Dans le cadre des nouvelles applications dans la bande de fréquence millimétrique, une évaluation de la technologie CMOS 65nm SOI pour la conception de circuits est proposée. Cette évaluation s'articule autour de deux axes principaux. Tout d'abord les composants actifs et passifs spécifiques à la technologie font l'objet d'une étude en terme de performances et de modélisations. Ensuite la technologie est évaluée au travers d'exemple de circuits composant une chaîne de réception. La caractérisation des composants à des fréquences allant jusqu'à 110GHz a permis de montrer le gain associé à la technologie SOI pour l'utilisation de transistors et de lignes de transmissions. Les figures de bruit minimum mesurées sur les transistors SOI flottant représentent aujourd'hui l'état de l'art. De la même manière les constantes d'atténuation mesurées sur des lignes coplanaires dans cette technologie sont de l'ordre de celle obtenues avec des technologies dédiées. Le développement de modèles pour l'actif et le passif à permis également l'évaluer cette technologie avec des blocs spécifiques d'une chaîne de réception à des fréquences millimétriques. Plusieurs amplificateurs faible bruit pour des fréquences allant de 60GHz à 94GHz ont été réalisés. Ces différentes réalisations ont montré des performances en ligne avec l'état de l'art en terme de figure de bruit minimum ou de gain. L'évaluation a également portée sur les mélangeurs passifs. Ce dernier bloc a notamment permis de montrer les différences entre substrat massif et SOI pour un même nœud technologique. Grâce à ce travail nous pouvons affIrmer que la technologie CMOS SOI 65nm permet de réaliser des circuits à des fréquences millimétriques proches de l'état de l'art. Ce travail a également permis le développement de nouvelles méthodes de conception dans un environnement industriel. Ces résultats ont également donné lieu à plusieurs communications internationales avec acte ainsi qu'un dépôt de brevet. / As the 65nm CMOS SOI technology was not initially developed for millimeter wave design, this work demonstrates the advantages of using this technology for applications at such high frequencies. The demonstration is focused on two parts. First active and passive devices are studied in order to evaluate the potentiality for low noise and high gain performances at millimeter frequencies. Different figures of merit are introduced for both actives and passives. Characterization and modeling techniques improvement are developed in this work. ln a second part, reception millimeter wave building blocks are developed such as low noise amplifiers and mixers. The advantages of SOI-MOSFETs in comparison with bulk are important not only for the digital world but : also for analog/RF design. The maximum fT and fmax of the floating body and body contacted transistors are : 155/200 GHz and 132/150 GHz respectively. The NFmin performance of the FB transistor is 3.5dB at 80GHz. This thesis work proposes millimeter wave frequencies models for passive components on a CMOS BEOL. Specific models for coplanar wave guides, discontinuities, inductors and capacitors are developed. Measurements and electromagnetic simulations are used to highlight the increase performances by using SOI substrate instead of bulk. The 65nm CMOS SOI process is proved to be a very promising technology for millimetre wave applications among other the 80GHz 3 stages LNA developed in this work which is state of the art in term of CMOS noise performance at 80GHz. The benefit of the CMOS SOI is illustrated with a comparison of two blocks designed at the same frequency in both technologies. The CMOS SOI demonstrates a very good, improvement in terms of power consumption and area saving. ln the near future, SOI is clearly one of the most promising solutions for applications at millimeter wave frequencies. As it is shown, wireless technologies require high-performance transistors and low-loss passive devices. One major point not studied in this work is the ability to design on-chip antenna in SOI. Today, the SOI CMOS silicon technology is the only one allowing this type of approach at millimeter wave frequency. Nevertheless, although a mass product should lower the cost of the SOI technology, a choice between benefits associated to SOI and additional cost in comparison with bulk have to be considered for each targeted applications

La mise à l’échelle des technologies CMOS s’accompagne d’une réduction des tensions d’alimentation qui dégrade fortement la fonctionnalité des circuits RF. L’effet de substrat, conventionnellement considéré comme un effet parasite du transistor MOS, est ici exploité pour proposer des topologies de circuits capables de supporter un fonctionnement sous faible tension d’alimentation. Cette thématique est l’objet principale de ma thèse que j’ai débuté en Septembre 2007, supportée par une bourse MENRT. La pré-polarisation a permis de réduire de 1.2 V à 0.5 V la tension d’alimentation d’une structure cascode en technologie CMOS 0.13 µm. Une méthodologie de conception sous contrainte de faible consommation en puissance a été ensuite validée par les mesures. Il a été également démontré que la linéarité de circuits RF peut être optimisée par l’application d’une tension appropriée sur le substrat du transistor principal MOS. Le démonstrateur, un LNA, utilise un DAC pour l’ajustement de cette tension. Il accède ainsi au concept des circuits à contrôle numérique ou « digitally enhanced ». / Abstract

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.

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

Ces dernières années, le développement durable, notamment le contrôle de la consommation de nos appareils électriques, est devenu un enjeu majeur de notre société. L'essor de la domotique associé à cette problématique implique la nécessité d'optimiser le bilan énergétique de chaque dispositif électrique. L'objectif de cette thèse est la réalisation d'un amplificateur faible bruit (LNA) qui propose deux modes de fonctionnement suivant la qualité du signal reçu: un mode haute performance et un mode basse consommation.Afin de satisfaire la problématique liée aux systèmes multistandard, l'architecture sélectionnée pour l'amplificateur faible bruit est la topologie distribuée. En effet, elle est connue pour ses performances en terme de bande passante et permet un gain en puissance accordable. Une méthode de conception est proposée, basée sur la technologie GaAs de la fonderie TriQuint Semiconducteur Texas. Les mesures réalisées sur le LNA dans sa configuration haute performance se situe au niveau de l'état de l'art. Pour le mode basse consommation, on obtient de bonnes performances tout en réduisant sa consommation de 91%.Enfin, une stratégie de reconfiguration innovante est proposée basée sur l'intégration de notre LNA dans un récepteur homodyne. Elle permet de réduire de manière significative la consommation du récepteur, dans le cas où la puissance reçue permet un fonctionnement en mode basse consommation (contraintes sur le Bit Error Rate (BER) vérifiées). En considérant chaque puissance reçue de manière équiprobable, notre récepteur reconfigurable a une consommation réduite de 77% par rapport à un récepteur classique qui possède un seul mode de fonctionnement (mode haute performance). / In recent years, the sustainable development, especially the control of the electrical appliances' consumption, has became a major issue in our society. The optimisation of each electrical devices' energy is needed to reduce the consumption of home appliances. The objective of this thesis is the realization of a low noise amplifier (LNA) that offers two modes of operation depending on the quality of the received signal: a high performance mode and a low consumption mode.In order to meet the problem related to multistandard systems, the distributed architecture is selected for low noise amplifier. Indeed, it is known for its wide bandwidth and tunable power gain. A design method is proposed, which is based on GaAs technology of TriQuint Semiconductor Texas foundry. The LNA's high performance mode measurement results is at the level of the state of the art. For the low consumption mode, LNA shows good performance while reducing power consumption by 91%.Finally, an innovative reconfiguration strategy is defined. It's applied to a homodyne receiver based on the integration of our LNA. It reduces significantely the receiver's consumption in case where the received power allows the receiver operates in low power mode (constraint of the Bit Error Rate (BER) is verified). Considering each received power is equiprobable, our reconfigurable receiver saves consumption by 77% compared to a conventional receiver that has a single mode (high performance mode).

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium. / The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver.

Les travaux de thèse présentés se situent dans le contexte de la conception de circuits intégrés en technologie CMOS avancée pour des applications radiofréquence à très faible consommation de puissance. Les circuits sont conçus à travers deux concepts. Le premier est l'utilisation du coefficient d'inversion qui permet de normaliser le transistor en fonction de sa taille et de sa technologie, ceci permet une analyse rapide pour différentes performances visées ou différentes technologies. La deuxième approche est d'utiliser un facteur de mérite pour trouver la polarisation la plus adéquate d'un circuit en fonction de ses performances. Ces deux principes ont été utilisés pour définir des méthodes de conception efficaces pour deux blocs radiofréquence : l'amplificateur faible bruit et l'oscillateur. / Thesis work are presented in the context of the integrated circuits design in advanced CMOS technology for ultra low power RF applications. The circuits are designed around two concepts. The first is the use of the inversion coefficient to normalize the transistor as a function of its size and its technology, this allows a quick analysis for different performances or different technologies. The second approach is to use a figure of merit to find the most appropriate polarization of a circuit based on its performance. These two principles were used to define effective design methods for two RF blocks: low noise amplifier and oscillator.

Aujourd'hui, il y a une augmentation du nombre de normes étant intégré dans des appareils mobiles. Les problèmes principaux sont la durée de vie de la batterie et la taille de l'appareil. L'idée d'un Radio-Logiciel est de pousser le processus de numérisation aussi près que possible de l'antenne. Dans cette thèse, nous présentons la première mise en œuvre d'un récepteur radio-logiciel complet basé sur Sigma-Delta RF passe-bande, y compris un LNA à gain variable (VGLNA), un ADC Sigma-Delta RF sous-échantillonné, un mélangeur bas-conversion RF numérique et un filtre de décimation polyphasé multi-étage multi-taux. Le VGLNA élargit la gamme dynamique du récepteur multi-standard pour atteindre les exigences des trois normes sans fil ciblées. Aussi une architecture mixte, en utilisant à la fois Source-Coupled Logic (SCL) et des circuits CMOS, il est proposé d'optimiser la consommation des circuits RF numériques. Par ailleurs, nous proposons une architecture de filtre en peigne à plusieurs étages avec décomposition polyphase à réduire la consommation d'énergie. Le récepteur est mesuré pour trois normes différentes dans la bande de 2.4 GHz, la bande ISM. Les résultats des mesures montrent que le récepteur atteint 79 dB, 73 dB et 63 dB de plage dynamique pour les normes Bluetooth, ZigBee et WiFi respectivement. Le récepteur complet, mis en œuvre dans le procédé CMOS 130 nm, a une fréquence centrale accordable de 300 MHz et consomme 63 mW sous 1.2 V. Comparé à d'autres récepteurs, le circuit proposé consomme 30% moins d'énergie, la plage dynamique est de 21 dB supérieur, IIP3 est de 6 dB supérieur et le facteur de mérite est de 24 dB supérieur. / Nowadays there is an increase in the number of standards being integrated in mobile devices. The main issues are battery life and the size of the device. The idea of a Software Defined Radio is to push the digitization process as close as possible to the antenna. Having most of the circuit in the digital domain allows it to be reconfigurable thus requiring less area and power consumption. In this thesis, we present the first implementation of a complete SDR receiver based on RF bandpass Sigma-Delta including a Variable-Gain LNA (VGLNA), an RF subsampled Sigma-Delta ADC, an RF digital down-conversion mixer and a polyphase multi-stage multi-rate decimation filter. VGLNA enlarges the dynamic range of the multi-standard receiver to achieve the requirements of the three targeted wireless standards. Also a mixed architecture, using both Source-Coupled Logic (SCL) and CMOS circuits, is proposed to optimize the power consumption of the RF digital circuits. Moreover, we propose a multi-stage comb filter architecture with polyphase decomposition to reduce the power consumption. The receiver is measured for three different standards in the 2.4 GHz ISM-band. Measurement results show that the receiver achieves 79 dB, 73 dB and 63 dB of dynamic range for the Bluetooth, ZigBee and WiFi standards respectively. The complete receiver, implemented in 130 nm CMOS process, has a 300 MHz tunable central frequency and consumes 63 mW under 1.2 V supply. Compared to other SDR receivers, the proposed circuit consumes 30% less power, the DR is 21 dB higher, IIP3 is 6 dB higher and the overall Figure of Merit is 24 dB higher.

Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS technology constitutes a good candidate for mixed signal RF CMOS applications. Due to its low junction capacitance and reduced leakage current, SOI provides reduced static and dynamic power consumption of the digital logic combined with increased cut-off frequencies. Moreover, in terms of passive device integration the major benefit of SOI when compared to the conventional bulk is the possibility to use a high resistivity substrate which allows a drastic reduction of substrate losses allowing a high quality factor of the passive devices. Another issue is the harsh environment applications. Electronics capable of operating at high temperatures are required in several industrial applications, including the automobile industry, the aerospace industry, the electrical and nuclear power industries, and the well-logging industry. The capability of SOI circuits to expand the operating temperature range of integrated circuits up to 300°C has been demonstrated. SOI devices and circuits present advantages in this field over bulk counterparts such as the absence of thermally-activated latch up and reduced leakage current. In this context, various topologies of integrated transmission lines and spiral inductors implemented on standard and high substrate resistivities have been analyzed over a large temperature range. The temperature behavior of the SOI transistors is presented. The main figures-of-merit of the SOI MOSFETs are analyzed and the extraction of the extrinsic and intrinsic parameters of the small signal equivalent circuit is performed. Also, an example of RF circuit applications of the SOI technology, based on a fully integrated Low-Noise Amplifier for low-power and narrow-band applications, is investigated and characterized at high temperature. The main figures-of-merit of the designed circuit are extracted and discussed. The good results show that the SOI technology is now emerging as a good candidate for the realization of analog integrated circuits for low-power and high-temperature applications.

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.