Digital processing of analog information adopting time-mode signal processing

As CMOS technologies advance to 22-nm dimensions and below, constructing analog circuits in such advanced processes suffers many limitations, such as reduced signal swings, sensitivity to thermal noise effects, loss of accurate switching functions, to name just a few. Time-Mode Signal Processing (TMSP) is a technique that is believed to be well suited for solving many of these challenges. It can be defined as the detection, storage, and manipulation of sampled analog information using time-mode variables. One of the important advantages of TMSP is the ability to realize analog functions using digital logic structures. This technique has a long history of application in electronics; however, due to lack of some fundamental functions, the use of TM variables has been mostly limited to intermediate stage processing and it has been always associated with voltage/current-to-time and time-to-voltage/current conversion. These conversions necessitate the inclusion of analog blocks that contradict the digital advantage of TMSP. In this thesis, an intensive research has been presented that provides an appropriate foundation for the development of TMSP as a general processing tool. By proposing the new concept of delay interruption, a completely new asynchronous approach for the manipulation of TM variables is suggested. As a direct result of this approach, practical techniques for storage, addition and subtraction of time-mode variables are presented. To Extend the digital implementation of TMSP to a wider range of applications, the comprehensive design of a unity gain dual-path time-to-time integrator (accumulator) is demonstrated. This integrator is then used to implement a digital second-order delta-sigma modulator. Finally, to demonstrate the advantage of TMSP, a very low power and compact tunable interface for capacitive sensors is presented that is composed of a number of delay blocks associated with typical logic gates. All the proposed theories are supported by experimental results and post-layout simulations.The emphasis on the digital construction of the proposed circuits has been the first priority of this thesis. Having the building blocks implemented with a digital structure, provides the feasibility of a simple, synthesizable, and reconfigurable design where affordable circuit calibrations can be adopted to remove the effects of process variations.Les technologies CMOS progressant vers les procédés 22 nm et au delà, la abrication des circuits analogiques dans ces technologies se heurte a de nombreuses limitations. Entre autres limitations on peut citer la réduction d'amplitude des signaux, la sensibilité aux effets du bruit thermique et la perte de fonctions précises de commutation. Le traitement de signal en mode temps (TMSP pour Time-Mode Signal Processing) est une technique que l'on croit être bien adapté pour résoudre un grand nombre de problèmes relatifs a ces limitations. TMSP peut être défini comme la détection, le stockage et la manipulation de l'information analogique échantillonnée en utilisant des quantités de temps comme variables. L'un des avantages importants de TMSP est la capacité à réaliser des fonctions analogiques en utilisant des structures logiques digitales. Cette technique a une longue histoire en terme d'application en électronique. Cependant, en raison du manque de certaines fonctions fondamentales, l'utilisation de variables en mode temps a été limitée à une utilisation comme étape intermédiaire dans le traitement d'un signal et toujours dans le contexte d'une conversion tension/courant-temps et temps-tension/courant. Ces conversions nécessitent l'inclusion de blocs analogiques qui vont a l'encontre de l'avantage numérique des TMSP. Cette thèse fournit un fondement approprié pour le développement de TMSP comme outil général de traitement de signal. En proposant le concept nouveau d'interruption de retard, une toute nouvelle approche asynchrone pour la manipulation de variables en mode temps est suggéré. Comme conséquence directe de cette approche, des techniques pratiques pour le stockage, l'addition et la soustraction de variables en mode temps sont présentées. Pour étendre l'implémentation digitale de TMSP à une large gamme d'applications, la conception d'un intégrateur (accumulateur) à double voie temps- à -temps est démontrée. cet intégrateur est ensuite utilisé pour implémenter un modulateur delta-sigma de second ordre.Enfin, pour démontrer l'avantage de TMSP, une Interface de très basse puissance, compacte et réglable pour capteurs capacitifs est présenté. Cette interface est composé d'un certain nombre de blocs de retard associés à des portes logiques typiques. Toutes les théories proposées sont soutenues par des résultats expérimentaux et des simulations post-layout. L'implémentation digitale des circuits proposés a été la première priorité de cette thèse. En effet, une implémentation des bloc avec des structures digitales permet des conceptions simples, synthétisable et reconfigurables où des circuits de calibration très abordables peuvent être adoptées pour éliminer les effets des variations de process