Les systèmes embarqués tels que les téléphones portables ou les lecteurs multimédia intègrent de plus en plus de fonctions consommatrices d'énergie ce qui a pour conséquence directe une diminution de leurs autonomies. Les applications audio dans les téléphones cellulaires et en particulier l'application casque font partie des fonctions les plus consommatrices d'énergie. Après un état de l'art des solutions permettant l'amplification de signaux audio, l'amplificateur de classe G à été identifié comme étant le meilleur candidat pour obtenir une amélioration du rendement tout en fournissant une bonne qualité de reproduction sonore. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur la détection d'enveloppe de ces architectures qui est un facteur clé dans la maximisation du rendement. Une étude des propriétés temporelles, fréquentielles et statistiques des signaux présents en entrée de l'amplificateur a ainsi été menée pour mettre en évidence les différences entre les signaux classiquement utilisés (signal sinusoïdal) et les signaux réellement écoutés par les utilisateurs (musique). Après avoir effectué une sélection de signaux pour la suite de notre étude, nous avons également caractérisé la puissance correspondant à des conditions normales d'écoute afin d'obtenir par la suite un environnement de test proche des conditions réelles de fonctionnement. Un modèle simplifié et rapide d'amplificateur hybride permettant d'obtenir en quelques dizaines de secondes, l'évaluation du rendement, de la consommation et de la qualité sonore dans des conditions réelles de fonctionnement a été développé. Notre modèle, entièrement configurable et réadaptable à d'autres types de circuits a été validé par mesures pratiques des performances d'un amplificateur existant. Les paramètres de la détection d'enveloppe de ce modèle ont fait l'objet d'une optimisation basée sur le couplage séquentiel de deux algorithmes d'optimisation, permettant ainsi dans un temps limité d'obtenir une solution optimale sans solution de départ sous des conditions réelles d'utilisation. La suite de notre étude nous a conduit à étudier, modéliser, optimiser et comparer des amplificateurs de classe G possédant un nombre de tensions d'alimentation supérieur (3, 4) ainsi que des amplificateurs de classe H (alimentations continues) afin d'améliorer encore le rendement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle détection d'enveloppe permettant d'améliorer le rendement à faible puissance. Cette nouvelle détection d'enveloppe permet à l'amplificateur de classe G un fonctionnement en " multi niveau " et d'être auto adaptatif au signal audio présent en entrée de l'amplificateur. Après avoir développé des méta-modèles pour optimiser les paramètres de la détection d'enveloppe, cette détection d'enveloppe a été implémentée au niveau transistor en technologie 0.25μm de ST Microelectronics.

Avec les évolutions technologiques, les composants électroniques deviennent de plus en plus sensibles aux décharges électrostatiques (ESD). De nos jours, la fiabilité des circuits intégrés dans les étapes de fabrication est garantie par un ensemble de normes définissant des niveaux de robustesse. Mais les stratégies de protection implémentées dans les circuits intégrés, visant à respecter ces normes, ne suffisent pas toujours à garantir la robustesse des composants dans leur application finale. Ces nouveaux problèmes de fiabilité ne sont pas encore bien compris, étant donnée la complexité des phénomènes mis en jeu dans un système réel en fonctionnement. En tenant compte de ces faits, nous pouvons nous interroger sur l'efficacité des stratégies de protection contre les ESD utilisées de façon conventionnelle pour protéger contre des stress de type système. L'ensemble des travaux de thèse présentés vise à l'amélioration de la robustesse, quant à ces nouvelles exigences, de composants analogiques dédiés aux applications portables (téléphonie, multimédia). En partant d'un cas concret, pour lequel il existe une grande différence de robustesse entre le produit alimenté et non-alimenté, nous présenterons les différents résultats d'analyse (analyse de défaillance, caractérisation électrique en impulsion de type TLP et VFTLP, simulations de type SPICE) qui nous ont conduits à proposer une solution de protection intégrée respectant les exigences.

Les objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales. / The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work.

Les systèmes embarqués tels que les téléphones portables ou les lecteurs multimédia intègrent de plus en plus de fonctions consommatrices d'énergie ce qui a pour conséquence directe une diminution de leurs autonomies. Les applications audio dans les téléphones cellulaires et en particulier l'application casque font partie des fonctions les plus consommatrices d'énergie. Après un état de l'art des solutions permettant l'amplification de signaux audio, l'amplificateur de classe G à été identifié comme étant le meilleur candidat pour obtenir une amélioration du rendement tout en fournissant une bonne qualité de reproduction sonore. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur la détection d'enveloppe de ces architectures qui est un facteur clé dans la maximisation du rendement. Une étude des propriétés temporelles, fréquentielles et statistiques des signaux présents en entrée de l'amplificateur a ainsi été menée pour mettre en évidence les différences entre les signaux classiquement utilisés (signal sinusoïdal) et les signaux réellement écoutés par les utilisateurs (musique). Après avoir effectué une sélection de signaux pour la suite de notre étude, nous avons également caractérisé la puissance correspondant à des conditions normales d'écoute afin d'obtenir par la suite un environnement de test proche des conditions réelles de fonctionnement. Un modèle simplifié et rapide d'amplificateur hybride permettant d'obtenir en quelques dizaines de secondes, l'évaluation du rendement, de la consommation et de la qualité sonore dans des conditions réelles de fonctionnement a été développé. Notre modèle, entièrement configurable et réadaptable à d'autres types de circuits a été validé par mesures pratiques des performances d'un amplificateur existant. Les paramètres de la détection d'enveloppe de ce modèle ont fait l'objet d'une optimisation basée sur le couplage séquentiel de deux algorithmes d'optimisation, permettant ainsi dans un temps limité d'obtenir une solution optimale sans solution de départ sous des conditions réelles d'utilisation. La suite de notre étude nous a conduit à étudier, modéliser, optimiser et comparer des amplificateurs de classe G possédant un nombre de tensions d'alimentation supérieur (3, 4) ainsi que des amplificateurs de classe H (alimentations continues) afin d'améliorer encore le rendement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle détection d'enveloppe permettant d'améliorer le rendement à faible puissance. Cette nouvelle détection d'enveloppe permet à l'amplificateur de classe G un fonctionnement en « multi niveau » et d'être auto adaptatif au signal audio présent en entrée de l'amplificateur. Après avoir développé des méta-modèles pour optimiser les paramètres de la détection d'enveloppe, cette détection d'enveloppe a été implémentée au niveau transistor en technologie 0.25μm de ST Microelectronics. / Embedded systems such as mobile phones, tablets and GPS incorporate an increasing number of electronic functions that generate a decrease in battery life. The aim of this work is to propose new solutions for audio amplifiers for the headphone application because this application has a large impact on battery autonomy. To improve the efficiency of actual amplifiers, a behavioral model of this kind of amplifier has been developed and validated by practical measures. This model, fast, accurate and reconfigurable allows in few seconds to evaluate the efficiency, consumption and quality of sound reproduction in real conditions of operation. Through the use of this model coupled with an optimizing method based on two algorithms, several architectures of level detector were studied and compared allowing to define the best compromise. A new architecture is then proposed, simulated and optimized in a 0.25μm technology from ST Microelectronics to demonstrate the feasibility of the solution.

A la différence de la conception numérique, la conception analogique souffre d’un réel retard au niveau de la solution logicielle qui permet une conception à la fois rapide et fiable. Le dimensionnement de circuits analogiques exige en effet un nombre assez élevé de simulations et de vérifications et dépend beaucoup de l’expertise du concepteur. Pour pallier à ce retard, des outils de conception automatique basés sur des algorithmes d’optimisation locale et globale sont développés. Ces outils restent encore immatures car ils n’offrent que des réponses partielles aux questions du dimensionnement, alors que l’obtention d’un dimensionnement optimal d’un circuit analogique en un temps raisonnable reste toujours un enjeu majeur. La réduction du temps de conception de circuits analogiques intégrés nécessite la mise en place de méthodologies permettant une conception systématique et automatisable sur certaines étapes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons travaillé suivant trois approches. Il s’agit d’abord de l’approche méthodologique. A ce niveau nous préconisons une approche hiérarchique descendante « top-down ». Cette dernière consiste à partitionner le système à dimensionner en sous blocs de fonctions élémentaires dont les spécifications sont directement héritées des spécifications du niveau système. Ensuite, nous avons cherché à réduire le temps de conception à travers l’exploration de solutions optimales à l’aide des algorithmes hybrides. Nous avons cherché à profiter de la rapidité de la recherche globale et de la précision de la recherche locale. L’intérêt des algorithmes de recherche hybride réside dans le fait qu’ils permettent d’effectuer une exploration efficace de l’espace de conception du circuit sans avoir besoin d’une connaissance préalable d’un dimensionnement initial. Ce qui peut être très intéressant pour un concepteur débutant. Enfin, nous avons travaillé sur l’accélération du temps des simulations en proposant l’utilisation des méta-modèles. Ceux-ci présentent un temps de simulation beaucoup plus réduit que celui des simulations des modèles électriques. Les méta-modèles sont obtenus automatiquement depuis une extraction des résultats des simulations électriques. / Contrary to digital design, analog design suffers from a real delay in the software solution that enables fast and reliable design. In this PhD, three approaches are proposed. The first is the methodological approach. At this level we recommend a "top-down" hierarchical approach. It consists of partitioning the system to size into sub-blocks of elementary functions whose specifications are directly inherited from the system level specification. Next, we aimed to reduce design time through the exploration of optimal solutions using hybrid algorithms. We attempted to take advantage of the rapid global search and local search accuracy. The interest of hybrid search algorithms is that they allow to conduct effective exploration of the design space of the circuit without the need for prior knowledge of an initial design. This can be very useful for a beginner designer. Finally, we worked on the acceleration of time simulations proposing the use of meta-models which present a more reduced time than electrical simulation models. Meta-models are obtained automatically from extracting results of electrical simulations.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%.

De nombreux dispositifs embarqués récents comme les téléphones portables, les GPS ou encore les consoles de jeu, possèdent un ou des haut-parleurs, chacun étant piloté par un amplificateur audio sur circuit intégré. De tels amplificateurs audio doivent répondre le mieux possible à quatre contraintes : une qualité audio satisfaisante, une immunité aux perturbations induites par le système, une faible consommation et une surface de silicium minimale. Ce travail de thèse sous contrat CIFRE a pour origine la création de l’entreprise Primachip en mai 2009 par Christian Dufaza et Hassan Ihs. Cette startup a été bâtie sur une architecture innovante d’amplificateur audio de classe D intégré. Son originalité repose sur le principe de rétroaction partielle qui s’applique à une boucle contenant un modulateur numérique Delta Sigma (ΔΣ) qui pilote l’étage de puissance et un convertisseur analogique-numérique (ADC) effectuant la rétroaction. Cela permet d’obtenir la stabilité de cette boucle tout en offrant une excellente réjection des bruits de l’étage de puissance. Un prototype sur silicium de l’architecture d’amplificateur de classe D numérique a été conçu et fabriqué. Un nouvel ADC ΔΣ temps continu a été développé pour ce prototype, afin d’obtenir des performances supérieures ou égales à l’état de l’art. Les résultats obtenus sur le circuit se sont révélés encourageants, bien que toutes les spécifications n’aient pas été atteintes. L’analyse des erreurs de ce premier circuit doit permettre la réalisation d’un amplificateur intégré exploitant au mieux cette architecture de classe D numérique. / Most current embedded devices, such as smartphones, GPS or portable consoles, feature one speaker or more, those speakers being driven by an integrated audio amplifier. This type of amplifier must meet four specifications: an adequate audio quality, to be immune to system disturbances, low power consumption and the smallest silicon area. This work takes its origin from the creation of Primachip in May 2009 by Christian Dufaza and Hassan Ihs. The aim of this startup was to develop and sell an innovative audio class-D amplifier for mobile market: the digital class-D concept. A partnership with the IM2NP laboratory was decided to propose a PhD topic under CIFRE contract (PhD in an industrial environment), in order to study and improve the amplifier architecture. Its originality is in the partial feedback concept which applies to a loop made of a digital ΔΣ modulator driving the power stage, with an analogue-to-digital converter (ADC) in the feedback path. It makes it possible to achieve stability while offering an outstanding power supply rejection. An integrated prototype of the class-D amplifier was designed, fabricated and evaluated. A new continuous-time ΔΣ ADC has been added to enable the digital class-D loop to achieve performances superior or equal to state of the art. The circuit measurement results were encouraging, although not ideal. The analysis of the prototype errors was performed. The conclusions should allow the design of an integrated audio amplifier making the best of the digital class-D architecture.

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.