Abstract This thesis describes the development of low-voltage, low-power circuit blocks and structures for portable, battery-operated applications such as heart rate detectors, pacemakers and hearing-aid devices. In this work, the definition for low supply voltage operation is a voltage equal to or less than the minimum supply voltage needed to operate an analogue switch, i.e. VDD(min) ≤ 2VT + Vov, which enables the use of a single cell battery whose polar voltage is 1 – 1.5 V. The targeted power consumption is in a range of microwatts. The design restrictions for analogue circuit design caused by the low supply voltage requirement of the latest and future CMOS process technologies were considered and a few circuit blocks, namely two operational amplifiers, a Gm–C filter and a bandgap voltage reference circuit, were first designed to investigate their feasibility for the above-mentioned low-voltage and low-power environment. Two operational amplifiers with the same target specifications were designed with two different types of input stages, i.e. a floating-gate and a bulk-driven input stage, in order to compare their properties. Based on the experiences collected from the designed circuit blocks, an analogue CMOS preprocessing stage for a heart rate detector and a self-calibrating RC oscillator for clock and resistive/capacitive sensor applications were designed, manufactured and tested. The analogue preprocessing stage for a heart rate detector includes a continuous-time offset-compensated preamplifier with a gain of 40 dB, an 8th-order switched-opamp switched-capacitor bandpass filter, a 32-kHz crystal oscillator and a bias circuit, and it achieves the required performance with a supply voltage range of 1.0 – 1.8 V and a current consumption of 3 μA. The self-calibrating RC oscillator operates with supply voltages of 1.2 – 3.0 V and achieves a tunable frequency range of 0.2 – 150 MHz with a total accuracy of ±1% within a supply voltage range of 1.2 – 1.5 V, a temperature range from -20 to 60 °C and a current consumption of less than 70 μA @ 5 MHz with external high precision resistor and capacitor. The measurement results prove that the developed low-voltage low-power analogue circuit structures can achieve the required performance and therefore be successfully implemented with modern CMOS process technologies with limited supply voltages. / Tiivistelmä Tämä väitöskirja käsittelee matalan käyttöjännitteen pienitehoisten piirirakenteiden kehittämistä kannettaviin, paristokäyttöisiin sovelluksiin kuten esimerkiksi sykemittareihin, sydämen tahdistimiin ja kuulolaitteisiin. Matalalla käyttöjännitteellä tarkoitetaan jännitettä, joka on pienempi tai yhtäsuuri kuin analogisen kytkimen tarvitsema pienin mahdollinen käyttöjännite, VDD(min) ≤ 2VT + Vov, joka mahdollistaa piirin toiminnan yhdellä paristolla, jonka napajännite on 1 – 1,5 V. Tavoiteltu tehonkulutus on mikrowattiluokkaa. Piirirakenteiden suunnittelussa otettiin huomioon viimeisimpien ja lähitulevaisuuden CMOS-valmistusteknologioiden aiheuttamat matalan käyttöjännitteen erityisvaatimukset ja niiden pohjalta kehitettiin aluksi kaksi erilaista operaatiovahvistinta, GmC-suodatin, ja bandgap-jännitereferenssi. Operaatiovahvistimet toteutettiin samoin tavoitevaatimuksin kahdella eri tekniikalla käyttäen toisen vahvistimen tuloasteessa ns. kelluvahilaisia tulotransistoreita ja toisen tuloasteessa ns. allasohjattuja tulotransistoreita. Kehitetyistä rakenteista saatujen kokemusten pohjalta suunniteltiin, valmistettiin ja testattiin kaksi erilaista CMOS-teknologialla toteutettua mikropiiriä, jotka olivat analoginen esikäsittelypiiri sydämen sykkeen mittaukseen ja itsekalibroiva RC-oskillaattori resistiivisiin/kapasitiivisiin sensorisovelluksiin. Sydämen sykkeen esikäsittelypiiri sisältää jatkuva-aikaisen, offset-kompensoidun esivahvistimen, jonka vahvistus on 40 dB, kytketyistä kapasitansseista ja kytketyistä operaatiovahvistimista koostuvan kahdeksannen asteen kaistanpäästösuodattimen, 32 kHz kideoskillaattorin ja bias-piirin. Esikäsittelypiiri saavuttaa vaadittavan suorituskyvyn 1,0 – 1,8 V käyttöjännitteellä ja 3 μA virrankulutuksella. Itsekalibroivan RC-oskillaattorin käyttöjännitealue puolestaan on 1,2 – 3,0 V ja käyttökelpoinen taajuusalue 0,2 – 150 MHz. Ulkoista tarkkuusvastusta ja kondensaattoria käytettäessä oskillaattori saavuttaa ±1 % tarkkuuden 1,2 – 1,5 V käyttöjännitteillä ja -20 – 60 °C lämpötila-alueella virrankulutuksen jäädessä alle 70 μA @ 5 MHz. Mittaustulokset osoittavat, että kehitetyt matalan käyttöjännitteen pienitehoiset analogiset rakenteet saavuttavat vaadittavan suorituskyvyn ja voidaan näin ollen menestyksekkäästi valmistaa moderneilla matalan käyttöjännitteen CMOS-teknologioilla.

Abstract The aim of this thesis was to develop time-to-digital converters (TDC) for the integrated receiver of a pulsed time-of-flight (TOF) laser rangefinder aiming at cm-level accuracy over an input range of 10 m – 15 m. A simple structure, a high integration level and low power consumption are the desired features for such a TDC. From the pulsed TOF laser rangefinder point of view an integrated receiver consisting of both the TDC and the receiver channel on the same die offers the possibility of manufacturing these laser rangefinders with a high integration level and at a low price to fulfil the needs of mass industrial markets. The heart of the TDC is a CMOS ring oscillator, the clock frequency of which is used to calculate the full clock cycles between timing signals, the positions of the timing signals inside the clock period being determined by storing the state of the phase of the ring oscillator for each timing signal. This will improve the resolution of the TDC. Also, additional delay lines are used to generate multiple timing signals, each having a time difference of a fraction of that of the ring oscillator. This will further improve the resolution of the whole TDC. To achieve stable results regardless of temperature and supply voltage variations, the TDC is locked to an on-chip reference voltage, or the resolution of the TDC is calibrated before the actual time interval measurement. The systematic walk error in the receiver channel caused by amplitude variation in the received pulse is compensated for by the TDC measuring the slew rate of the received pulse. This time domain compensation method is not affected by the low supply voltage range of modern CMOS technologies. Three TDC prototypes were tested. A single-shot precision standard deviation of 16 ps (2.4 mm) and a power consumption of 5.3 mW/channel were achieved at best over an input range of 100 ns (15 m). The temperature drifts of an on-chip voltage reference-locked TDC and a TDC based on the calibration method were 90 ppm/°C and 0.27 ps/°C, respectively. The results also showed that a pulsed TOF laser rangefinder with cm-level accuracy over a 0 – 15 m input range can be realized using the integrated receiver with the time domain walk error compensation described here. / Tiivistelmä Väitöskirjatyön tavoitteena oli kehittää aika-digitaalimuunninrakenteita valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvan lasertutkan integroituun vastaanottimeen. Tavoitteena oli saavuttaa senttimetriluokan tarkkuus 10 m – 15 m mittausalueella koko lasertutkan osalta. Aika-digitaalimuuntimelta vaaditaan yksinkertaista rakennetta, korkeaa integroimisastetta ja matalaa tehonkulutusta. Integroitu vastaanotin sisältää sekä aika-digitaalimuuntimen että vastaanotinkanavan ja tarjoaa mahdollisuuden korkeasti integroidun lasertutkan valmistukseen halvalla teollisuuden massamarkkinoiden tarpeisiin. Aika-digitaalimuuntimen ytimenä toimii monivaiheinen CMOS-rengasoskillaattori. Aika-digitaalimuunnos perustuu rengasoskillaattorin täysien kellojaksojen laskentaan laskurilla ajoitussignaalien välillä. Lisäksi rengasoskillaatorin jokaisesta vaiheesta otetaan näyte ajoitussignaaleilla niiden paikkojen määrittämiseksi kellojakson sisällä, jolloin aika-digitaalimuuntimen erottelutarkkuutta saadaan parannettua. Erottelutarkkuutta parannetaan lisää viivästämällä ajoitussignaaleja viive-elementeillä ja muodostamalla näin useita erillisiä ajoitussignaaleja, joiden väliset viive-erot ovat murto-osa rengasoskillaattorin viive-elementin viiveestä. Aika-digitaalimuunnin stabiloidaan käyttöjännite- ja lämpötilavaihteluja vastaan lukitsemalla se integroidun piirin sisäiseen jännitereferenssiin, tai sen erottelutarkkuus määritetään ennen varsinaista aikavälinmittausta erillisellä kalibrointimittauksella. Vastaanotetun valopulssin amplitudivaihtelun aiheuttama systemaattinen ajoitusvirhe integroidussa vastaanotinkanavassa kompensoidaan mittaamalla vastaanotetun valopulssin nousunopeus aika-digitaalimuuntimella. Tällainen aikatasoon perustuva kompensointimetodi on myös suorituskykyinen nykyisissä matalakäyttöjännitteisissä CMOS-teknologioissa. Työssä valmistettiin ja testattiin kolme aika-digitaalimuunninprototyyppiä. Muuntimien kertamittaustarkkuuden keskihajonta oli parhaimmillaan 16 ps (2,4 mm) ja tehonkulutus alle 5,3 mW/kanava mittausetäisyyden olessa alle 100 ns (15 m). Sisäiseen jännitereferenssiin lukitun aika-digitaalimuuntimen lämpötilariippuvuudeksi mitattiin 90 ppm/°C ja kalibrointimenetelmällä saavutettiin 0,27 ps/°C lämpötilariipuvuus. Työssä saavutetut tulokset osoittavat lisäksi, että valopulssin kulkuajan mittaukseen perustuvalla lasertutkalla on saavutettavissa senttimetriluokan tarkkuus 0 – 15 m mittausalueella käyttämällä tässä työssä esitettyä integroitua vastaanotinta ja aikatason ajoitusvirhekompensointia.