW total power consumption. Our work demonstrates that the ultra-low-power operation necessitates maximum simplicity in the ADC architecture.

The presented work deals with the issue of digital mixing console. The main focus is on the design of sub-circuits for the digital mixer and the construction into the 19 "rack unit. The thesis presents a detailed description of individual parts and their use. Thesis also includes complete device designs, including a power supply and additional circuits.

This thesis has its main subject pointed on possibilities of exploiting reconfigurable digital systems on FPGA basis in mixed signal applications. Description of reconfigurable and adaptive systems in general and summary of known architectures is presented in first part of this work. Next, possibilities of exploiting configurability of FPGAs in conjunction with XADC digital to analog converter are examined. These converters are provided in 7-series FPGAs and Zynq-7000 systems from Xilinx. Concept of exploiting XADC for inductance measurements is presented as alternative to existing solution - LDC1000 integrated circuit provided by Texas Instruments. Such system utilizing FPGA and XADC would come with a lot of benefits: better system integration, better signal processing options, possibility of constructing adaptive system with numerous sensory elements and last but not least, lower system cost. Advantages and disadvantages of such approach are analyzed in the very final part of this work and possible options for extension of this work are presented.

L’objectif des travaux menés dans le cadre de cette thèse est le déploiement d’un dispositif médical embarqué et portable assurant l’acquisition et la transmission du signal biomédical électrocardiogramme. Il doit intégrer des techniques de traitement avancées et un étage de communication radio. A la quête de nouvelles idées non encore explorées par la communauté scientifique, nous proposons dans notre travail d’appliquer une acquisition compressée intelligente par exploitation du caractère parcimonieux du signal électrocardiogramme à l’aide d’un convertisseur analogique-numérique à échantillonnage non-uniforme. / The objective of this thesis is the deployment of an embedded and portable medical device for acquisition and transmission of the biomedical electrocardiogram signal. The device incorporates advanced processing techniques and a radio communication module. In search of new ideas not yet explored by the scientific community, we propose in our work to apply an intelligent compressed acquisition by exploiting the sparsity character of the electrocardiogram using a non-uniform sampling analog-to-digital converter.

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.

This thesis proposes and demonstrates Time to Digital Converters (TDC) with high resolution realized in 65-nm digital CMOS. It is used as a phase detector in all digital PLL working with 5GHz DCO and 20MHz reference input for radio transmitters. Two kinds of high resolution TDC are designed on schematic level including Vernier TDC and parallel TDC. The Sensed Amplifier Flip Flop (SAFF) is implemented with less than 1ps sampling window to avoid metastability. The current starved delay elements are adopted in the TDC and the conversion resolution is equal to the difference of the delay time from these delay elements. Furthermore, the parallel TDC is realized on layout and finally achieves the resolution of 3ps meanwhile it consumes average power 442μW with 1.2V power supply. Measured integral nonlinearity and differential nonlinearity are 0.5LSB and 0.33LSB respectively.

Les besoins en débit d’information à transmettre ne cessent de croitre. Aussi la généralisation des émetteurs-récepteurs large-bande implique l’intégration de solutions sur une technologie silicium CMOS afin que leur cout soit compatible avec une application grand public. Si l’intégration massive des traitements numériques est facilitée par les dernières technologies CMOS, la fonction de conversion analogique-numérique est quant à elle plus difficile. En effet, afin d’optimiser l’étage frontal analogique, le convertisseur analogique-numérique (CAN) doit répondre à des contraintes très fortes en termes de largeur de bande (de l’ordre du GHz) et de résolution (de 10 à 14bits). Les convertisseurs analogique-numérique basés sur l’entrelacement temporel (CAN-ET) connaissent un essor remarquable car ce sont aujourd’hui les seuls à pouvoir répondre aux deux contraintes énoncées ci-dessus. Cependant, cette structure de CAN reste sensible aux défauts d’appariement entre ses différentes voies de conversion et voit ses performances limitées par la présence de raies parasites liées à des erreurs statiques (offset et gain) et dynamiques (skew et bande passante). Pour réduire l’impact des erreurs dynamiques, nous avons implémenté une calibration mixte en technologie FD-SOI 28nm. Dans une première partie, un état de l’art portant sur les différentes techniques de minimisation et de compensations analogiques des erreurs de skew et bande passante est réalisé. A partir de cette étude, nous proposons différentes techniques analogiques pour compenser les d´esappariements de bande passante et de skew. Pour compenser le skew, nous profitons des avantages de la technologie FD-SOI en modulant fortement la tension de la face arrière d’un ou plusieurs transistor(s) d’ échantillonnage. Concernant l’erreur de bande passante, nous proposons d’ajuster la résistance équivalente du T/H en adaptant la résistance à l’état passant des transistors d’échantillonnage de cinq manières différentes. Pour définir parmi toutes les compensations proposées celle qui est la plus adaptée à nos besoins, nous comparons différents critères de performance. Après avoir identifié la meilleure compensation de skew et de bande passante, nous avons, dans une dernière partie, implémenté une calibration mixte des erreurs statiques et dynamiques o`u l’estimation numérique est basée sur la méthode des Moindres Carrés. / Data transmission requirements are ever more stringent, with respect to more throughput, less power consumption and reduced cost. The cable TV market is where broadband transceivers must continuously innovate to meet these requirements. In these transceivers, the analog front-end part must be adapted to meet the increasingly tighter specifications of the newest standards. A key bottleneck is the Analogto- Digital Converter (ADC), which must reach a sampling rate of several Gigasamples per second at effective conversion resolutions in the range of 10 to 14 bits. Among the possible choices, converters based on Time-Interleaving (TI-ADC) are experiencing remarkable growth, and today they appear to be the best candidates to rmeet the two constraints set out above. However, TI-ADCs are hampered by mismatches between its different conversion channels, which result in degraded performance due to the appearance of mismatch spurs in the frequency domain, arising both from static errors (gain and offset mismatch) and dynamic (skew and bandwidth) errors. To reduce these errors, we have investigated a mixeddomain calibration strategy for TI-ADCS in 28nm FDSOI technology. We strongly focused the analog compensation of dynamic errors. This report begins with a review of the state-of-theart w.r.t. the mismatch reduction and analog compensation techniques for both dynamic errors. Based on these results, we then introduce a variety of analog techniques aimed at compensating the bandwidth and skew mismatches. In order to compensate for the skew, we make the most of the FD-SOI technology by tightly regulating the voltage of the back gate of one or several sampling transistors. For the bandwidth error, we recommend that the T/H equivalent resistor be adjusted, adapting the on-resistor of the sampling transistors using up to five different techniques. Once the most appropriate skew and bandwidth compensations were identified, we ultimately implemented a mixed calibration of static and dynamic errors along with a digital calculation based upon the "Least- Squares" method.