During a survey of black cotton soil zones of Karnataka, indigenously stabilized black cotton soil deposits were encountered in Belgaum, Bijapur, Bagalkot and Gadag Districts of Karnataka. These modified black cotton soils have low swelling and negligible shrinkage tendencies. Owing to their low volume change potential on moisture content changes, these soils are widely preferred in earth construction activities. The exact origin of these modified black cotton soil deposits is not known. According to anecdotal references, these soils were prepared by mixing unknown proportions of wood ash, organic matter and black cotton soil and allowing them to age for unknown periods of time. As wood-ash was apparently used in their preparation, these modified black cotton soils are referred to as ash-modified soils (AMS) in the thesis. The practice of preparing ash-modified soils is no longer pursued in black cotton soil regions of Karnataka and the available supply of this indigenously stabilized soil is being fast depleted. Also, attempts have not been made to characterize the physico-chemical and engineering properties of AMS deposits of Karnataka. Given the widespread utilization of ash-modified soils in black cotton soil areas of Karnataka, there is a need to understand their physico-chemical and engineering behaviour and the physico-chemical mechanisms responsible for their chemical modification. Swelling and shrinkage of expansive soil deposits are cyclic in nature due to periodic climatic changes. Chemically stabilized black cotton soil deposits are also expected to experience cyclic wetting and drying due to seasonal climatic changes. The impact of cyclic wetting and drying on the swelling behaviour of natural expansive soils is well-documented. However, the impact of alternate wetting and drying on the swelling behaviour of admixture stabilized expansive soils (these include natural - ash-modified soils and laboratory - lime stabilized black cotton soils) has not been examined. Such a study would be helpful to assess the long term behaviour of admixture stabilized soils in field situations. To achieve the above objectives, experiments are performed that study: 1.The physico-chemical and engineering properties of ash-modified soils from different Districts of Karnataka. The physico-chemical and engineering properties of natural black cotton soil (BCS) specimens from locations adjacent to ash-modified soil deposits are also examined to understand and evaluate the changes in the engineering characteristics of the ash-modified soils due to addition of admixtures. 2. Identify the physico-chemical mechanisms responsible for the chemical stabilizationof ash-modified soils. 3.The influence of cyclic wetting and drying on the wetting induced volume changebehaviour of admixture stabilized black cotton soils, namely, ash-modified blackcotton soils and lime stabilized black cotton soils.

Nous proposons un modèle compact du transistor MOS double-grille silicium sur isolant (SOI) en mode de fonctionnement symétrique. Le modèle est basé sur le formalisme EKV et offre les caractéristiques suivantes : une expression analytique simple décrivant le comportement statique et dynamique du dispositif, des relations « directes » entre charges–tensions et tensions–courant, une méthode de calcul numérique robuste et rapide, une implémentation aisée du modèle dans un langage de haut niveau tel que VHDL-AMS permettant ainsi une simulation rapide et précise des caractéristiques électriques.<br />Le modèle prend en compte non seulement les effets de petites géométries tels que l'abaissement de la barrière de potentiel induit par le drain, le partage de charge, la dégradation de la pente sous le seuil ainsi que la réduction de la mobilité des porteurs, mais également les effets dynamiques extrinsèques.<br />Il a été validé pour des dispositifs de longueur de canal de 60nm. Sa validation a été effectuée par comparaison de ses résultats avec ceux obtenus sur le simulateur de composants Atlas/SILVACO.

AMS est un détecteur de particules qui sera embarqué à bord de la Station Spatiale Internationale début 2008. Avec son trajectomètre en silicium et son calorimètre électromagnétique, il pourra détecter les photons entre 1 GeV et 300 GeV. <br />Dans la première partie de cette thèse, nous donnons les résultats obtenus lors de l'analyse des données d'un test sur faisceau du calorimètre électromagnétique. A l'aide d'un logiciel de simulation rapide, nous évaluons les capacités de détection d'AMS en gamma. Nous donnons des prédictions de flux pour différents types de sources astrophysiques et pour un halo de matière noire supersymétrique au centre galactique.<br />HETE-2 est un satellite actuellement en fonctionnement qui est conçu pour détecter et localiser les sursauts gamma. Du fait des énergies mises en jeu, ce type de source pourrait être utilisé pour tester des domaines de la physiques inaccessibles aux accélérateurs. <br />Dans la deuxième partie de la thèse, nous étudions les courbes de lumières de douze sursauts gamma observés par le détecteur FREGATE à bord d'HETE-2 et pour lesquels une mesure du redshift est disponible. En étudiant les écarts temporels entre des photons de différentes énergies, nous pouvons déterminer une limite inférieure sur l'échelle de gravitation quantique de Eqg > 10^15 GeV.

Le rayonnement cosmique galactique nucléaire est composé de noyaux de différentes espèces et ses sources sont encore mal identifiées. Cette méconnaissance est en partie due au caractère diffusif de la propagation des noyaux dans les champs magnétiques dont la composante turbulente supprime toute information sur la position des sources. Dans le rayonnement cosmique, on distingue les noyaux pri- maires qui sont principalement créés puis accélérés près de leurs sources des noyaux secondaires, uniquement créés par spallation des primaires plus lourds. La mesure des rapports d'abondance se- condaire sur primaire permet d'étudier les processus de propagation et donc de remonter aux méca- nisme sources du rayonnement cosmique. Cette étude apporte de plus une meilleure compréhension de l'environnement astrophysique galactique. Ce travail nécessite une très bonne connaissance des sections efficaces d'interaction du rayonnement cosmique dans le milieu interstellaire qui régissent la modification des abondances lors de la propagation. La première partie de cette thèse est dédiée à la contrainte des paramètres de propagation du rayonnement cosmique galactique via l'étude des abondances des éléments du quartet (1H,2H,3He,4He). À partir d'une nouvelle estimation des sections efficaces, une analyse statistique a permis de démontrer le potentiel de ces éléments pour contraindre les modèles de propagation du rayonnement cosmique. Ces contraintes restent cependant limitées par la précision statistique des mesures actuelles et justifient la mise en œuvre de nouvelles expériences. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à la mesure des abondances avec l'expérience CREAM, une expérience embarquée en ballon. Cette mesure nécessite l'identification des éléments dans le dé- tecteur, le calcul des efficacités des sous-détecteurs, la déconvolution des effets dus aux erreurs sur la mesure de l'énergie ainsi que la prise en compte des effets atmosphériques. Cette analyse des données du 3ième vol de CREAM a permis une estimation des abondances des éléments bore, carbone, azote et oxygène.

Les réseaux de capteurs communiquant sans fil offrent des possibilités extrêmement intéressantes pour l'application de surveillance de santé de structures, et particulièrement dans le secteur aéronautique. Cependant les capteurs qui constituent chaque noeud du réseau ne disposent pas de ressources énergétiques permanentes et leur autonomie énergétique sur de longues périodes est un problème. Avec la réduction de la consommation des composants électroniques et des capteurs, une solution possible et explorée depuis une dizaine d'années par nombreuses équipes consiste à récupérer l'énergie disponible dans son environnement, de la stocker et la gérer pour alimenter le capteur. Nous proposons dans cette thèse d'exploiter le potentiel énergétique des vibrations mécaniques d'une structure aéronautique pour alimenter un capteur de surveillance de santé de structure aéronautique. Notre contribution porte sur la conception et l'intégration sur silicium d'un générateur piézoélectrique miniature et d'un micro dispositif de stockage capacitif. Concernant le générateur piézoélectrique, l'élaboration d'un modèle à éléments finis (COMSOL) couplées avec une description SPICE du circuit de charge, a permis de concevoir - une structure optimisée consistant en 4 poutres monomorphes (Si/PZT) capable de générer des puissance électrique > ?W et des tension > V en dépit de puissance mécaniques incidentes faibles : vibrations de 0,1g-0,5g @40-80 Hz. Ce dispositif a ensuite été réalisé sur silicium à l'aide de technologies MEMS et de l'usinage laser femtoseconde. Le dispositif de stockage conçu et intégré sur silicium est un condensateur à double couche électrochimique. Les différentes briques technologiques développées concernent l'optimisation des géométries d'électrodes, le dépôt de la matière active et l'encapsulation hermétique de l'électrolyte organique en atmosphère anhydre. Un modèle VHDL-AMS des deux éléments (récupérateur et stockage) réalisés est proposé et une simulation du systè me sur un cas d'utilisation simple est comparée à l'expérience.

La réglementation mondiale, pour des appareils de courte portée, permet l’utilisation sans licence de plusieurs Gigahertz de bande autour de 60 GHz. La bande des 60 GHz répond aux besoins des applications telles que les réseaux de capteurs très haut débit autonome en énergie,ou les transmissions à plusieurs Gbit/s avec des contraintes de consommation d’énergie. Il y a encore peu de temps, les interfaces radios fonctionnant dans la bande millimétrique n’étaient réalisables qu’en utilisant des technologies III-V couteuses. Aujourd’hui, les avancées des technologies CMOS nanométriques permettent la conception et la production en masse des circuits intégrées radiofréquences (RFIC) à faible coût.Cette thèse s’inscrit dans des travaux de recherches dédiés à la réalisation d’un système dans un boîtier (SiP, System in Package) à 60 GHz contenant à la fois l’interface radio (bande de base et circuits RF) ainsi qu’un réseau d’antennes. La première partie de cette thèse est dédiée la conception de la tête RF de l’émetteur-récepteur à faible consommation pour l’interface radio. Les blocs clefs de cette tête RF (amplificateurs, mélangeurs et un oscillateur commandé en tension) sont conçus, réalisés et mesurés en utilisant la technologie CMOS 65 nm de ST Microelectronics. Des éléments actifs et passifs sont développés spécifiquement pour l’utilisation au sein de ces blocs. Une étape importante vers l’intégration de la tête RF complète de l’émetteur-récepteur est l’assemblage de ces blocs de base afin de réaliser une puce émetteur et une puce récepteur. A ce but, une tête RF pour le récepteur a été réalisée. Ce circuit présent une consommation et un encombrement plus réduit que l’état de l’art.La deuxième partie de cette thèse présente le développement des modèles comportementaux des blocs de base conçus. Ces modèles au niveau système sont nécessaires afin de simuler le comportement du SIP, qui devient trop complexe si des modèles détaillés du niveau circuitsont utilisés. Dans cette thèse, une nouvelle technique modélisant le comportement en régime transitoire et régime permanent ainsi que le bruit de phase des oscillateurs commandés en tension est proposée. Ce modèle est implémenté dans le langage de description de matérielVHDL-AMS. La technique proposée utilise des réseaux de neurones artificiels pour approximer la caractéristique non linéaire du circuit. La dynamique est décrite dans l’espace d’état. Grâce à ce modèle, il est possible de réduire d’une façon drastique le temps de calcul des simulations système tout en conservant une excellente précision / Worldwide regulations for short range communication devices allow the unlicensed use of several Gigahertz of bandwidth in the frequency band around 60GHz. This 60GHz band is ideally suited for applications like very high data rate, energy-autonomous wireless sensor networks or Gbit/s multimedia links with low power constraints. Not long ago, radio interfaces that operate in the millimeter-wave frequency range could only be realized using expensive compound semiconductor technologies. Today, the latest sub-micron CMOS technologies can be used to design 60GHz radio frequency integrated circuits (RFICs)at very low cost in mass production. This thesis is part of an effort to realize a low power System in Package (SiP) including both the radio interface (with baseband and RF circuitry) and an antenna array to directly transmit and receive a 60GHz signal. The first part of this thesis deals with the design of the low power RF transceiver front-end for the radio interface. The key building blocks of this RF front-end (amplifiers, mixers and a voltage controlled oscillator (VCO)) are designed, realized and measured using the 65nm CMOS technology of ST Microelectronics. Full custom active and passive devices are developed for the use within these building blocks. An important step towards the full integration of the RF transceiver front-end is the assembly of these building blocks to form basic transmitter and receiver chips. Circuits with small chip size and low power consumption compared to the state of the art have been accomplished.The second part of this thesis concerns the development of behavioral models for the designed building blocks. These system level models are necessary to simulate the behavior of the entire SiP, which becomes too complex when using detailed circuit level models. In particular, a novel technique to model the transient, steady state and phase noise behavior of the VCO in the hardware description language VHDL-AMS is proposed and implemented. The model uses a state space description to describe the dynamic behavior of the VCO. Its nonlinearity is approximated by artificial neural networks. A drastic reduction of simulation time with respect to the circuit level model has been achieved, while at the same time maintaining a very high level of accuracy

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The conventional approach to validate the analog and mixed signal designs utilizes extensive SPICE-level simulations. The main challenge in this approach is to know when all important corner cases have been simulated. An alternate approach is to use the formal verification techniques. Formal verification techniques have gained wide spread popularity in the digital design domain; but in case of analog and mixed signal designs, a large number of test scenarios need to be designed to generate sufficient simulation traces to test out all the specified system behaviours. Analog and mixed signal designs can be formally modeled as hybrid systems and therefore techniques used for formal analysis and verification of hybrid systems can be applied to the analog and mixed signal designs. Generally, formal verification tools for hybrid systems work at the abstract level where we model the systems in terms of differential equations or algebraic equations. However the analog and mixed signal system designers are very comfortable in designing the circuits at the transistor level. To bridge the gap between abstraction level verification and the designs validation which has been implemented at the transistor level, the very important issue we need to address is: Can we formally verify the circuits at the transistor level itself? For this we have proposed a framework for doing the formal verification of analog and mixed signal designs using SPICE simulation traces in one of the hybrid systems formal verification tools (i.e. Checkmate from CMU). An extension to a formal verification approach of hybrid systems is proposed to verify analog and mixed signal (AMS) designs. AMS designs can be formally modeled as hybrid systems and therefore lend themselves to the formal analysis and verification techniques applied to hybrid systems. The proposed approach employs simulation traces obtained from an actual design implementation of AMS circuit blocks (for example, in the form of SPICE netlists) to carry out formal analysis and verification. This enables the same platform used for formally validating an abstract model of an AMS design to be also used for validating its different refinements and design implementation, thereby providing a simple route to formal verification at different levels of implementation. Our approach has been illustrated through the case studies using simulation traces form the different frameworks i.e. Simulink/Stateflow framework and the SPICE simulation traces. We demonstrate the feasibility of our approach around the Checkmate and the case studies for hybrid systems and the analog and mixed signal designs.

The dissertation deals with simulations of the DC-DC converters in their basic configurations (Buck, Boost, Buck-boost, Cuk, SEPIC). In the first part of the thesis derivation of transfer functions Line-to-Output (LTO) and Control-To-Output (CTO) can be found. These symbolic responses are derived for three types of basic converters (Buck, Boost, Buck-boost) using well-known average model [1]. Derived expressions are very complicated. For reduction of these expressions symbolic approximation method was used, however the generality is lost. The average model was used to for decreasing the computational effort of analysis of DC-DC converters in the time domain. For these simulations VHDL-AMS language was used. The main topic of the thesis is harmonic balance method, which was adapted to DC-DC converters. Because conditions and assumptions for LTO and CTO functions are very different, harmonic balance method was derived into two variants. For obtaining of LTO response, duty cycle of switching signal can be considered as constant in time. Spectrum of this signal is simple as follows from well-known sinc function. For obtaining of CTO response PWM modulation must be used. Compared to sinc function spectrum of PWM modulation is richer (contains more combination frequencies). Many types of PWM modulation is described in [31]. For simulation PWM modulation with uniform sampling in two variants (single and double edge) was used. Non-ideal switching of PWM switch was modeled by PWM pulse with defined slew rate. Last section deals with comparison of all derived functions (LTO, CTO, modulation type, defined slew rate) with well-known averaged model.

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