Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur la conception, simulation et réalisation des nouvelles structures des commutateurs hyperfréquences basées sur l’intégration des couches minces des matériaux innovants fonctionnels tels que les matériaux à changement de phase (PCM) et les matériaux à transition de phase (PTM). Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité présenter par ces matériaux. Nous avons exploité le changement de résistivité réversible du GeTe de la famille des matériaux à changement de phase (PCM) entre les deux états : amorphe à forte résistivité et cristallin à faible résistivité, pour réaliser une nouvelle structure d’un simple commutateur SPST. Ensuite, nous avons intégré ce commutateur dans une nouvelle structure de la matrice de commutation DPDT (Double Port Double Throw) à base de PCM pour l’application dans la charge utile du satellite. Nous avons utilisé la transition isolant-métal présenté par le dioxyde de vanadium (VO2) de la famille des matériaux à transition de phase, pour réaliser une nouvelle structure de commutateur simple à deux terminaux sur une très large bande de fréquence (100 MHz–220 GHz). / The work presented in this manuscript focuses on the design, simulation and realization of new microwave switches structures based on the integration of thin layers of innovative functional materials such as phase change materials (PCM) and phase transition materials. (PTM). The operating principle of these components is based on the change of resistivity present by these materials. We exploited the reversible resistivity change of GeTe of phase change materials family between the two states: amorphous with high resistivity and crystalline with low resistivity to realize a new structure of SPST switch. Then, we have integrated this switch structure on a new structure of DPDT (Double Port Double Throw) switch matrix based on phase change materials for application in satellite payload. We have used the insulatingmetal transition presented by the vanadium dioxide (VO2) of phase transition materials family to realize a new two terminals simple switch structure on a very wide frequency band (100 MHz–220 GHz).

L’augmentation du nombre d’appareils communicants et du débit de données a pour conséquence une montée en fréquence des dispositifs micro-ondes, notamment dans le secteur du spatial. L’optimisation des modules existants n’est pas toujours suffisante. Il faut donc synthétiser de nouveaux circuits. Cependant, la plupart des méthodes de synthèse existantes, inclues dans les logiciels de CAO, ne prennent pas en compte les modèles à pertes des fondeurs. Or, plus la fréquence de fonctionnement est élevée, plus leurs prises en compte est indispensable. Cette thèse propose une nouvelle méthode de synthèse et de conception pour les circuits faible bruit intégrés (amplificateur faible bruit et mélangeur). Elle prend en compte les modèles à pertes des composants passifs des fondeurs, les lignes de connexion, les jonctions et elle combine plusieurs fonctions comme l’amplification et le filtrage ainsi que le mélange et le filtrage. Elle a été validée en simulation et en mesure. / Due to the evolution of wireless systems and data rate, it is necessary to increase microwave operating frequencies, especially in space industry. Optimization of existing circuit topologies are always not enough and therefore, we need to synthetize new circuits. Unfortunately, most of the existing synthesis methods, including in CAD softwares, are only based on lossless passive component models. With the increase of operating frequency, we need to take the effect of losses in the passive component models during synthesis. This thesis introduces a new synthesis and design method for low noise integrated circuits(low noise amplifier and mixer). Lossy passive component models from foundries, connecting wires, junctions and co-design (amplification and filtering or mixing and filtering)are included. The design procedure was validated by simulations and measurements.

The electronics industry has developed incredibly in last few years and the need for low voltage and low power consuming devices is reflected with its growth. A small extension in battery life can be reflected in an order of magnitude in terms of retail prices. From multimedia gadgets (like laptops, mobiles, notebook etc.) to the biomedical device, all applications have seen a rapid advancement. All these devices need a low voltage and low power transceiver to connect with the wireless networks. This PhD thesis is focused on the development of new designing techniques for low voltage, low power integrated circuits, having close attention on circuits suitable for analog devices. The vast majority of high performance analog circuit cells realized in metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) technologies traditionally exploits transistors operating in saturation. Meanwhile there exists a region of weak inversion, which was left unexploited until recently, where the behavior of a MOS transistor is similar to a bipolar transistor in qualitative terms. This region could be exploited for the devices which require operating with low voltage supply. Instead of operating in saturation region, the MOS devices employed in this design, operate in weak inversion. The MOS devices in the proposed circuits are bulk-controlled. In the conventional mode of biasing the bulk terminal is left unused and is connected with lowest supply voltage or ground while the gate is usually chosen for the input signal introduction to bias the circuit. The bulk can be used as an input for signal, can lower the threshold of a transistor if biased properly, ultimately lowering the supply voltage requirement of the transistor. In this work a modified Nauta’s Transconductor, which operates on very low voltages and have a tunable transconductance is employed to design filters. The filter constructed can be tuned in the range of few MHz. The proposed filter is operated using a 0.5V supply and its cutoff frequency can be easily adjusted. All circuits are designed and analyzed using a triple well 0.13μm CMOS process. This OTA is further modified to achieve better performance, in order to implement it in a complex filter. In low IF devices the down-conversion of image signal along with the wanted signal at the same frequency is a major problem. Complex filter can easily remove this image signal by applying a frequency shifting operation. A sixth order complex filter by implementing Leapfrog technique is designed using the differential OTA. The filter is designed to meet the Bluetooth and Zigbee standard requirements. The filter operates on a 0.5V supply voltage, and has very good results for Image rejection, sensitivity, noise and the filter is orthogonally tunable. The performance of the filter has been evaluated through simulation results by employing a triple well 0.13μm CMOS process. This filter design can be implemented in the Bluetooth devices used for the biomedical applications. / Η βιομηχανία της ηλεκτρονικής έχει αναπτυχθεί απίστευτα τα τελευταία χρόνια και η ανάπτυξη αυτή συνδυάζεται με την ανάγκη για συσκευές που λειτουργούν σε χαμηλή τάση και με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Σε ότι αφορά την εμπορική τιμή, μια μικρή αύξηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας μπορεί να αντανακλάται σε μια αύξηση κατά μία τάξη μεγέθους της τιμής. Όλες οι εφαρμογές, από τις συσκευές πολυμέσων (όπως κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές, notebook κ.λπ.) έως και τις βιοϊατρικές συσκευές έχουν δει μια ταχεία πρόοδο. Όλες αυτές οι συσκευές, για να συνδέονται με ασύρματα δίκτυα, χρειάζονται πομποδέκτη χαμηλής τάσης και χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανάπτυξη νέων τεχνικών σχεδιασμού για ολοκληρωμένα κυκλώματα με έμφαση στα αναλογικά κυκλώματα, χαμηλής τάσης και χαμηλής ισχύος. Η συντριπτική πλειοψηφία των δομικών βαθμίδων αναλογικών κυκλωμάτων υψηλών επιδόσεων πραγματοποιείται σε τεχνολογία μετάλλου οξειδίου ημιαγωγού τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (MOSFET) και εκμεταλλεύεται τα τρανζίστορ που παραδοσιακά λειτουργούν σε κόρο. Ωστόσο, υπάρχει η περιοχή ασθενούς αναστροφής, η οποία αφέθηκε ανεκμετάλλευτη μέχρι πρόσφατα, όπου η συμπεριφορά των τρανζίστορ MOS είναι παρόμοια με αυτήν των διπολικών τρανζίστορ. Αυτή η περιοχή θα μπορούσε να αξιοποιηθεί για τις συσκευές που απαιτούν λειτουργία με χαμηλή τάση τροφοδοσίας. Αντί να λειτουργούν στην περιοχή κόρου, τα τρανζίστορ MOS που χρησιμοποιούνται σε αυτό το σχεδιασμό, λειτουργούν σε ασθενή αναστροφή. Τα τρανζίστορ MOS στα προτεινόμενα κυκλώματα είναι ελεγχόμενα από το υπόστρωμα (bulk-driven). Στο συμβατικό τρόπο οδήγησης το υπόστρωμα παραμένει αχρησιμοποίητο και συνδέεται με την χαμηλότερη τάση τροφοδοσίας ή τη γείωση, ενώ η πύλη συνήθως, επιλέγεται για την εισαγωγή σήματος εισόδου και οδηγεί το κύκλωμα. Το υπόστρωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως είσοδος για το σήμα, μπορεί να μειώσει την τάση κατωφλίου (threshold voltage) των τρανζίστορ, και τελικά, χαμηλώνει την τάση λειτουργίας του τρανζίστορ. Σε αυτήν την διδακτορική διατριβή χρησιμοποιείται ως διαγωγός (transconductor) ένα τροποποιημένο κύκλωμα Nauta, ο οποίος λειτουργεί σε πολύ χαμηλές τάσεις. Οι ελεγχόμενοι διαγωγοί χρησιμοποιούνται για το σχεδιασμό των προτεινόμενων συντονιζόμενων φίλτρων. Τα κατασκευασμένα φίλτρα μπορούν να συντονιστούν στην περιοχή των λίγων MHz. Τα προτεινόμενα φίλτρα λειτουργούν χρησιμοποιώντας τάση τροφοδοσίας 0.5V και η συχνότητα αποκοπής τους μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί. Όλα τα κυκλώματα σχεδιάζονται και εξομοιώνονται χρησιμοποιώντας μία τεχνολογία CMOS triple well 0.13μm. Ο υπό μελέτη τελεστικός ενισχυτής διαγωγιμότητας (Operational Transconductor Amplifier - OTA) έχει τροποποιηθεί περαιτέρω, για να επιτευχθεί καλύτερη απόδοση και να εφαρμοστεί σε ένα μιγαδικό φίλτρο. Η μετατροπή σήματος από τις μεσαίες συχνότητες (IF) στις χαμηλές συχνότητες παρουσιάζεται ένα σημαντικό πρόβλημα όπου μαζί με το επιθυμητό σήμα εμφανίζεται και το σήμα εικόνας στην ίδια συχνότητα. Τα μιγαδικά (complex) φίλτρα μπορούν να αφαιρέσουν εύκολα το σήμα εικόνας, εφαρμόζοντας μια διαδικασία μετατόπισης συχνότητας. Ένα μιγαδικό Leapfrog φίλτρο έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας διαφορικούς ενισχυτές διαγωγιμότητας. Το τελικό μιγαδικό φίλτρο δωδέκατης τάξης έχει σχεδιαστεί για να καλύψει τις απαιτήσεις του προτύπου Bluetooth και Zigbee. Το φίλτρο λειτουργεί με τάση τροφοδοσίας 0.5V και έχει πολύ καλά αποτελέσματα στην απόρριψη εικόνας, την ευαισθησία και το θόρυβο. Επίσης, η κεντρική συχνότητα και το εύρος συχνοτήτων είναι ανεξάρτητα ρυθμιζόμενα. Η απόδοση του φίλτρου έχει επαληθευτεί μέσω προσομοίωσης χρησιμοποιώντας μοντέλα τρανζίστορ μιας τεχνολογίας CMOS triple well 0.13μm. Φίλτρα που σχεδιάζονται με την προτεινόμενη μέθοδο μπορούν να εφαρμοστούν σε συσκευές Bluetooth που χρησιμοποιούνται και σε βιοϊατρικές εφαρμογές.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής αφορά στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων φίλτρων χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με χρήση καθρεπτών ρεύματος. Οι εφαρμογές της σύγχρονης τεχνολογίας επιτάσσουν τη χρήση συσκευών με όσο το δυνατόν μικρότερες διαστάσεις, χαμηλή τάση τροφοδοσίας, χαμηλή κατανάλωση ισχύος και ταυτόχρονα υψηλές επιδόσεις. Η μείωση της τάσης τροφοδοσίας θέτει αρκετές προκλήσεις στη σχεδίαση αναλογικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, καθώς οδηγεί σε μειωμένη απόδοση όσον αφορά το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας αλλά και το επιτρεπόμενο πλάτος σημάτων που μπορούν να διαχειριστούν. Προς αυτήν την κατεύθυνση, μελετώνται και σχεδιάζονται δομές αναλογικών φίλτρων χρησιμοποιώντας καθρέπτες ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, οι οποίοι μπορούν να διαχειριστούν σήματα με σχετικά μεγάλη διακύμανση. Όλες οι δομές έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρονικής ρύθμισης της συχνοτικής τους απόκρισης, μεταβάλλοντας το ρεύμα πόλωσης των καθρεπτών ρεύματος. Με αυτό τον τρόπο αντισταθμίζονται οι επιπτώσεις από τις μεταβολές των παραμέτρων κατασκευής, της τάσης τροφοδοσίας και της θερμοκρασίας. Αρχικά, προτείνονται διάφορες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης (universal biquads) με δυνατότητα ανεξάρτητης μεταβολής της συχνότητας και του συντελεστή ποιότητας των πόλων τους. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής εργασίας κατασκευάστηκε ένα ολοκληρωμένο με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει δύο από τις προτεινόμενες τοπολογίες γενικευμένων φίλτρων 2ης τάξης. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου παρουσιάζουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται μια συστηματική μέθοδος σχεδίασης ενεργών κυματικών φίλτρων με κυματικούς προσαρμογείς θύρας. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται για τη σχεδίαση ενός ελλειπτικού βαθυπερατού φίλτρου 3ης τάξης με συχνότητα αποκοπής 2MHz και κυμάτωση στη ζώνη διέλευσης 0.1dB. Ακόμη, προτείνονται δύο μιγαδικά φίλτρα Butterworth 12ης τάξης για εφαρμογή σε ασύρματους δέκτες χαμηλής τάσης τροφοδοσίας, τα οποία σχεδιάστηκαν με την μέθοδο Leapfrog και την τοπολογική εξομοίωση LC κλιμακωτών φίλτρων. Στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής εργασίας πραγματοποιήθηκε η κατασκευή ενός ακόμη ολοκληρωμένου με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm, το οποίο περιέχει τις δύο προτεινόμενες τοπολογίες μιγαδικών φίλτρων. Τα αποτελέσματα από την πειραματική μέτρηση του ολοκληρωμένου έχουν πολύ μικρή απόκλιση από τις προσομοιώσεις, επιβεβαιώνοντας την ορθή λειτουργία των μιγαδικών φίλτρων και καθιστώντας τις εν λόγω τοπολογίες αξιόπιστες για χρήση σε ασύρματους δέκτες που λειτουργούν με βάση τα πρότυπα Bluetooth/ZigBee. Μια άλλη κατηγορία φίλτρων που μελετάται, είναι αναλογικά φίλτρα τα οποία υλοποιούν συναρτήσεις κυματιδίου (wavelet filters), κατάλληλα για την επεξεργασία καρδιακών σημάτων. Οι καθρέπτες ρεύματος που χρησιμοποιούνται λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα χρήσης της πολύ χαμηλής τάσης τροφοδοσίας 0.5V. Ταυτόχρονα, λόγω των μικρών ρευμάτων πόλωσης, τα φίλτρα που προκύπτουν παρουσιάζουν εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση ισχύος. Τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις καταδεικνύουν τη χρησιμότητα τους σε σύγχρονες βιοϊατρικές εφαρμογές. Τέλος, προτείνεται μια νέα τοπολογία καθρέπτη ρεύματος χαμηλής τάσης τροφοδοσίας με μεταβλητό κέρδος το οποίο ελέγχεται ηλεκτρονικά, μεταβάλλοντας τα ρεύματα πόλωσης της βαθμίδας. Η συγκεκριμένη τοπολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη σχεδίαση ηλεκτρονικά ρυθμιζόμενων φίλτρων. Η ορθή λειτουργία της προτεινόμενης βαθμίδας επαληθεύεται από την πειραματική μέτρηση του αντίστοιχου ολοκληρωμένου κυκλώματος που κατασκευάστηκε με την τεχνολογία AMS CMOS 0.35μm. / This Ph.D. dissertation deals with the design of low-voltage analog integrated circuits. The technological evolution and market requirements have led to an increasing demand of low-power portable devices, featuring the reduced size and high efficiency. The supply voltage scaling sets new challenges in analog circuit design as this leads to a degraded circuit performance in terms of available bandwidth and smaller available signal swings. In this direction, novel analog filters using low-voltage high swing current mirrors are introduced. The resonant frequency of the proposed filters can be electronically controlled by modifying appropriate dc currents. Thus, any effect from process, voltage and temperature variations can be eliminated. At first, novel universal biquad filters are introduced offering the feature of orthogonal adjustment between the resonant frequency and quality factor. As part of this research work, a chip prototype containing two of the proposed universal biquad filter topologies has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip are very close to those theoretically predicted. Continuing, a new systematic method for designing high-order wave active filters employing the wave port adaptors is proposed. Attractive characteristics of the derived filters are the repeated structures and the low sensitivity in passive and active mismatches. In order to demonstrate the validity of the proposed method, a 3rd order elliptic lowpass filter with cutoff frequency at 2MHz and pass band ripple 0.1dB is designed. Furthermore, the design of two 12th Butterworth complex filters using current mirrors for low-IF receivers is discussed. The proposed topologies derived according to the Leapfrog and topological emulation techniques. As part of this work, a second prototype chip containing the two complex filters has been fabricated using AMS 0.35μm CMOS process. The experimental results from the fabricated chip demonstrate the high efficiency of the proposed topologies; thus, they can be considered as very promising counterparts for realizing filters in modern wireless systems. Moreover, novel analog wavelet filters suitable for cardiac signal analysis are introduced. The employed current mirrors are operating in subthreshold region, thus combining the operation under the low supply voltage of 0.5V and the low biasing currents. The simulation results evince their usefulness in nowadays biomedical applications. Finally, a novel scheme of a low-voltage current mirror with electronically adjustable current gain is introduced. The proposed building block is suitable for electronically controllable filters or performing signal scaling. The behavior of the proposed topology is experimentally verified through a fabricated chip.

Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη για αναλογικά ολοκληρωμένα κυκλώματα με χαμηλή τάση τροφοδοσίας και χαμηλή ισχύ γίνεται κάτι περισσότερο από επιτακτική. Ο βασικότερος λόγος για την ανάγκη αυτή είναι η ραγδαία ανάπτυξη από φορητές ηλεκτρονικές συσκευές για εφαρμογές πολυμέσων (laptops, netbooks, mobiles) έως ολοκληρωμένων συστημάτων βιοιατρικών εφαρμογών. Μάλιστα σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται αυτές οι ηλεκτρονικές συσκευές να έχουν δυνατότητα διασύνδεσης σε ασύρματα δίκτυα (WLANs) και επομένως επιβάλλεται η ενσωμάτωση συστημάτων πομποδεκτών. Έτσι, οι απαιτήσεις για όσο το δυνατόν μικρότερη κατανάλωση και επομένως χαμηλότερη τροφοδοσία είναι επιβεβλημένες. Ένα από τα βασικότερα «δομικά» κυκλώματα σχεδίασης αναλογικών κυκλωμάτων είναι οι διαφορικοί ενισχυτές τάσης. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται πλήρεις λύσεις διαφορικών ενισχυτών χαμηλής τάσης τροφοδοσίας σε τυπική CMOS τεχνολογία των 0.35μm και 0.18μm. Οι προτεινόμενοι ενισχυτές σχεδιάστηκαν με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα (Bulk-driven technique). Αρχικά σχεδιάστηκαν διαφορικοί ενισχυτές τάσεις με τοπολογία αρνητικής αντίστασης στην βαθμίδα εισόδου. Με τον τρόπο αυτό έγινε αύξηση της μικρής διαγωγιμότητας εισόδου που παρουσιάζει η τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα. Έτσι, προέκυψαν πρωτότυπες δομές ενισχυτών με χαμηλή τροφοδοσία μέχρι και 0.8V. Οι επιδόσεις των ενισχυτών χαρακτηρίστηκαν από κατάλληλες προσομοιώσεις αλλά και από πειραματικές μετρήσεις καθώς κατασκευάστηκε ολοκληρωμένο κύκλωμα ενισχυτή. Η σύγκλιση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων με των πειραματικών απέδειξε πως τόσο τα προτεινόμενα κυκλώματα όσο και η ίδια η τεχνική σχεδίασης αποτελούν σημαντική λύση όπου απαιτούνται διαφορικοί ενισχυτές τάσης χαμηλής τροφοδοσίας. Στη συνέχεια σχεδιάστηκε βαθμίδα διαφορικού ακόλουθου τάσης με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα και τροφοδοσία 1V. Η βαθμίδα αυτή χρησιμοποιήθηκε ως διαφορική βαθμίδα εισόδου διαφορικού ενισχυτή τάσης με τροφοδοσία 1V. Ο ενισχυτής αυτός λειτουργεί για μεταβολή του κοινού σήματος εισόδου μεταξύ των άκρων της τροφοδοσίας. Ο ακόλουθος τάσης τροποποιήθηκε κατάλληλα ώστε να λειτουργεί με τροφοδοσία 0.5V και χρησιμοποιήθηκε ως διαφορική βαθμίδα εισόδου σε διαφορικό ενισχυτή τάσης ίδιας τροφοδοσίας. Και οι δυο προτεινόμενες τοπολογίες ενισχυτών αποτελούν πλήρεις λύσεις για εφαρμογές ενισχυτών τάσης με χαμηλή και πολύ χαμηλή τροφοδοσία αντίστοιχα. Τέλος με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα σχεδιάστηκε ενισχυτής μεταβλητού κέρδους. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκε τεχνική γραμμικής μεταβολής διαγωγιμότητας διαγωγών. Ο ενισχυτής μεταβλητού κέρδους που σχεδιάστηκε λειτουργεί με τροφοδοσία 0.8V ενώ το κέρδος έχει εύρος μεταβολής 17dB και μπορεί να ενσωματωθεί σε βρόχο αυτομάτου ελέγχου κέρδους χαμηλής τροφοδοσίας. Για το σκοπό αυτό σχεδιάστηκαν με την τεχνική οδήγησης τρανζίστορ από το υπόστρωμα και δυο κυκλώματα τετραγωνικής συνάρτησης με τροφοδοσία 0.8V και 0.5V αντίστοιχα. / In recent years the need for analog integrated circuits with low-voltage and low-power is more than urgent. The main reason for this need is the rapid growth of portable electronic devices for multimedia applications (laptops, netbooks, mobiles, etc.) and even more for biomedical devices applications. In many cases, these electronic devices provide connectivity to wireless networks (WLANs) and therefore they incorporate transceiver systems. Thus, requirements such as low-voltage and low-power are a necessity. One of the basic analog “building blocks” for circuit design is differential voltage amplifiers. This thesis presents complete solutions for low-voltage differential amplifiers in standard CMOS technology of 0.35μm and 0.18μm. The proposed amplifiers were designed with bulk-driven technique. In the first place are designed differential voltage amplifiers that include input stage with negative resistance circuitry. This way the proposed amplifiers improve the small input transconductance due to bulk-driven transistors. Thus, novel amplifier structures are obtained with a voltage supply equal even to 0.8V. The amplifiers performance is characterized both through simulation and experimental results. The convergence of simulation and experimental results demonstrate that the proposed amplifiers circuits designed with bulk-driven technique are significant solution in the design of low-voltage amplifiers. In the next step a differential bulk-driven voltage follower is designed with 1V voltage supply. The proposed follower is used as a differential input stage for a differential voltage amplifier with the same voltage supply. The proposed amplifier is capable to operate rail-to-rail for common mode input signals. Also, the proposed voltage follower is modified in order to operate in extreme voltage supply of 0.5V. The modified voltage follower is used, again, as a differential input stage for a differential voltage amplifier while the whole amplifier used a voltage supply equal to 0.5V. Both proposed amplifiers topologies that use bulk-driven differential voltage followers as input stages are complete solutions for low-voltage and ultra low-voltage amplifiers applications. Finally, a new technique for linear transconductance variation, applicable in any kind of transconductor, is introduced. The proposed technique is used to build a bulk-driven variable gain amplifier (VGA). The proposed VGA operate with 0.8V voltage supply while produce a gain range variation equal to 17dB. The amplifier could incorporate in an automatic gain control loop (AGC) for low-voltage applications. For this purpose, two bulk-driven voltage squarers circuits with voltage supply 0.8V and 0.5V was also proposed.

Ces travaux de recherche portent sur la conception et la réalisation de commutateurs RF basées sur l’intégration de matériaux innovants fonctionnels tels que le dioxyde de vanadium (VO2) et les alliages de chalcogénures de types Ge2Sb2Te5 (GST) et GeTe. Le principe de fonctionnement de ces composants repose sur le changement de résistivité que présentent ces matériaux. Le VO2 possède une transition Isolant-Métal (MIT) autour de 68°C à travers laquelle le matériau passe d’un état isolant (forte résistivité) à un état métallique (faible résistivité). La transition MIT présente l’intérêt de pouvoir être initiée sous l’effet de plusieurs types de stimuli externes (thermique, électrique et optique) avec de faibles temps de commutation. Les alliages de types GST et GeTe ont la particularité de commuter réversiblement entre un état amorphe à forte résistivité à un état cristallin à faible résistivité suite à un traitement thermique spécifique. Les commutateurs à base de GST ou de GeTe présentent l'avantage de pouvoir opérer en mode bistable car le changement de résistivité présenté par ces matériaux est de type non volatile. Les composants réalisés ont de bonnes performances électriques (isolation et pertes d’insertion) sur une large bande. Nos travaux de recherche visent à proposer une solution alternative aux solutions classiques (semi-conducteurs et MEMS-RF) pour réaliser des commutateurs RF qui peuvent être par la suite utilisés dans la conception des dispositifs reconfigurables (filtres, Antennes). / This research work focuses on the design and realization of RF switches based on the integration of new materials such as vanadium dioxide (VO2), Ge2Sb2Te5 (GST) and GeTe chalcogenides alloys. The operating principle of these devices is based on the resistivity change presented by these materials. VO2 exhibits a Metal-Insulator transition (MIT) around 68°C for which the material changes from an insulating state (high resistivity) to a metallic one (low resistivity). The MIT transition can be triggered in different ways (thermally, electrically and optically) with low switching time. GST and GeTe alloys have the particularity to be reversibly switched between a high resistive-amorphous state to low resistive-crystalline state, under a specific heat treatment. Thanks to the non-volatile resistivity change presented by these materials, GST/GeTe-based switches are able to operate in bistable mode. The fabricated devices exhibit good electrical performances (insertion loss and isolation) over a broadband. The aim of our work is to propose an alternative solution to conventional technologies (semiconductors and RF-MEMS), to design RF switches that can be used afterward in the design of reconfigurable devices (filters, antennas).

Les circuits Smart Power, utilisés dans l’industrie automobile, se caractérisent par l’intégration sur une puce des parties de puissance avec des parties analogiques&numériques basse tension. Leur principal point faible vient de la commutation des structures de puissance sur des charges inductives. Celles-ci injectent des courants parasites dans le substrat, pouvant activer des structures bipolaires parasites inhérentes au layout du circuit, menant à une défaillance ou la destruction du circuit intégré.Ces structures parasites ne sont pas actuellement modélisées dans les outils CAO ni simulées par les simulateurs de type SPICE. L'extraction de ces structures à partir du layout et leur intégration dans les outils CAO est l’objectif du projet européen AUTOMICS, dans le cadre duquel cette thèse a été réalisée.La caractérisation du couplage substrat sur deux cas d’études a permis de valider les modèles théoriques et de les comparer aux simulations utilisant le nouveau modèle de couplage substrat. / Smart Power circuits, used in the automotive industry, are characterized by the integration on one chip of the power parts with low voltage analog and digital parts. Their main weak point comes from the switching of power structures on inductive loads. These inject parasitic currents in the substrate, capable of activating the bipolar parasitic structures inherent in the layout of the circuit, leading to failure or destruction of the integrated circuit.These parasitic structures are not currently integrated into CAD tools nor simulated by SPICE simulators. The extraction of these structures from the layout and their integration into the CAD tools is the objective of the European AUTOMICS project, in which this thesis is carried out.The characterization of the substrate coupling of 2 case study was used to validate theoretical models and compare them to simulations using the new substrate coupling model.

La technologie flip chip est de plus en plus répandue dans l'industrie électronique [trois dimensions (3D) System in Package] et est principalement utilisée pour la fabrication de réseaux détecteurs de grand format (mégapixels) et faible pas. Pour étudier la fiabilité de ces assemblages, des simulations numériques basées sur des méthodes d'éléments finis semblent être l'approche la moins chère. Cependant, de très grands assemblages contiennent plus d'un million de billes de brasure, et le processus d'optimisation de ces structures par des simulations numériques se révèle être une tâche très fastidieuse. Dans de nombreuses applications, la couche d'interconnexion de tels assemblages flip chip se compose de microbilles de brasure noyées dans de l'époxy. Pour ces configurations, nous proposons une approche alternative, qui consiste à remplacer cette couche d'interconnexion hétérogène par un matériau homogène équivalent (MHE). Un modèle micromécanique pour l'estimation de ses propriétés thermoélastiques équivalentes a été mis au point. La loi de comportement obtenue pour le MHE a ensuite été implémentée dans le logiciel par éléments finis (Abaqus®). Les propriétés élastiques des matériaux de l'assemblage sont définies par la littérature et également déterminées expérimentalement par une méthode de caractérisation mécanique : la nano-indentation. Les réponses thermomécaniques des assemblages testés soumis à des chargements correspondant aux conditions de fabrication ont été analysées. La technique d'homogénéisation-localisation a permis d'estimer les valeurs moyennes des contraintes et des déformations dans chaque phase de la couche d'interconnexion. Pour accéder plus précisément aux champs de contraintes et déformations dans ces phases, deux modèles de zoom structurel (couplage de modèles et submodeling), en tenant compte de la géométrie réelle de la bille de brasure, ont été testés. Les champs de contrainte et de déformation locaux obtenus corroborent avec les initiations de dommage observées expérimentalement sur les billes de brasure / Flip chip technology is increasingly prevalent in electronics assembly [threedimensional (3D) system in package] and is mainly used at fine pitch for manufacture of megapixel large focal-plane detector arrays. To estimate the reliability of these assemblies, numerical simulations based on finite-element methods appear to be the cheapest approach. However, very large assemblies contain more than one million solder bumps, and the optimization process of such structures through numerical simulations turns out to be a very time-consuming task. In many applications, the interconnection layer of such flip-chip assemblies consists of solder bumps embedded in epoxy filler. For such configurations, we propose an alternative approach, which consists in replacing this heterogeneous interconnection layer by a homogeneous equivalent material (HEM). A micromechanical model for the estimation of its equivalent thermoelastic properties has been developed. The constitutive law of the HEM obtained was then implemented in finite-element software (Abaqus®). Elastic properties of materials that compose the assembly were found in literature and by using mechanical characterization method especially nano-indentation. Thermomechanical responses of tested assemblies submitted to loads corresponding to manufacturing conditions have been analyzed. The homogenization-localization process allowed estimation of the mean values of stresses and strains in each phase of the interconnection layer. To access more precisely to the stress and strain fields in these phases, two models of structural zoom (model coupling and submodeling), taking into account the real solder bump geometry, have been tested. The local stress and strain fields obtained corroborate the experimentally damage initiation of the solder bumps observed

Dans la réalisation de nouveaux composants innovants de la spintronique, de grands espoirs sont placés sur les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS). L’enjeu technologique est de développer des matériaux ayant à la fois des propriétés semi-conductrices et ferromagnétiques. Le but de ce travail est de réaliser une étude nanostructurale et magnétique détaillée du système Fe :SiC candidat prometteur pour devenir un semi-conducteur magnétique dilué à température ambiante. Cependant les propriétés magnétiques du matériau (6H-SiC) implanté avec des métaux de transitions (MT) dépendent fortement de sa microstructure (concentration et nature du dopant, précipitation du dopant…). Afin d’appréhender l’ensemble des propriétés nanostructurales et magnétiques, nous avons étudié le système Fe :SiC à l’échelle de l’atome en utilisant la sonde atomique tomographique (SAT) couplée à la spectrométrie Mössbauer 57Fe. Des monocristaux 6H-SiC (0001) de type p et n (~10+18/cm3) ont été multi-implantés en 56Fe et 57Fe à différentes énergies et différentes fluences conduisant à une concentration atomique de (6% et 4%) de 20 à 120 nm de la surface. Dans le cadre de ce travail, nous avons pu suivre l’effet de la nanostructure du système Fe :SiC en fonction de la concentration de fer et des températures d’implantation et de recuit. Nous avons établi de nouveaux résultats : nature et dimension des nanoparticules, évaluation précise du nombre d’atomes de fer dilué dans la matrice SiC. Les différentes contributions ferromagnétiques et paramagnétiques sont identifiées et clairement expliquées grâce au couplage de techniques expérimentales comme la SAT, la spectrométrie Mössbauer, la magnétométrie SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Nous avons réussi à déterminer des conditions optimales pour l’obtention d’un DMS à température ambiante. En effet dans les échantillons implantés 4% Fe à 380°C, plus de 90% des atomes de Fe sont dilués. Ces atomes de Fe dilués contribuent majoritairement aux propriétés ferromagnétiques mesurées par SQUID et par spectrométrie Mössbauer à 300 K. Ces différents résultats expérimentaux mettent en lumière la possibilité de réalisation d’un nouveau (DMS) à température ambiante / Great hopes are placed on diluted magnetic semiconductors (DMS) for new components of spintronics. The challenge is to develop materials with both semiconducting and ferromagnetic properties. The aim of this work is to carry out a detailed nanostructural and magnetic study of the Fe: SiC candidate promising system to become a magnetic semiconductor diluted at room temperature. However, the magnetic properties observed in (6H-SiC) implanted with transition metals (TM) depend strongly on the material microstructure (content and nature of the dopant, precipitation of the dopant, etc.). In order to understand all the nanostructural and magnetic mechanisms, we studied the Fe: SiC system at the atomic scale using atom probe tomography (APT) and Mössbauer spectrometry. p and n single crystalline 6H-SiC near (0001)-oriented samples were submitted to multi-step implantations with 56Fe and 57Fe ions at different energies and fluences leading to an iron concentration (Cat =6 and 4%) at a depth between 20 nm and 120 nm from the sample surface. In this work, we were able to follow the effect of the nanostructure of the Fe: SiC system as a function of the iron concentration and the temperatures of implantations and annealing. We have established new results: nature and size of the nanoparticles, precise evaluation of the number of iron atoms diluted in the SiC matrix. The ferromagnetic and paramagnetic contributions are identified and clearly explained by the coupling of experimental techniques such as APT, Mössbauer spectrometry, SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) magnetometry. We were able to put the material in optimal conditions for obtaining a DMS at room temperature. Indeed, the implanted samples (4% Fe) at 380°C more than 90% Fe atoms were distributed homogeneously. These Fe atoms are the main source of the ferromagnetic properties measured by SQUID and Mössbauer spectrometry at 300 K. These experimental results highlight the possibility of obtaining a new (DMS) at room temperature.

Aujourd’hui, les exigences croissantes en termes de compétitivité requièrent la conception de systèmes électronique de puissance ayant un encombrement minimal tout en gardant une bonne fiabilité. La combinaison de ces deux caractéristiques est absolument requise au niveau d’un système aussi bien qu’au niveau d’un composant. On cite notamment le cas des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide, qui sont largement utilisés comme réservoir de stockage de l’énergie électrostatique. Cette fonction est nécessaire dans les systèmes électroniques de puissance pour fournir l’énergie aux différentes parties à chaque appel de courant. D’après la littérature, l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces systèmes reposent fortement sur celle des condensateurs d’aluminium à électrolyte liquide ainsi que sur d’autres composants identifiés comme critiques (Transistors MOS de découpage, isolants dans les transformateurs, …etc.). Le premier chapitre débute par une présentation de la technologie des condensateurs est détaillée en indiquant les différents paramètres qui les caractérisent et les différents travaux réalisés dans la littéraire sur l’étude et l’évaluation de la fiabilité de ces composants. Dans le deuxième chapitre, les essais de vieillissement sont élaborés en se basant sur le profil de mission du système. Ensuite, les évolutions des caractéristiques ayant une dégradation significative sont modélisées. Le troisième chapitre porte sur la caractérisation physico-chimique du condensateur afin de comprendre et expliquer les modes de défaillance enregistré pendant les essais de vieillissement. Le dernier chapitre est consacré à la réalisation des essais de vieillissement sur système simulant la dissipation de la chaleur des composants adjacents aux condensateurs. Des mesures électriques sont faites en temps réel afin de superviser la tension à leurs bornes. Enfin, un essai de stress mécanique est réalisé afin de permettre d’évaluer l’impact des vibrations sur la connectique des condensateurs neufs et vieillis. / Today, the increasing demands in terms of competitiveness require the design of electronic power systems having a minimal bulk while maintaining a good reliability. The combination of these two features is required at a system level as well as at a component level. It is particularly the case of liquid electrolyte aluminum capacitors, which are widely used as storage tanks forelectrostatic energy. This function is necessary in electronic power systems to provide energy to the different parts with each current draw. According to the literature, the study and the evaluation of the reliability of these systems rely heavily on that of liquid electrolyte aluminum capacitors as well as on other components identified as critical (MOS switching transistors, insulators in transformers, etc.). The first chapter begins with a detailed presentation of the technology of capacitors by indicating the various parameters that characterize them and the different work done in the literary on the study and evaluation of the reliability of these components. In the second chapter, aging tests are developed based on the mission profile of the system. Then, the evolutions of characteristics having a significant degradation are modeled. The third chapter deals with the physico-chemical characterization of the capacitor in order to understand and to explain the failure modes recorded during the aging tests. The last chapter is devoted to performing aging tests on a system which is simulating the heat dissipation of components adjacent to capacitors. Electrical measurements are realized in real time to monitor the voltage at their terminals. Finally, a mechanical stress test is carried out to evaluate the impact of vibrations on the connection of new and aged capacitors.