Dans les systèmes de télécommunication modernes et en particulier pour l'amplification de puissance RF, le rendement est un élément clé. Il doit être le plus élevé possible pour réduire la consommation. Afin d'augmenter le rendement global d'un amplificateur de puissance, la technique de polarisation dynamique, souvent basée sur l'association d'un amplificateur et d'un convertisseur DC/DC, est couramment employée. Les transistors de type HEMT GaN délivrent des puissances importantes tout en ayant des fréquences de fonctionnement élevées, de plus leur capacité à commuter rapidement et leurs faibles pertes résistives en font d'excellents candidats à la fois pour les applications d'amplification de puissance et de commutation à haute fréquence de découpage et haut rendement tels que les convertisseurs DC/DC utilisés dans le cadre d'une polarisation dynamique.Le premier chapitre de ce mémoire est consacré aux propriétés des transistors à base de GaN et leurs intérêts pour des applications d'amplification hyperfréquence et de commutation. Leur caractérisation et modélisation sont également abordées. Le deuxième chapitre est consacré à la conception et à la caractérisation de convertisseurs DC/DC GaN à haute vitesse de découpage pour des applications de polarisation dynamique d'amplificateurs de puissance. Le troisième chapitre aborde la conception d'amplificateurs de puissance GaN à haut rendement en bande C pour des applications de télécommunication. L'association d'un convertisseur DC/DC développé au chapitre II et d'un amplificateur GaN en bande S dans le cadre de la polarisation dynamique sera également présentée et ses effets sur l'amélioration du rendement étudiés. / High efficiency is a key element in modern telecommunication systems, especially in RF power amplifiers. Efficiency has to be as high as possible in order to reduce power consumption thus minimising working cost, maximising autonomy and improve system reliability. In order to increase global efficiency of a power amplifier, dynamic biasing, based on the association of an amplifier and a DC/DC converter, is often used. GaN HEMTs enable high RF power at high frequencies, moreover their capability to switch very quickly and their low resistive losses make them good candidates for both power amplification applications and high speed, high efficiency commutation applications, like DC/DC converters used in dynamic biasing systems. The first part of this manuscript is dedicated to GaN transistors properties and their advantages compared to other semi-conductors for commutation and RF amplification applications. Their characterisation and modelling is also discussed. The second chapter is dedicated to the design and characterisation of high speed DC/DC converters for dynamic biasing applications. The last part approaches high efficiency GaN power amplifiers design in C band for telecommunication applications. The association of a DC/DC converter, designed in chapter II, and a GaN power amplifier in S band in the context of dynamic biasing is also presented and the obtained efficiency improvement is reported.

Les circuits différentiels présentent de nombreux avantages par rapport aux circuits 2-ports classiques en termes d’immunité contre les bruits de mode commun, de tensions de sortie doublées et de réduction de distorsion d’ordre pair. Leur usage répandu crée une demande pour le développement de nouvelles techniques de mesures du facteur de bruit différentiel. Le chapitre 1 démontre que le facteur de bruit est fonction de la corrélation des ondes de bruit en sortie du circuit différentiel. Il n’existe toutefois aucun appareil capable de mesurer directement cette corrélation. Le chapitre 2 présente une technique originale pour mesurer cette corrélation. Elle utilise un coupleur hybride connecté aux ports de sortie du circuit différentiel selon 2 configurations de connexion. Cette approche permet de mesurer rigoureusement le facteur de bruit de tous types d’amplificateurs différentiels. Le chapitre 3 propose une technique pour mesurer la corrélation sans utiliser de coupleurs. Une étude de la structure différentielle permet de trouver une expression de la corrélation en fonction des puissances de bruit en sortie et des paramètres S. Une technique rapide et fonctionnelle est ainsi développée sur un analyseur de réseau 4-port pour mesurer le facteur de bruit d’un amplificateur différentiel. Cette approche sans coupleur est étendue à la mesure des paramètres de bruit d’un amplificateur différentiel. L’extraction des 4 paramètres de bruit se fait grâce à la méthode des impédances multiples en utilisant un synthétiseur différentiel d’impédance. Ce travail présente pour la première fois une technique sans coupleur pour la mesure des paramètres de bruit différentiels. / Differential circuits have major advantages over single-ended circuits regarding immunity to common-mode noise, double voltage swing and reduction of even-order distortion. Their wide proliferation creates a need for the development of functional techniques for differential noise figure measurement. Chapter 1 shows that the noise figure of a 4-port circuit depends on the correlation of the noise waves at the output ports. However, no standard equipment is capable of measuring directly this correlation. Chapter 2 proposes an original technique for measuring the correlation of output noise waves. It makes use of a hybrid coupler connected to the differential DUT. The correlation is determined by using two configurations of connection between the DUT and the coupler. A rigorous and general technique for the noise figure measurement of differential amplifiers is developed from this approach. Chapter 3 proposes an original approach where no extra coupler is required. A study of the structure of a differential amplifier is performed where an expression of the correlation is calculated in terms of output noise powers and of the 4-port S-parameters. A fast and functional measurement technique using this method is developed on a 4-port network analyzer. This coupler-free approach is extended to the measurement of the noise parameters of differential amplifiers. The noise parameters are determined from differential source-pull measurements using a differential impedance tuner. This is, to the best of our knowledge, the first coupler-free technique developed for measuring differential noise parameters.

The main purpose of this theses is to design a pre-power for WiMAX in the 5.65 GHz frequency range. The pre-power amplifier main features are moderate linearity and output power. Another goal of the theses is to design the phisical layout of the amplifier for PCB presentation.The described power amplifier is designed to operate as a pre-amplifier, class AB and at 5.65 GHz with a gain of around 10 dB with an approximate bandwidth of 300 MHz. / -

L’amplificateur haute puissance d’un radar, qui est l’un des éléments définissant les performances du système, est un sujet constant de rechecherche afin d’améliorer sa puissance et son rendement. Des améliorations des performances peuvent être apportées par la combinaison d’une technologie relativement nouvelle, le HEMT GaN et de classes de fonctionnement d’amplificateur à haut rendement telles les classes de commutation. Ces dernières faisant usage des harmoniques du signal complexe émis par l’amplificateur en compression, une caracterisation non linéaire est requise. Ce type de caractérisation existe déjà en mode CW et pulsé périodique. Cependant, le mode pulsé périodique n’apporte qu’une approximation du train d’impulsions radar réel excitant l’amplificateur, négligeant les effets causés par le train de pulse. Cela concerne particulièrement la technologie HEMT GaN qui est susceptible à des effets thermique et de mémoire. Ce travail propose une nouvelle technique de mesure reposant sur un prototype de NVNA basé sur des mélangeurs capable de mesurer trois fréquences simultanément, permettant la caractérisation non linéaire d’un amplificateur en condition radar réelle en terme de train d’impulsions. Cet instrument a été validé par des mesures CW et pulsée périodique en utilisant un appareil type LSNA et un VNA disponible sur le marché. La technique mesure, optimisée dans ce travail jusqu’à 12GHz, permet de visualiser des effets causés par le train d’impulsions sur l’amplificateur de puissance tout en mesurant les trois premiers tons du signal complexe au meilleur rapport signal à bruit disponible grâce à l’architecture de l’instrument. / Radar high power amplifier, that is one of the performance defining elements of a radar system, is under constant investigation to improve its power and efficiency. Improvement can be provided through the combination of relatively new transistor technology such as HEMT GaN and the use of high efficiency functioning class such as commutation classes. Commutation classes making use of harmonic tones of the complex signal of the amplifier at compression, non- linear characterization is required. Such characterization already available for CW and periodic pulse signal. However periodic pulse only provide an approximation of the actual radar pulse train the amplifier will be submitted to, overlooking effects cause by the pulse train. This affect especially on HEMT GaN which is prone to thermal and memory effects. This work propose a new measurement technique relying on a developed mixer based NVNA prototype able to measure three frequencies simultaneously, allowing the non linear characterization of a power amplifier in actual non periodic radar pulse train. The instrument was validated in CW and periodic pulse condition using commercially available NVNA and a LSNA. The measurement technique, optimized in this work to be performed up to 12GHz, allowed to see effects caused by the radar pulse train on a power amplifier performance while recording all three tones at best signal to noise ratio available thanks to the instrument architecture.

Στην εργασία αυτή περιγράφεται η διαδικασία σχεδίασης ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου, ο οποίος αποτελεί το πιο κρίσιμο κομμάτι ενός δέκτη υψηλών συχνοτήτων όσον αφορά τη θορυβική συμπεριφορά. Η μέθοδος εφαρμόζεται στη σχεδίαση ενός ενισχυτή χαμηλού θορύβου στη συχνότητα των 1.42 GHz, ο οποίος θα αποτελέσει το πρώτο στάδιο του δέκτη ενός ραδιοτηλεσκόπιου. Τέλος σχεδιάζεται η πλακέτα πάνω στην οποία υλοποιείται ο ενισχυτής και παρουσιάζονται τεχνικές μέτρησης πολύ χαμηλού θορύβου. / In this thesis a methodology for the design of a Low Noise Amplifier is described. This amplifier consists the most critical part of a Radio Frequency receiver regarding the noise performance. The method is applied to the design of a low noise amplifier at the frequency of 1.42GHz, which will be the first stage of a radio telescope receiver. At the end, the printed circuit board of the amplifier is designed and very low noise measurement techniques are presented.

Στη διπλωματική αυτή εργασία περιγράφεται η σχεδίαση και η υλοποίηση σε πλακέτα (PCB) ενός Ultra Wideband Low Noise Amplifier (UW-LNA) με περιοχή λειτουργίας 3.1- 10.6 GHz. Ο ενισχυτής αυτός αποτελεί το σημαντικότερο κομμάτι ενός δέκτη σε ό,τι α- φορά τη θορυβική συμπεριφορά του τελευταίου. / In this diploma thesis we designed an Ultra Wideband Low Noise Amplifier (UW-LNA), operating in the band of frequencies between 3.1-10.6 GHz. The LNA has also been implemented on a PCB. The LNA is the most important component of a receiver as far as the noise behavior is concerned.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία ασχοληθήκαμε με την μελέτη, ανάλυση και εξομοίωση του πιο διαδεδομένου αναλογικού κυκλώματος, του Τελεστικού Ενισχυτή. Αρχικά επιχειρήθηκε μια ανάλυση της επιμέρους δομής ενός Τ.Ε, ενώ παράλληλα γίνεται μια παρουσίαση κάποιων βασικών αναλογικών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται στον σχεδιασμό του. Ακολούθως επεξηγούνται οι βασικές καθώς και οι προηγμένες επιδόσεις και τεχνικά χαρακτηριστικά του Τ.Ε και δίνονται παραδείγματα για την διασαφήνιση των φαινομένων που τις επηρεάζουν καθώς και των τεχνικών βελτίωσής τους. Σε όλες τις εξομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν EDA (Electronic design automation) tools και η όλη προσέγγιση γίνεται με την χρήση της CMOS τεχνολογίας. Τέλος, παρουσιάζονται οι κατευθύνσεις που τείνει να ακολουθεί σήμερα η τεχνολογία των Τ.Ε. καθώς και θέματα που απασχολούν ή και πρόκειται να απασχολήσουν και στο μέλλον τους σχεδιαστές. / In this Diploma Thesis, I studied, analyzed and simulated today’s most widely used analog circuit block, the Operational Amplifier. In the beginning an analysis of the basic OpAmp structure is presented and various analog circuits that are commonly used during the design process of an OpAmp are described. Then, basic as well as more advanced technical characteristics of the OpΑmp are explained and simulation results are presented to illustrate the phenomena and the parameters that affect the performance of the OpAmp. In simulations EDA (Electronic design automation) tools were used and the whole approach was made with the use of CMOS technology. Concluding, technology trends and issues that designers will face in the future are presented.

Η παρούσα διπλωματική αποτελείται από μια σειρά από projects συστημάτων επεξεργασίας ηχητικού σήματος, με κύριο προσανατολισμό το ηχητικό σήμα της ηλεκτρικής κιθάρας. Πολλά από τα ακόλουθα projects είναι βασισμένα σε ήδη υπάρχοντα κυκλώματα που κυκλοφορούν στο εμπόριο και έχουν τροποποιηθεί έτσι ώστε να έχουν βελτιωμένη απόδοση (λιγότερος θόρυβος, μικρότερη κατανάλωση ισχύος) και να έχουν καλύτερη ηχητική απόκριση (σύμφωνα με τα δικά μας -υποκειμενικά- κριτήρια). Τα πρώτα projects ως ενεργά στοιχεία χρησιμοποιούν είτε διακριτά τρανζίστορ και διόδους, είτε ολοκληρωμένα κυκλώματα τρανζίστορ-διόδων. Τα δύο τελευταία χρησιμοποιούν τριοδικές και πεντοδικές λυχνίες κενού. Με αυτόν τον τρόπο έχει επιτευχθεί και μια κλιμακούμενη αύξηση της δυσκολίας των projects. / --

Le principal objectif de ce travail est la caractérisation et la modélisation d’un nouveau composant le MASMOS conçu et breveté par la société ACCO. Cette nouvelle structure répond au problème des faibles tensions de claquage inhérent à la technologie CMOS. Le premier chapitre décrit les deux transistors composant la structure MASMOS et son comportement en fonction des tensions de commande. Par la suite, les étapes clefs nécessaires au développement de modèles non-linéaires sont décrites. Enfin, les paramètres évaluant les performances des amplificateurs de puissances RF sont détaillés, ainsi que les critères de linéarité. Le second chapitre concerne la modélisation de deux MASMOS de tailles différentes. Après avoir mené les caractérisations nécessaires au développement des deux modèles, la méthodologie d’extraction des paramètres du modèle électrique est expliquée. La détermination des impédances de charges optimales à présenter aux dispositifs est effectuée à travers des simulations puis les modèles sont validés à travers des caractérisations CW pour différentes impédances de charge. Le dernier chapitre a pour objectif l’étude de la linéarité des MASMOS à l’aide de différents bancs de mesures. Un signal de test générique constitué de 8 porteuses nonéquidistantes permettant un non recouvrement de fréquence est utilisé pour déterminer le NPR dans la bande utile. Pour terminer, la caractérisation en linéarité de structures MASMOS pré-adaptées est effectuée à l’aide de signaux modulés 16-QAM et LTE. / The main objective of this work is the characterization and modeling of a new component named MASMOS designed and patented by ACCO company. This new structure overcomes the issue concerning the inherent low breakdown voltage of CMOS technology. The first chapter describes the two stacked transistors included in the MASMOS structure and its behavior with respect to the control voltages. Thereafter, the key steps required to develop the non-linear model have been detailed. Finally, the parameters used to characterize the power amplifiers performances are defined as well as the linearity criterion. The second chapter concerns the MASMOS electrical model, done for two different size. Model extraction is explained starting from the mandatory device characterization. Device optimal load impedances are estimated thanks to load-pull simulations. Furthermore, the CAD-compatible models are validated in large signal operation using CW characterizations for several load impedances. Last chapter is dedicated to the MASMOS linearity assessment using two different measurement set up. A generic test signal consisting in 8 non equidistant carriers, allowing non-frequency overlap is used to determine the NPR in-band. Then characterization of the linearity of pre-matched MASMOS was carried out using a 16-QAM modulation and also LTE signals.

Le travail présenté dans ce manuscrit a pour objet l’étude et le développement d’un banc de caractérisation généraliste appliqué à l’extraction du modèle comportemental d’amplificateur TPM-NIM (Two-Path Memory Nonlinear Integral). Ce modèle qui dispose d’une des architectures les plus abouties au laboratoire XLIM requiert une instrumentation microonde haut de gamme, très onéreuse, hors de portée de la majorité des concepteurs pour sa mise en œuvre expérimentale. L’objectif est donc de proposer des principes de mesure originaux permettant d’identifier le modèle TPM-NIM avec une instrumentation standard. Dans ces travaux, deux bancs sont présentés : tout d’abord, un banc de caractérisation développé autour d’une instrumentation de pointe disposant des meilleures propriétés pour extraire le modèle. Puis, un banc construit autour d’une instrumentation standard mais incluant des méthodes de traitement et de mesure novatrices. Ces deux bancs ont été utilisés avec plusieurs véhicules de tests et il ressort que le second permet de diminuer le bruit des mesures de phase tout en réduisant le coût total des équipements. Enfin, une dernière partie est consacrée à la comparaison du modèle TPM-NIM avec deux modèles comportementaux classiques mettant en avant sa polyvalence. / The work presented in this manuscript is devoted to the study and development of a general characterization bench applied to the extraction of the TPM-NIM (Two-Path Memory Nonlinear Integral) amplifier behavioral model. This model, has one of the most advanced architectures at the XLIM laboratory. It requires a high-end microwave instrumentation, overpriced and beyond reach for most of the designers for its experimental implementation. The aim is to propose some original measurements principles allowing the TPM-NIM model’s identification with a standard instrumentation. Two benches are presented in these works : firstly, a characterization bench, developed using a high performance instrumentation with the best properties to extract the model. Then, a bench, built with a standard instrumentation but through innovative processing and measurement methods. These two benches have been used with several test vehicles and it appears that the second one decreases the noise of phase measurements while reducing the equipment’s total cost. Finally, a last part is dedicated to the comparison of the TPM-NIM model with two classic behavioral models by emphasizing its versatility.