Asynchronous Analog to Digital Interface: a New Class of Converters Based on Time Quantization
Interface Analogique Numérique Asynchrone: une Nouvelle Famille de Convertisseurs Basés sur la Quantification du Temps
Résumé
This PhD thesis deals with the development of a new design approach in order to reduce significantly the power consumption of Systems on Chips (SoCs) and Communicating Objects. The goal is to obtain systems only driven by the events contained in the useful signal. In this context, this work is focused on a critical block in such signal processing chains: the Analog to Digital Converter (ADC). Thus, a new family of CANs is described, using both an irregular sampling in time of the analog signal (level crossing sampling) and an asynchronous design (no global clock). This approach places the characteristics of these CANs as the dual case of those of usual Nyquist converters: there is a sampling in amplitude and and quantization in time. The associated theory leads to the development of a general methodology of these converters. Knowing the spectral and statistical characteristics of the analog signal, it allows the designer to determine the optimal design parameters of the ADC, in order to reduce the hardware, its activity and so the power dissipation and the electromagnetic emissions. This method has been used for the design of ADCs, in a CMOS 0,18µm standard technology. The electrical simulations have proved that their Figure of Merit (FoM) is improved by one order of magnitude compared to state-of-the-art Nyquist ADCs. The study of complete systems integrating sensor, analog to digital conversion, and digital processing according to this same method, using asynchronism for the sampling scheme and the design, allows us to affirm that very interesting prospects can be hoped as for the reduction of the power dissipation in SoCs.
Ce travail de thèse s'intègre dans le cadre du développement de nouvelles approches de conception afin de réduire de manière significative la consommation électrique des Systèmes sur Puces (SoCs) ou des Objets Communicants. Le but est d'obtenir des systèmes uniquement contrôlés par les événements contenus dans le signal utile. Dans ce contexte, ce travail est focalisé sur un bloc critique dans de telles chaînes de traitement du signal : le Convertisseur Analogique Numérique (CAN). Il est donc décrit une nouvelle famille de CANs, mettant en œuvre un échantillonnage irrégulier dans le temps du signal analogique (échantillonnage par traversées de niveaux) et une implémentation asynchrone (pas d'horloge globale). Cette approche rend les caractéristiques de ces CANs duales par rapport à celles des CANs de Nyquist classiques : il y a échantillonnage en amplitude et quantification en temps. La théorie associée a conduit à développer une méthodologie de conception propre à ces convertisseurs. Connaissant les caractéristiques spectrales et statistiques du signal analogique, elle permet de déterminer les paramètres de conception optimaux du CAN afin de réduire le matériel mis en œuvre, son activité, et donc sa consommation électrique. Cette méthode a été utilisée pour la conception de CANs, en technologie CMOS standard 0,18µm. Les simulations électriques ont prouvé que leur Facteur de Mérite (FoM) atteint un ordre de grandeur de plus par rapport à celui des CANs de Nyquist actuels. L'étude de systèmes complets intégrant capteur, conversion analogique numérique et traitement numérique selon cette même méthode, utilisant simultanément de l'«asynchronisme» pour l'échantillonnage et l'implémentation matérielle, permet d'affirmer que des perspectives très intéressantes peuvent être espérées quant à la réduction de la dissipation d'énergie dans les SoCs.
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