Ce travail porte sur la conception d'un amplificateur de puissance à 79 GHz et la co-intégration de l'amplificateur de puissance et l'antenne en technologie silicium SiGe. L'objectif de la thèse est de développer un module radiofréquence à l'émission pour des applications radar à 79 GHz. Ce module sera composé d'un amplificateur de puissance, d'une antenne et du circuit d'adaptation PA/Antenne. L'inter-étage entre le PA et l'antenne est une source supplémentaire d'atténuation du signal, d'autant plus rédhibitoire en technologie intégrée pour des fréquences aussi élevées. En réalisant une conception commune, ou codesign, de l'antenne et de l'amplificateur de puissance (PA), nous pouvons, à terme, nous affranchir du traditionnel inter-étage d'adaptation d'impédance entre ces deux blocs. Plus précisément, il convient de dimensionner l'antenne afin qu'elle présente a la sortie du PA l'impédance optimale que requiert son rendement en puissance maximum.

This paper presents an overview of the research work currently being performed within the frame of project DAAB and its successor DAAB-TX towards the integration of ultra-wideband transceivers operating at mm-wave frequencies and capable of data rates up to 100 Gbits–¹. Two basic systemarchitectures are being considered: integrating a broadband antenna with a distributed amplifier and integrate antennas centered at adjacent frequencies with broadband active combiners or dividers. The paper discusses in detail the design of such systems and their components, fromthe distributed amplifiers and combiners, to the broadband silicon antennas and their single-chip integration. All components are designed for fabrication in a commercially available SiGe:C BiCMOS technology. The presented results represent the state of the art in their respective areas: 170 GHz is the highest reported bandwidth for distributed amplifiers integrated in Silicon; 89 GHz is the widest reported bandwidth for integrated-system antennas; the simulated performance of the two antenna integrated receiver spans 105 GHz centered at 148GHz, which would improve the state of the art by a factor in excess of 4 even against III-V implementations, if confirmed by measurements.

L'intégration des circuits est au centre de l'enjeu lié à la réduction de l'encombrement et des coûts de fabrication des systèmes de télécommunication. Dans les systèmes d'émission et de réception, la génération de fréquence issue de l'oscillateur local va permettre la transposition du signal modulé autour de la porteuse vers une fréquence intermédiaire ou vers le signal en bande de base (et inversement pour l'émetteur). La synthèse de fréquence est généralement assurée par une boucle à verrouillage de phase (PLL). L'objectif de ce travail de thèse consiste à réaliser une PLL fractionnaire intégrée en bande X (8 GHz-12 GHz) en technologie BiCMOS. Dans un premier temps, un démonstrateur de PLL à division entière intégrée est présenté, pour lequel nous décrirons les spécifications et les méthodes. Les différents éléments constitutifs de la PLL numérique sont présentés pour lesquels nous évaluerons les spécifications en bruit. Cette étude permet d'établir un bilan de performances mettant en avant l'enjeu des caractéristiques dynamiques et en bruit lors de la conception d'un oscillateur contrôlé en tension. L'étude et la conception de l'oscillateur contrôlé en tension constituent l'objet du second chapitre. Les principes fondamentaux de la conception d'un oscillateur en technologie monolithique sont présentés. La nécessité de simuler correctement les performances du circuit, et tout particulièrement le bruit de phase, est mise en avant. La conception de deux oscillateurs contrôlés en tension est présentée (une topologie parallèle et une topologie série). La méthodologie de conception met en avant la prépondérance du phénomène de conversion de la source de bruit en courant sur la jonction base-émetteur du transistor : l'optimisation du bruit de phase est basée sur la minimisation de cette conversion. Sur la base de l'identification et de la localisation de la source de bruit prépondérante responsable du bruit de phase, nous proposons une solution de polarisation hybride afin de diminuer le bruit de phase en court-circuitant la source de bruit en courant. Une conception d'oscillateur contrôlé en tension à 20 GHz est aussi entreprise sur un concept de topologie push-push permettant d'atteindre un niveau de bruit de phase définissant l'état de l'art pour cette technologie et cette fréquence d'oscillation. Enfin, dans le dernier chapitre, nous étudions la division fractionnaire et décrivons la mise en oeuvre de la PLL toute intégrée : les différents types de circuits de la division fractionnaire sont exposés, et une étude spécifique de la topologie mise en place est présentée. Le bruit de phase de l'ensemble est estimé, mettant en avant la contribution en bruit du filtre qui est particulièrement problématique en solution toute intégrée

Le développement des technologies BiCMOS Silicium/Germanium (SiGe) permet aujourd'hui l'intégration de systèmes radio-fréquences (RF) complets (RF+bande de base) sur une seule puce et à faible coût. Les transistors bipolaires de telles filières sont en effet capables d'atteindre des fréquences de transition de plusieurs dizaines de gigahertz, assurant ainsi la réalisation de fonctions du domaine RF telles que l'amplification, le mélange, la division de fréquence analogique et numérique, la comparaison phase/fréquence analogique et numérique, etc. De plus, la compatibilité de ces technologies avec les technologies CMOS existantes autorise la réalisation simultanée de systèmes de traitement du signal numériques (et/ou analogiques) complets dans la bande de base. Le point faible de ces technologies reste cependant la difficulté d'obtenir des composants passifs de bonne qualité. Un challenge apparaît lorsqu'il s'agit de reconsidérer la conception des architectures existantes afin de se satisfaire de ces composants intégrés passifs peu performants, voire de s'en passer complètement. Une solution consiste alors à numériser au maximum les diverses fonctions précédemment citées. Le travail de thèse porte sur l'étude de faisabilité de la synthèse de fréquence en bande X et K, entièrement intégrée en technologie SiGe et basée sur la boucle à verrouillage de phase. On s'intéresse plus particulièrement à la numérisation des diviseurs hyperfréquences et des comparateurs phase/fréquence utilisés dans la boucle, le VCO restant par ailleurs analogique. Des solutions de conception innovantes sont proposées en terme de montée en fréquence et de réduction des phénomènes parasites inhérents aux structures habituellement rencontrées à plus basse fréquence. La thèse se conclut par l'intégration des diviseurs et comparateurs conçus dans cette thèse avec des VCOs conçus lors d'une thèse déjà soutenue afin de former des synthèses de fréquence à 10 et 20 GHz.

Ce travail porte sur la conception d'un amplificateur de puissance à 79 GHz et la co-intégration de l'amplificateur de puissance et l'antenne en technologie silicium SiGe. L'objectif de la thèse est de développer un module radiofréquence à l'émission pour des applications radar à 79 GHz. Ce module sera composé d'un amplificateur de puissance, d'une antenne et du circuit d'adaptation PA/Antenne. L'inter-étage entre le PA et l'antenne est une source supplémentaire d'atténuation du signal, d‟autant plus rédhibitoire en technologie intégrée pour des fréquences aussi élevées. En réalisant une conception commune, ou co-design, de l'antenne et de l'amplificateur de puissance (PA), nous pouvons, à terme, nous affranchir du traditionnel inter-étage d'adaptation d'impédance entre ces deux blocs. Plus précisément, il convient de dimensionner l'antenne afin qu'elle présente a la sortie du PA l'impédance optimale que requiert son rendement en puissance maximum. / This work focuses on the design of a power amplifier (PA) at 79 GHz and the co-integration of the PA and the antenna on SiGe technology. The objective of this thesis is to develop a RF front-end block for radar applications at 79 GHz. This block is compound of a power amplifier, antenna and PA/Antenna inter-stage matching. The inter-stage between the PA and the antenna adds supplementary losses in the global performances, especially prohibitive in integrated technology for high frequencies. The co-design of the antenna and the PA allows to suppress the traditional inter-stage impedance matching between these two blocks. More specifically, it is suitable to design the antenna with the appropriate output impedance of the PA which gives optimal performances for maximum power and efficiency.

Les travaux présentés dans cette thèse sont consacrés à l'investigation du fonctionnement des technologies bipolaires, et plus particulièrement des technologies BiCMOS SiGe, pour une utilisation à température cryogénique. Un état de l'art sur les transistors bipolaires et les bruits électroniques que l'on rencontre sur ce genre de technologie sont donnés avec une approche orientée vers les basses températures. Ces rappels permettent d'aborder les mesures, des paramètres basse fréquence et du bruit, réalisées sur des transistors bipolaires silicium et sur deux technologies SiGe à 300 K, 77 K et 4.2 K. Il est ensuite présenté deux réalisations d'ASIC cryogénique en technologie standard BiCMOS SiGe. La première est un amplificateur bas bruit (1 nV/sqrtHz) et large bande (1 GHz) fonctionnant à 77 K. Il est destiné à la caractérisation de bolomètres supraconducteurs YBaCuO à électrons chauds. La seconde réalisation est un circuit de lecture et de multiplexage de matrice de SQUID. Il est, en particulier, présenté le développement, la réalisation et le test d'un amplificateur ultra bas bruit (0.2 nV/sqrtHz) avec deux entrées multiplexées fonctionnant à 4.2 K.

Les progrès de la technologie silicium germanium (SiGe) suscitent sa possible utilisation dans les applications à haute fréquence. Les travaux décrit dans ce mémoire visent à étudier les potentialités de cette technologie pour la réalisation de circuits intégrés monolithiques (MMIC) faibles bruit dans la bande de 10 GHz. Ce mémoire est articulé autour de trois chapitres. Le premier rappelle les contraintes auxquelles doit répondre un transistor bipolaire afin d'être utilisable dans les circuits RF millimétriques. La technologie qu'à développé STMicroelectronics pour ce domaine d'application est ensuite présentée. Enfin, le travail de caractérisation qui a été réalisé afin de valider le comportement des modèles que nous allons utiliser pour concevoir des circuits RF est présenté. Le second chapitre est consacré à la conception de circuits amplificateurs à faible bruit. La méthode de travail ainsi que les topologies de circuits sont présentées. Le résultat des caractérisations effectuées est ensuite présenté. Nous terminons en concluant au sujet des performances en terme de consommation, linéarité, gain et facteur de bruit des différents circuits. Le troisième chapitre aborde la conception de sources radiofréquence à faible bruit de phase. Les différentes topologies de circuits que nous avons étudiés sont présentées, ce qui nous a permis de mettre en évidence les topologies offrant les meilleures performances. Enfin, une technique basée sur le principe de dégénérescence de bruit, est également présentée. Ce travail nous a permis d'intégrer sur un circuit MMIC, autour d'un circuit oscillateur de type Colpitts, un dispositif réducteur de bruit. Les résultats théoriques de cette étude ont montré l'efficacité de cette méthode.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse consistent principalement en la conception de fonctions intégrées radiofréquences BiCMOS SiGe exploitant des résonateurs à ondes acoustiques de volume FBAR. Contrairement aux techniques actuelles rencontrées dans l'industrie qui consistent à réaliser des filtres et des résonateurs discrets et à les associer par la suite avec les circuits actifs des émetteurs-récepteurs au niveau du boîtier, nos résonateurs sont directement réalisés sur le substrat silicium des circuits actifs RF par une technique appelée intégration " above-IC ". Avec cette méthode d'intégration, les parasites et la modélisation associés aux microsoudures (Wire Bonding) sont éliminés. Elle permet aussi de se passer des circuits d'interface et d'adaptation nécessaires dans le cas de filtres RF discrets. Ceci permet de réduire considérablement la consommation et le volume des systèmes. Des amplificateurs faible bruit filtrants et des oscillateurs visant le standard WLAN IEEE 802.11a ont ainsi été implantés en utilisant cette technique d'intégration "above IC". Les circuits obtenus sont très compacts, et leurs performances, notamment celles des oscillateurs, sont à l'état de l'art. Par ailleurs, des amplificateurs faible bruit et des VCO LC SiGe intégrés pour application WLAN 5GHz sont également présentés et leurs techniques d'optimisation sont données.

Der thermische Widerstand ist eine wichtige Kenngröße von Silicium-Germanium-Hetero-Bipolartransistoren (SiGe-HBTs). Bisher kam es bei der quantitativen Bestimmung der thermischen Widerstände von SiGe-HBTs zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und Messung. Der Unterschied zwischen Simulation und Messung betrug bei den untersuchten HBTs mehr als 30 Prozent. Diese Arbeit widmet sich der Aufklärung und Beseitigung der möglichen Ursachen hierfür. Zu diesem Zweck werden als erstes die Messmethoden analysiert. Es zeigt sich, dass die bisher verwendete Extraktionsmethode sensitiv auf den Early-Effekt (Basisweitenmodulation) reagiert. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein neues Extraktionsverfahren entwickelt. Die neue Extraktions­methode ist unempfindlich gegenüber dem Early-Effekt. Mit Bauelemente­simulationen wird erstmalig die Wirkung des Seebeck-Effektes (Thermospannungen) auf die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände demonstriert. Der Seebeck-Effekt bewirkt, dass die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände der untersuchten HBTs nahezu 10 Prozent kleiner als die erwarteten Werte sind. Dieser Effekt wurde bisher nicht beachtet und wird hier erstmals nachgewiesen. Weiterhin wird die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes vom Arbeitspunkt untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bis zu einer Basis-Emitter-Spannung von 0,91 Volt die geometrische Form des Wärme abgebenden Gebietes unabhängig vom Arbeitspunkt ist. Anhand von Messungen wird gezeigt, dass die Dotierung die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Silicium reduziert. Die Abnahme wird für Dotierungen größer als 1*1019 cm‑3 deutlich sichtbar. Ist die Dotierung größer als 1*1020 cm‑3, beträgt die Abnahme der spezifischen Wärmeleitfähigkeit mehr als 75 Prozent. Mithilfe einer Simulatorkalibrierung wird die spezifische Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Dotierung bestimmt. Die erhaltene Funktion kann künftig beim thermischen Entwurf von HBTs verwendet werden. Somit können zukünftig genauere Vorhersagen zum thermischen Widerstand der HBTs gemacht werden. Dies ermöglicht zuverlässigere Aussagen darüber, wie Änderungen des Transistordesigns zur Minimierung des thermischen Widerstandes beitragen. / The thermal resistance is an important parameter of silicon-germanium heterojunction bipolar transistors (SiGe HBTs). Until now, the quantitative determination of the thermal resistance showed significant differences between measurements and simulations. The difference between simulation and measurement of the investigated HBTs was more than 30 percent. This thesis devotes the clarification and elimination of potential sources for it. For this purpose, the measurement methods are analyzed at first. It is shown, that the currently used extraction method is sensitive to the Early effect (basewidth modulation). A now extraction method was developed, which is not sensitive to the Early effect. For the first time, the influence of the Seebeck effect (thermoelectric voltages) on the electrically extracted thermal resistance is shown by device simulations. The Seebeck effect leads to a 10 percent lower extracted thermal resistances compared to the expected values of the investigated HBTs. This effect was not taken into account up to now and is demonstrated here for the first time. Furthermore, the dependence of the thermal resistance on the operating point was investigated. The results show that the shape of the heat source is independent of the operating point if the base emitter voltage is smaller than 0.91 volt. The thermal conductivity of silicon is decreased by increasing doping concentrations. This is shown by measurements. The reduction of the thermal conductivity is well observable for doping concentrations higher than 1*1019 cm‑3. For doping concentration higher than 1*1020 cm‑3 the reduction amounts to more than 75 percent. The thermal conductivity was determined as a function of the doping concentration with the aid of a simulator calibration. This function can be used in the future thermal design of HBTs. It facilitates the optimization of the HBTs with respect to a minimal thermal resistance.