La miniaturisation des composants et l’amélioration des performances des circuits intégrés (ICs) sont dues aux progrès liés au procédé de fabrication. Malgré le nombre de technologie existante, la technologie CMOS est la plus utilisée. Dans le cadre du développement de la technologie CMOS 90nm à double niveau de poly, des recherches sur l’introduction de techniques innovantes de procédé de fabrication et d’une nouvelle architecture de transistor MOS à tension de seuil ajustable ont été menées dans le but d’améliorer les performances des ICs. Une première étude sur l’implémentation des effets de pointe dans les ICs, en particulier pour les mémoires non volatiles est entreprise. Un nouveau procédé de fabrication permettant d’obtenir des pointes dans un matériau est proposé. Il est démontré le gain en courant tunnel obtenu sur une structure pointue par rapport à une structure plane. Une seconde étude est orientée sur le développement d’une nouvelle technique de « patterning ». Les techniques de « patterning » permettent de réduire les dimensions de la photolithographie sans utiliser de masque ayant des dimensions agressives. Les avantages de cette nouvelle technique aux niveaux de sa mise en œuvre et de la suppression des problèmes d’alignement sont présentés. Une dernière étude sur le développement d’un transistor à tension de seuil ajustable est développée. Il est démontré l’avantage de ce composant par rapport aux autres composants à tension de seuil ajustable. La réalisation du modèle et des premières simulations électriques de circuit élémentaire à base de se composant sont présentés. L’amélioration de certaines performances des circuits élémentaire est démontrée. / The component miniaturization and the circuit performance improvement are due to the progress related to the manufacturing process. Despite the number of existing technology, the CMOS technology is the most used. In the 90nm CMOS technology development, with a double poly-silicon level, the research on the introduction of innovative manufacturing process techniques and a new architecture of MOS transistor with an adjustable threshold voltage are carried out to improve the integrated circuit performances. A first study, on the peak effect implementation in the integrated circuits, particularly in the non-volatile memories is undertaken. A new process to obtain a peak effect in a material is proposed. It is shown the tunnel current gain obtained on a peak structure compared with a planar structure. A second study is focused on the development of a new patterning technique. The patterning techniques allow to reduce the photolithography dimensions without using an aggressive mask. The advantages of this new technique in terms of its implementation and the suppression of alignment problems are presented. A last study on the development of a MOS transistor with an adjustable threshold voltage is developed. It is shown the advantage of this component relative to the other components with an adjustable threshold voltage. The model implementation and the first electrical simulations of elementary circuits composed with this new component are presented. The performance improvement of some elementary circuits is demonstrated.

L'intégration de nombreuses fonctions complexes dans les systèmes embarqués, tels que les téléphones portables, conduit à optimiser la consommation d'énergie pour maintenir l'autonomie de fonctionnement. Concernant la chaine de reproduction sonore, la consommation a été réduite par l'utilisation d'amplificateurs de classe D analogique, mais la nature numérique de la source audio impose encore un convertisseur numérique analogique en amont. La forte consommation de ce CAN et la qualité de reproduction sonore de l'amplificateur sont actuellement les principales limitations de cette approche. Ce travail de recherche, réalisé en quatre phases, a donc pour objectifs d'apporter des améliorations et de proposer de nouvelles architectures pour réduire ces limitations. Concernant l'amplificateur de classe D analogique, une boucle d'asservissement analogique basée sur un modulateur auto-oscillant à hystérésis a été développée pour réduire la consommation et augmenter sa qualité de reproduction. Cette étude a été validée par la réalisation d'un circuit en technologie CMOS 130 nm. La possibilité de piloter l'amplificateur de classe D directement par un signal de commande numérique a ensuite été envisagée. Le train d'impulsions nécessaire à la commande de l'étage de puissance est obtenu par modulation numérique de la source audio. L'utilisation en boucle ouverte de l'étage de puissance ne permet néanmoins pas d'obtenir un signal audio de sortie insensible aux variations de l'alimentation. Un asservissement analogique local autour de l'étage de puissance est donc nécessaire. La réalisation en technologie CMOS 130 nm de cette architecture a permis la validation des études effectuées (fonctionnement, stabilité, bande passante, modélisations des éléments non linéaires,...). / The integration of many complex functions in embedded systems such as mobile phones, led to optimize energy consumption to maintain operational autonomy. Concerning the chain of sound reproduction, consumption was reduced by the use of analog Class D amplifiers, but the nature of the digital audio source requires a digital to analog converter further upstream. The high consumption of the ADC and the quality of sound reproduction of the amplifier are currently the main limitations of this approach. This research, conducted in four phases, thus aims to make improvements and propose new architectures to reduce these limitations. Regarding the Class D amplifier analog control loop an analog modulator based on a self-oscillating hysteresis has been developed to reduce consumption and increase its quality of reproduction. This study was validated by the realization of a circuit in CMOS 130 nm. The ability to control the class D amplifier directly from a digital control signal was then considered. The train of pulses needed to control the power stage is obtained by digital modulation of the audio source. The use of open-loop output stage, however, does not produce an audio signal output insensitive to variations in the diet. A local analog servo around the power stage is required. Realization in CMOS 130 nm of this architecture has allowed the validation studies (operation, stability, bandwidth, modeling non-linear elements ,...). The interface between the digital modulator and the analog part is very sensitive to disturbance. A digital control overall Class D amplifier with digital control has been studied to control the interface. A prototype of this control is in progress.

Rail à rail entrée - sortie, classe AB, faible consommation sont autant de critères que le concepteur d'amplificateur opérationnel (AOP) intègre pour réaliser une cellule analogique performante. Pour un AOP standard, l'accent n'est pas porté sur une caractéristique particulière mais sur l’ensemble de celle-ci. Dans le but d'augmenter le nombre de fonction par circuit intégré, la tension d'alimentation des AOPs ainsi que leur consommation en courant tendent à diminuer. L'objectif des circuits réalisés est de doubler le facteur de mérite des circuits déjà présents dans le portefeuille de STMicroelectronics. Le facteur de mérite est un indice qui compare des circuits équivalents. Il est défini par le rapport entre le produit capacité de charge x produit gain bande-passante et le produit courant de consommation x tension d'alimentation. L'état de l'art des structures d'AOPs a orienté l'étude vers des structures analogiques possédant au moins trois étages de gain. Un niveau de gain statique supérieur à la centaine de décibel est nécessaire pour utiliser ces amplificateurs dans des systèmes contre-réactionnés. Puisque chaque étage de gain introduit un noeud haute impédance et que chaque noeud haute impédance est à l'origine d'un pôle, l'étude de la compensation fréquentielle s'est avérée indispensable pour obtenir des structures optimisées. Pour simplifier l'étude de ces AOPs, le développement d'outils d'aide à la conception analogique a contribué à l'automatisation de plusieurs tâches.. Ces différents travaux ont été ponctués par la réalisation et la caractérisation de six circuits. Les compensations fréquentielles utilisées dans ces circuits sont la compensation nested miller , la compensation reversed nested miller et la compensation multipath nested miller . Parmi les six circuits, une moitié a été réalisée uniquement dans le but de valider des concepts de compensation fréquentielle et l'autre moitié avec toutes les contraintes d'une documentation technique propre à la famille d'AOP standard. / To be in line with the standard of operational amplifier (opamp), designer integrates in his circuit several functionalities like a Rail to rail input and output, class AB output stage and low power consumption. For standard products, there is no outstanding performance but the average of all of them has to be good. In order to increase the number of functions on an integrated circuit, the power supply and current consumption are permanently decreasing. The aim of the designed circuits is to double the figure of merit (FOM) of the actual ST portfolio products. The FOM allows the comparison of similar opamps. It is defined by the ratio of the product of capacitive load x gain-bandwith product over the power consumption. The opamps’ state of the art has led this study to three stages analog cells. A DC gain higher than hundreds of decibel is required to use opamps in feedback configuration. As each stage of the structure introduces a high impedance node and as each high impedance node introduces a pole, the study of frequency compensation technics became essential for well optimized structures. To simplify the study of the opamps, three tools have been developed to help in the design of the frequency compensation network and to automate some tasks. This work has been followed by the realization of six cells. Three of them were designed to validate frequency compensation structure and the other three to satisfy a standard opamp datasheet. Nested Miller, Reversed Nested Miller and Multipath Nested Miller compensations were used in these circuits.