Cette thèse porte sur la conception d’un amplificateur de puissance à haut rendement entrant dans une architecture d’émission pour des terminaux mobiles multi-radio fonctionnant dans la bande de fréquences 800MHz – 6 GHz. Une architecture polaire avec codeur d’enveloppe ΣΔ a été validée, pour un fonctionnement multiradio, avec un signal test respectant la norme actuellement la plus contraignante, WiMAX mobile – IEEE 802.16e. Cette validation montre la pertinence, du fait de la nature invariante en amplitude du signal issu de l’architecture, d’avoir recours à un amplificateur à haut rendement en classe commutée. Une topologie novatrice d’amplificateur de puissance (PA) a été développée pour la conception et la fabrication de ce circuit. Le procédé de réalisation du PA en technologie ST CMOS SOI 130 nm est détaillé et les simulations sont validées par une caractérisation complète du PA à l’aide de mesures fréquentielles et temporelles. Mesuré avec un signal sinusoïdal à la fréquence de 3,3 GHz, le PA permet d’obtenir une puissance de sortie de +23 dBm avec un rendement en puissance ajoutée de 61% et un gain en puissance de 14 dB. Conçu et réalisé en technologie compatible CMOS, ce PA permet d’envisager une solution type SoC pour l’ensemble de l’architecture / Evolution on demand for circuits for mobile radio transceivers pushes semiconductors industry to increasing integration levels. These constraints, added to those generated by the growing number of current and future generation wireless transmission systems that must coexist into a handheld device have turned multi-standard systems solution obsolete ; parallelizing functional blocs is no more an efficient solution. Reconfigurable multi-radio concept is a major evolution of last systems, offering high power consumption and circuit surface efficiency. This manuscript resumes our research work on multi-radio mobile emitter architectures for the frequency band going from 800 to 6000 MHz and the power amplifier associated with it. A polar architecture which includes a ΣΔ envelope modulator had been validated for multiradio design using à test signal synthesized under the most stringent of current wireless standards; IEEE 802.16e – mobile WiMAX. Validation shows pertinence, up to the non variable amplitude nature of the signal issued of the architecture, of employing a non linear and high efficient power amplifier. An innovative power amplifier topology has been adopted for its design and realization. PA design and realization procedure using 130 nm ST CMOS SOI process has been detailed and validated under PLS simulations and a complete characterization of the PA by frequency and temporal measurements. Characterized under à sine continuous waveform of frequency 3.7 GHz, the PA output power level reaches +23 dBm with a power added efficiency of 61% and a power gain of 14 dB. Designed and realized on fully CMOS compatible technology, this PA facilitates future SoC solutions for architecture plus PA circuits

Le futur réseau mobile 5G est prévu pour être déployé à partir de 2020, dans un contexte d’évolution exponentielle du marché de la téléphonie mobile et du volume de données échangées. La 5G servira de levier à des applications révolutionnaires qui permettront l’émergence du monde connecté. Dans ce but, plusieurs spécifications pour le réseau sont attendues même si aucun standard n’est encore défini et notamment une faible latence, une consommation d’énergie réduite et un haut débit de données. Les bandes de fréquences traditionnellement utilisées dans les réseaux mobiles ne permettront pas d’atteindre les performances visées et plusieurs bandes de fréquences millimétriques sont à l’étude pour créer un spectre complémentaire. Cependant, ces bandes de fréquence millimétriques souffrent d’une forte atténuation dans l’air et dans les matériaux de construction. Plusieurs techniques vont être implémentées pour outrepasser ces limitations dans les zones urbaines denses comme le backhauling, FD-MIMO et beamforming phased array. Ces techniques entraînent l’utilisation d’un grand nombre de transmetteurs dans les stations de bases et dans les dispositifs de l’utilisateur final. La technologie CMOS offre d’indéniables avantages pour ce marché de masse tandis que la technologie FD-SOI offre des performances et fonctionnalités additionnelles. L’amplificateur de puissance est le bloc le plus critique à concevoir dans un transmetteur et consomme le plus d’énergie. Afin d’adresser les challenges de la 5G, plusieurs spécifications concernant la puissance consommée, la linéarité et le rendement sont attendues. Les variations de l’environnement dans les beamforming phased array et le contexte industriel nécessitent des topologies robustes alors qu’une reconfigurabilité au niveau de l’amplificateur de puissance est bénéfique dans le cas de circuits adaptatifs. Cette thèse adresse ces challenges en explorant la conception d’un amplificateur de puissance reconfigurable et robuste pour des applications 5G en intégrant des techniques de design spécifiques et en mettant en avant les avantages de la technologie 28nm FD-SOI pour la reconfigurabilité. / The 5G future mobile network is planned to be deployed from 2020, in a context of exponential mobile market and exchanged data volume evolution. The 5G will leverage revolutionary applications for the advent of the connected world. For this purpose, several network specifications are expected notably low latency, reduced power consumption and high data-rates even if no standard is yet defined. The frequency bands traditionally used for mobile networks will not permit the needed performances and several mmW frequency bands are under study to create a complementary frequency spectrum. However, these mmW frequency bands suffer from large attenuation inbuilding material and in free-space. Therefore, several techniques will be implemented to tackle these limitations indense urban areas like backhauling, FD-MIMO and beamforming phased array. This is leading to a large number of transceivers for base stations and end-user devices. CMOS technology offers undeniable advantages for this mass market while FD-SOI technology offers additional features and performances. The power amplifier is the most critical block to design in a transceiver and is also the most power consuming. To address the 5G challenges, several specifications concerning power consumption, linearity and efficiency are expected. The environment variations inbeamforming phased array and the industrial context drive the need for robust topologies while power amplifier reconfigurability is benefic in a context of adaptive circuits. This thesis addresses these challenges by exploring the conception of a robust and reconfigurable power amplifier targeting 5G applications while integrating specific design techniques and taking advantage of 28nm FD-SOI CMOS technology features for reconfigurability purposes.

La pénétration importante d’objets communicants dans notre vie quotidienne révèle des défis important quant à leur développement. Notamment l’explosion d'applications multimédia sans fil pour l'électronique grand public fait de la consommation électrique une métrique clef dans la conception des dispositifs portables multimodes sans fil. Les émetteurs-récepteurs conventionnels proposent des performances fixes et sont conçus pour respecter ces hautes performances dans toutes les conditions de communication sans fil. Cependant, la plupart du temps, le canal n'est pas dans le pire cas de communication et ces émetteurs-récepteurs sont donc surdimensionnés. En connaissant l’état du canal en temps réel, de tels dispositifs pourraient s'adapter aux besoins et réduire significativement leur consommation électrique. Le défi consiste à respecter la Qualité de Service , ou Quality of Service (QoS) en anglais, imposée par les différents standards de communication. Afin de rester compétitifs, les émetteurs-récepteurs adaptatifs doivent donc proposer une même QoS que ceux déjà disponibles sur le marché. Ainsi, ni la portée de communication ni le temps de réponse ne peuvent être dégradés.Basé sur ces exigences, cette thèse propose une technique d'adaptation pour la conception d'un récepteur reconfigurable qui fonctionne à la limite des performances nécessaires pour recevoir le signal utile. Ainsi, le récepteur proposé est toujours au minimum de consommation électrique tout en garantissant la bonne QoS. Ceci permet alors de multiplier la durée de vie de sa batterie par un facteur 5.Cette adaptabilité est démontrée ensuite côté circuit par la conception d'un LNA (Amplificateur Faible Bruit) dont les performances sont reconfigurables. En effet, en tant que premier élément de la chaîne de réception, le LNA limite le récepteur en termes de sensibilité. Ces travaux exploitent la technologie FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) pour d’une part, réduire la consommation du LNA et d’autre part, ajouter de la reconfigurabilité à ce même circuit. / Communicating objects are inviting themselves into daily life leading to digitization of the physical world. This explosion of multimedia wireless applications for consumer electronics makes the power consumption a key metric in the design of multi-mode wireless portable devices. Conventional transceivers have fixed performances and are designed to meet high performances in all wireless link conditions. However, most of the time, the channel of communication is not at worst case and these transceivers are therefore over specified. Being aware of the channel link conditions would allow such devices to adapt themselves and to reduce significantly their power consumption. Therefore, the challenge is to propose a QoS (Quality of Service) in terms of communication range, response time as instance, equivalent to industrial modules with a reduced overall power consumption.To address this purpose, this thesis proposes a design strategy for the implementation of adaptive radio-frequency receiver (Rx) modules. Hence the Rx front end achieves the correct QoS for various scenarii of communications with a minimum of power consumption.As a proof of concept, the adaptive approach is demonstrated with the design of a tunable LNA (Low Noise Amplifier). As the first element of the receiver chain, the LNA limits the receiver in terms of sensitivity and is therefore a good candidate to perform reconfiguration. The body biasing of the FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) technology is first exploited to reduce the power consumption of a circuit and then as an opportunity to perform circuit tunability.

Ce travail porte sur l’étude et la réalisation d’une cellule d’allumage laser pour turbomoteurs. Une étude bibliographique nous a permis d’identifier les caractéristiques nécessaires : des impulsions nanosecondes d’au moins 10mJ. La spécificité de l’application impose de nombreuses contraintes qui ont influencé le choix d’une architecture avec deux étages amplificateurs : un amplificateur fibré suivi d’un amplificateur à base de fibre cristalline. Nous avons développé un code permettant de simuler l’amplification d’une impulsion nanoseconde dans ces milieux et ainsi déterminé les caractéristiques techniquesoptimales de chaque étage amplificateur. Ces résultats ont permis la réalisation d’une chaîne d’allumage et sa caractérisation. Une étude particulière del’amplificateur fibré a permis de maîtriser l’apparition d’effets non-linéaires limitants. Finalement, nous démontrons le potentiel de notre solution laserpar plusieurs campagnes d’allumage sur différents bancs moteurs. / This work deals with the design and the construction of a laser ignitionsystem for turbine engines. A review of the dedicated literature allowed us toidentify the required characteristics : nanosecond pulses with at least 10 mJ ofenergy. Our specific application imposes numerous constraints which directlyinfluenced our choice of two amplifier stages : a fiber amplifier followed by acrystalline-fiber based amplifier. We developped a simulation describing theamplification of nanosecond pulses through these two medias and thus de-termined the optimal technical characteristics of each amplifier stage. Theseresults lead to the realization of an laser ignition system that we completelycharacterised. A specific study of the fiber amplifier allowed us to understandand control the appearance of non-linear limiting phenomena. Eventually, wedemonstrate the capabilities of our solution by several laser-ignition field stu-dies.

Les travaux de cette thèse sont axés sur le durcissement à la dose cumulée des circuits analogiques associés aux systèmes électroniques embarqués sur des véhicules spatiaux, satellites ou sondes. Ces types de circuits sont réputés pour être relativement sensibles à la dose cumulée, parfois dès quelques krad, souvent en raison de l’intégration d’éléments bipolaires. Les nouvelles technologies CMOS montrent par leur intégration de plus en plus poussée, un durcissement naturel à cette dose. L’approche de durcissement proposée ici, repose sur un durcissement par la conception d’une technologie commerciale « full CMOS » du fondeur ST Microelectronics, appelée HCMOS9A. Cette approche permet d’assurer la portabilité des méthodes de durcissement proposées d’une technologie à une autre et de rendre ainsi accessible les nouvelles technologies aux systèmes spatiaux. De plus, cette approche de durcissement permet de faire face aux coûts croissants de développement et d’accès aux technologies durcies. Une première technique de durcissement à la dose cumulée est appliquée à une tension de référence « full CMOS ». Elle ne fait intervenir ni jonction p-n parasites ni précautions delay out particulières mais la soustraction de deux tensions de seuil qui annulent leurs effets à la dose cumulée entre elles. Si les technologies commerciales avancées sont de plus en plus utilisées pour des applications spécialement durcies, ces dernières exhibent en contrepartie de plus grands offsets que les technologies bipolaires. Cela peut affecter les performances des systèmes. La seconde technique étudiée : l’auto zéro, est une solution efficace pour réduire les dérives complexes dues entre autres à la température, de l’offset d’entrée des amplificateurs opérationnels. Le but ici est de prouver que cette technique peut tout aussi bien contrebalancer les dérives de l’offset dues à la dose cumulée. / The purpose of this thesis work is to investigate circuit design techniques to improve the robustness to Total Ionizing Dose (TID) of analog circuits within electronic systems embedded in space probes, satellites and vehicles. Such circuits often contain bipolartransistor components which are quite sensitive to cumulated radiation dose. However highly integrated CMOS technology has been shown to exhibit better natural TDI hardening.The approach proposed here is a hardening by design using a full CMOS semiconductor technology commercially available from ST Microelectronics calledHCMOS9A. The proposed generic hardening design methods will be seen to be compatibleand applicable to other existing or future process technologies. Furthermore this approach addresses the issue of ever-increasing development cost and access to hardened technologies.The first TID hardening technique proposed is applied to a full-CMOS voltage reference. This technique does not involve p-n junctions nor any particular layout precaution but instead is based on the subtraction of two different threshold voltages which allows the cancellation of TDI effects. While the use of advanced commercial CMOS technologies for specific radiation hardened applications is becoming more common, these technologies suffer from larger inputoffs et voltage drift than their bipolar transistor counterparts, which can impact system performance. The second technique studied is that of auto-zeroing, which is an efficient method to reduce the complex offset voltage drift mechanisms of operational amplifiers due to temperature. The purpose here is to prove that this technique can also cancel input offset voltage drift due to TID.Index term : hardening, cumulated dose, CMOS technology, voltage reference,operational amplifier.

Ces travaux de thèse se concentrent sur la conception d'amplificateur de puissance MMIC large-bande haut rendement en technologie GaN pour des applications militaires de type radar et guerre électronique. Les objectifs principaux sont de proposer des structures innovantes de combinaison de puissance notamment pour réduire la taille des amplificateurs actuels tout en essayant d'améliorer leur rendement dans le même temps. Pour cela, une partie importante de ces travaux consiste au développement de combineurs de puissance ultra compactes et faibles pertes. Une fois ces combineurs réalisés et mesurés, ils sont intégrés dans des amplificateurs de puissance afin de prouver leur fonctionnalité et les avantages qu'ils apportent. Différents types d'amplificateur tant au niveau de l'architecture que desperformances sont réalisés au cours de ces travaux. / This work focus on the design of wideband and high efficiency GaN MMIC high power amplifiers for military applications such as radar and electronic warfare. The main objectives consist in finding innovative power combining structures in order to decrease the overall size of amplifiers and increasing their efficiency at the same time. For these matters, an important part of this work consisted in the design and realization of ultra compact and low loss power combiners. Once the combiners realized and measured, they are integrated into power amplifiers to prove their functionality and the advantages they bring. Several kind of amplifiers have been realized whether regrind their architecture or their performances.

La technologie ultra large bande impulsionnelle améliore la précision des systèmes de localisation en intérieur, en limitant les perturbations potentielles liées aux multi-trajets. Une nouvelle norme, destinée aux situations d’urgence, relève le niveau d’émission de puissance de 20 dB, afin de faciliter la localisation au travers d’obstacles épais et l’intervention des secours. Cette thèse s’est attelée à la conception d’un amplificateur conforme à cette norme. Après un état de l’art des amplificateurs de puissance ultra large bande existants, plusieurs circuits sont conçus : une cellule de puissance pour atteindre les niveaux de puissance requis en sortie, et une cellule pré amplificatrice qui fournit un apport de gain. Enfin, un système d’amplification de puissance à polarisation contrôlée exploitant la nature impulsionnelle du signal est proposé. La limitation de l’activation de l’amplificateur à la seule manifestation d’une impulsion permet de réduire drastiquement l’impact énergétique du PA sur un système de localisation. / The use of impulse radio (IR) ultra-wideband (UWB) technology for indoor localization systems both improves signal accuracy and reduces disturbances from multipath. A new standard for emergency situations requires the design of a higher output power UWB power amplifier (PA) as the usual maximum output power has been raised by 20 dB in order to allow the signal to pass through thick obstacles, thus helping rescue operations. First, a UWB PA state of the art is presented, and the design of both a power cell and a driver cell are detailed, to achieve the required output power level and additional gain, respectively. Finally, a bias controlled amplification system is described, taking advantage of the IR profile of the UWB signal. The PA is activated only for pulse occurrences, reducing drastically its power consumption.

De nos jours, les modules hyperfréquences doivent de plus en plus présenter non seulement des performances électriques sans cesse améliorées mais aussi des fonctionnalités nouvelles ainsi que de fortes compacités, et des coûts de fabrication les plus réduits possibles. Les perspectives attractives apportées par l'utilisation des technologies SiGe permettent aujourd'hui d'envisager la réalisation de circuits intégrés jusqu'aux fréquences millimétriques tandis que, dans le même temps, le développement rapide des technologies MEMS RF permet de réaliser de nouvelles fonctionnalités au niveau des circuits radiofréquences. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un concept d'amplificateur faible bruit reconfigurable en fréquence (HIPERLAN et BLUETOOTH), basé sur l'association des technologies SiGe et MEMS RF. Conception et performances simulées des amplificateurs élaborés à la fois pour une intégration monolithique et une autre par fil de souduresont alors présentées. La deuxième partie est entièrement consacrée à la conception et la réalisation des MEMS RF suivant les spécifications que nous avons établi lors de la première partie. Conception, réalisation et caractérisation des structures MEMS RF sont présentés, pour aboutir à l'obtention de performances situées à l'état de l'art pour des capacités autant séries que parallèles. La dernière partie, traite de l'assemblage entre les deux technologies MEMS et SiGe, avec trois études réalisées sur une intégration monolithique dite « Above IC », un assemblage par fils de soudure et un assemblage Flip Chip. Au final, des modules de test assemblés sont présentés et caractérisés

Les verres à basse énergie de phonons, tels que les verres de fluorozirconates, restent à ce jour des matériaux d'avenir pour leur potentiel en optique active, en particulier pour les systèmes amplificateurs et lasers. Il existe aujourd'hui une demande croissante de systèmes optiques intégrés pour distribuer le haut débit d'informations dans les réseaux métropolitains et locaux des télécommunications. C'est pourquoi des guides planaires ont été réalisés par échange ionique F-/Cl- sur des verres ZBLA (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3) pour l'amplification optique dans la bande C (1530-1560 nm) des télécommunications. Après avoir déterminé précisément les paramètres temps et température pour l'obtention de guides monomodes à 1,55 µm sur guides plans, des guides canalisés ont été obtenus par un processus de photolithographie, adapté aux verres de fluorures, utilisant un masque de silice. Les paramètres opto-géométriques des guides canaux ont été mesurés. Les propriétés spectroscopiques des verres dopés Er3+ ont été étudiées dans le but de déterminer les paramètres clefs de l'amplificateur optique à 1,55 µm. Afin de tirer parti des diodes laser à forte puissance pour le pompage à 980 nm, les codopages Er3+/Ce3+ et Er3+/Yb3+ ont également été étudiés. Les transferts d'énergie dans ces systèmes codopés se sont révélés efficaces. Un gain "on/off" de 3,9 dB/cm a été démontré à 1530 nm dans un guide canalisé monomode codopé Er3+/Ce3+, avec une dépendance linéaire à la puissance de pompe. Les pertes par propagation ont été estimées de l'ordre de 0,3 dB/cm. Ces résultats sont prometteurs et permettent d'envisager un futur développement de ces systèmes amplificateurs. Par ailleurs, des verres massifs ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) dopés Tm3+ ont également été étudiés dans le but d'obtenir une émission laser autour de 1,8 µm. Un rendement de pente a été trouvé égal à η = 8,6 % et le seuil de la puissance de pompe incidente autour de 130 mW, pour un verre dopé 3% Tm3+ l'épaisseur 4 mm, sous excitation à λ = 792 nm.

Dans le cadre des communications numériques sans fil, la vitesse d'échange de données (débit) reste toujours une des caractéristiques qui limite la performance du système. Une diminution des temps d¿échange est donc nécessaire pour l'amélioration de la performance et l'introduction des nouvelles applications. Des applications comme " Wireless HD " rendent possible la transmission sans fil de vidéo non-compressée " à haute définition (débit = 4 Gbps) " Kiosk Downloading " permettrait l'échange de données à haut débit (1-2 Gbps) sur une courte portée (1 -2 mts). Pour atteindre ce débit, la bande autour de 60 GHz est donc visée pour profiter de ses 7 GHz de bande passante disponibles. Dans le cadre du projet PANAMA, un intérêt spécial est aussi donné à l'efficacité du système transmetteur (Amplificateur de Puissance et Antenne) et ce sera donc un autre axe de notre recherche : l'étude des stratégies pour l'amélioration du rendement énergétique global. On se concentrera surtout sur la connexion PA ' Antenne qui donnera lieu aux stratégies de co-intégration et de co-conception. Plusieurs problématiques doivent être confrontées : la co-simulation (actif et passif) ainsi que la mesure des antennes dans cette bande millimétrique. Cette haute fréquence introduit des limitations, notamment sur les performances de l'antenne. Ainsi le but de cette thèse est de proposer des solutions d'antennes qui remplissent les besoins de l'application (solutions basée sur le résonateur diélectrique). La solution complète des systèmes intégrés doit comprendre également des solutions encapsulées ( "packaged " ), sujet aussi abordé dans ce travail.