A Novel Cyclic Time to Digital Converter Based on Triple-Slope Interpolation and Time Amplification

This paper investigates a novel cyclic time-to-digital converter (TDC) which employs triple-slope analog interpolation and time amplification techniques for digitizing the time interval between the rising edges of two input signals(Start and Stop). The proposed converter will be a 9-bit cyclic time-to-digital converter that does not use delay lines in its structure. Therefore, it has a low sensitivity to temperature, power supply and process (PVT) variations. The other advantages of the proposed converter are low circuit complexity, and high accuracy compared with the time-to-digital converters that have previously been proposed. Also, this converter improves the time resolution and the dynamic range. In the same resolution, linear range and dynamic range, the proposed cyclic TDC reduces the number of circuit elements compared with the converters that have a similar circuit structure. Thus, the converter reduces the chip area, the power consumption and the figure of merit (FoM). In this converter, the integral nonlinearity (INL) and differential nonlinearity (DNL) errors are reduced. In order to evaluate the idea, the proposed time-to-digital converter is designed in TSMC 45 nm CMOS technology and simulated. Comparison of the theoretical and simulation results confirms the benefits of the proposed TDC

Design and investigation of nanometric integrated circuits for all-digital frequency synthesisers

Disertacijoje nagrinėjami daugiajuosčių dažnio sintezatorių blokai, modeliai bei jų kūrimas taikant nanometrines integrinių grandynų technologijas. Iškeliama ir įrodoma hipotezė, kad taikant nanometrines technologijas visiškai skaitmeniniai dažnio sintezatoriai įgalina gauti parametrus, reikiamus daugiajuosčiams belai- džio ryšio siųstuvams-imtuvams. Darbo tikslas – sukurti visiškai skaitmeninio dažnio sintezatoriaus blokus, kuriuos naudojant galima pasiekti reikiamus sinte- zatoriaus, skirto daugiajuosčiams belaidžio ryšio siųstuvams-imtuvams, paramet- rus taikant nanometrines integrinių grandynų gamybos technologijas. Darbe išsp- ręsti tokie uždaviniai: ištirtos dažnio sintezatorių struktūros ir sukurta struktūra, tinkama įgyvendinti taikant nanometrines technologijas, sukurti ir ištirti siūlomos struktūros sintezatorių sudarančių blokų modeliai ir integriniai grandynai. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados, naudotos literatū- ros ir autoriaus publikacijų disertacijos tema sąrašai ir keturi priedai. Įvadiniame skyriuje aptariama tiriamoji problema, darbo aktualumas, aprašo- mas tyrimų objektas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aprašoma ty- rimų metodika, darbo mokslinis naujumas, darbo rezultatų praktinė reikšmė, gi- namieji teiginiai bei disertacijos struktūra. Pirmajame skyriuje apžvelgiamos dažnio sintezatorių rūšys, aprašomi pag- rindiniai dažnio sintezatorių parametrai ir dažniausiai naudojamos kokybės funk- cijos. Apžvelgiami dažnio sintezatorių modeliai ir jų veikimas fazės ir dažnio sri- tyse. Aprašomi visiškai skaitmeninio dažnio sintezatoriaus triukšmų šaltiniai. Skyriaus pabaigoje suformuluojami disertacijos uždaviniai. Antrajame skyriuje pasiūlyta ir taikoma nauja kokybės funkcija, leidžianti at- likti daugiajuosčių dažnio sintezatorių palyginamąją analizę. Iškeliami reikalavi- mai pagrindiniams sintezatoriaus blokams, nagrinėjami laikinio skaitmeninio kei- tiklio skiriamosios gebos didinimo būdai, sukurtas naujas laikinio skaitmeninio keitiklio modelis. Siūloma dažnio sintezatoriaus struktūra daugiajuosčiams siųs- tuvams-imtuvams. Trečiajame skyriuje pagal iškeltus reikalavimus daugiajuosčio dažnio sinte- zatoriaus blokams, taikant kompiuterinių skaičiavimų ir eksperimentinius meto- dus yra kuriami ir tiriami laikinio skaitmeninio keitiklio, skaitmeniniu būdu val- domo generatoriaus bei skaitmeninio filtro integriniai grandynai. Disertacijos tema yra atspausdinti 7 moksliniai straipsniai: 4 – mokslo žurna- luose, įtrauktuose į Clarivate Analytics Web of Science duomenų bazę, 1 – tarp- tautinių konferencijų medžiagoje, įtrauktoje į Clarivate Analytics Proceedings duomenų bazę, 2 – mokslo žurnaluose, referuojamuose kitose tarptautinėse duo- menų bazėse. Disertacijoje atliktų tyrimų rezultatai buvo paskelbti devyniose mokslinėse konferencijose Lietuvoje ir užsienyje

Low power VCO-based analog-to-digital conversion

textThis dissertation presents novel two stage ADC architecture with a VCO based second stage. With the scaling of the supply voltages in modern CMOS process it is difficult to design high gain operational amplifiers needed for traditional voltage domain two-stage analog to digital converters. However time resolution continues to improve with the advancement in CMOS technology making VCO-based ADC more attractive. The nonlinearity in voltage-to-frequency transfer function is the biggest challenge in design of VCO based ADC. The hybrid approach used in this work uses a voltage domain first stage to determine the most significant bits and uses a VCO based second stage to quantize the small residue obtained from first stage. The architecture relaxes the gain requirement on the the first stage opamp and also relaxes the linearity requirements on the second stage VCO. The prototype ADC built in 65nm CMOS process achieves 63.7dB SNDR in 10MHz bandwidth while only consuming 1.1mW of power. The performance of the prototype chip is comparable to the state-of-art in terms of figure-of-merit but this new architecture uses significantly less circuit area.Electrical and Computer Engineerin

Physical Characteristics, Sensors and Applications of 2D/3DIntegrated CMOS Photodiodes

Two-dimensional photodiodes are reversely biased at a reasonable voltage whereas 3D photodiodes are likely operated at the Geiger mode. How to design integrated 2D and 3D photodiodes is investigated in terms of quantum efficiency, dark current, crosstalk, response time and so on. Beyond photodiodes, a charge supply mechanism provides a proper charge for a high dynamic range of 2D sensing, and a feedback pull-down mechanism expedites the response time of 3D sensing for time-of-flight applications. Particularly, rapid parallel reading at a 3D mode is developed by a bus-sharing mechanism. Using the TSMC 0.35μm 2P4M technology, a 2D/3D-integrated image sensor including P-diffusion_N-well_P-substrate photodiodes, pixel circuits, correlated double sampling circuits, sense amplifiers, a multi-channel time-to-digital converter, column/row decoders, bus-sharing connections/decoders, readout circuits and so on was implemented with a die size of 12mm×12mm. The proposed 2D/3D-integrated image sensor can perceive a 352×288-pixel 2D image and an 88×72-pixel 3D image with a dynamic range up to 100dB and a depth resolution of around 4cm, respectively. Therefore, our image sensor can effectively capture gray-level and depth information of a scene at the same location without additional alignment and post-processing. Finally, the currently available 2D and 3D image sensors are discussed and presented

Réalisation d’un convertisseur temps-numérique pour une application de détection monophotonique

Le Groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke possède une expertise unique dans la conception de scanners à tomographie d’émission par positrons. Le fonctionnement de la tomographie d’émission par positrons repose sur la détection de photons d’annihilation colinéaires par un agencement de cristaux scintillateurs, photodétecteurs, convertisseurs temps-numérique et électronique de traitement. Une partie du groupe de recherche s’oriente vers l’utilisation des matrices de photodiodes à avalanches opérées en mode Geiger, afin d’obtenir une meilleure résolution temporelle du système et un seuil de détection plus faible que les générations précédentes,ce qui permet de détecter les premiers photons émis par le cristal scintillateur. Le convertisseur temps-numérique (TDC) développé se veut un bloc polyvalent et réutilisable mesurant des intervalles de temps avec grande précision. Son développement cible des applications de détection monophotoniques avec estampilles temporelles comme la tomographie optique dffuse, les caméras 3D ou la tomographie d’émission par positrons. Il s’intègre ici dans un circuit intégré en CMOS 130 nm assemblé verticalement avec plusieurs gaufres et dédié à la détection en tomographie d’émission par positron. La méthodologie de conception du convertisseur temps-numérique s’inspire d’une approche en signaux mixtes avec suprématie du numérique. En simulation, le TDC développé arbore une résolution de 14,5 ps, une non-linéarité différentielle de 1 bits de poids faible, une non-linéarité intégrale de 2,2 bits de poids faible, une fréquence de conversion de 11,1 millions d’échantillons par seconde, une plage dynamique de 5 ns, une puissance moyenne consommée en moyenne de 4,5 mW et une taille de 0,029 mm². Un mécanisme pour améliorer la résolution du TDC a été intégré dans un exemplaire du TDC. Son utilisation a permis d’obtenir une résolution de 12,6 ps sur un exemplaire du circuit fabriqué. Ces travaux ont permis d’explorer l’architecture en oscillateur vernier avec anneaux et d’en faire ressortir plus clairement les avantages, les inconvénients et les écueils à surveiller lors de la conception

A portable device for time-resolved fluorescence based on an array of CMOS SPADs with integrated microfluidics

[eng] Traditionally, molecular analysis is performed in laboratories equipped with desktop instruments operated by specialized technicians. This paradigm has been changing in recent decades, as biosensor technology has become as accurate as desktop instruments, providing results in much shorter periods and miniaturizing the instrumentation, moving the diagnostic tests gradually out of the central laboratory. However, despite the inherent advantages of time-resolved fluorescence spectroscopy applied to molecular diagnosis, it is only in the last decade that POC (Point Of Care) devices have begun to be developed based on the detection of fluorescence, due to the challenge of developing high-performance, portable and low-cost spectroscopic sensors. This thesis presents the development of a compact, robust and low-cost system for molecular diagnosis based on time-resolved fluorescence spectroscopy, which serves as a general-purpose platform for the optical detection of a variety of biomarkers, bridging the gap between the laboratory and the POC of the fluorescence lifetime based bioassays. In particular, two systems with different levels of integration have been developed that combine a one-dimensional array of SPAD (Single-Photon Avalanch Diode) pixels capable of detecting a single photon, with an interchangeable microfluidic cartridge used to insert the sample and a laser diode Pulsed low-cost UV as a source of excitation. The contact-oriented design of the binomial formed by the sensor and the microfluidic, together with the timed operation of the sensors, makes it possible to dispense with the use of lenses and filters. In turn, custom packaging of the sensor chip allows the microfluidic cartridge to be positioned directly on the sensor array without any alignment procedure. Both systems have been validated, determining the decomposition time of quantum dots in 20 nl of solution for different concentrations, emulating a molecular test in a POC device.[cat] Tradicionalment, l'anàlisi molecular es realitza en laboratoris equipats amb instruments de sobretaula operats per tècnics especialitzats. Aquest paradigma ha anat canviant en les últimes dècades, a mesura que la tecnologia de biosensor s'ha tornat tan precisa com els instruments de sobretaula, proporcionant resultats en períodes molt més curts de temps i miniaturitzant la instrumentació, permetent així, traslladar gradualment les proves de diagnòstic fora de laboratori central. No obstant això i malgrat els avantatges inherents de l'espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps aplicada a la diagnosi molecular, no ha estat fins a l'última dècada que s'han començat a desenvolupar dispositius POC (Point Of Care) basats en la detecció de la fluorescència, degut al desafiament que suposa el desenvolupament de sensors espectroscòpics d'alt rendiment, portàtils i de baix cost. Aquesta tesi presenta el desenvolupament d'un sistema compacte, robust i de baix cost per al diagnòstic molecular basat en l'espectroscòpia de fluorescència resolta en el temps, que serveixi com a plataforma d'ús general per a la detecció òptica d'una varietat de biomarcadors, tancant la bretxa entre el laboratori i el POC dels bioassaigs basats en l'anàlisi de la pèrdua de la fluorescència. En particular, s'han desenvolupat dos sistemes amb diferents nivells d'integració que combinen una matriu unidimensional de píxels SPAD (Single-Photon Avalanch Diode) capaços de detectar un sol fotó, amb un cartutx microfluídic intercanviable emprat per inserir la mostra, així com un díode làser UV premut de baix cost com a font d'excitació. El disseny orientat a la detecció per contacte de l'binomi format pel sensor i la microfluídica, juntament amb l'operació temporitzada dels sensors, permet prescindir de l'ús de lents i filtres. Al seu torn, l'empaquetat a mida de l'xip sensor permet posicionar el cartutx microfluídic directament sobre la matriu de sensors sense cap procediment d'alineament. Tots dos sistemes han estat validats determinant el temps de descomposició de "quantum dots" en 20 nl de solució per a diferents concentracions, emulant així un assaig molecular en un dispositiu POC