Orientadora: Profa. Dr. Luiz Alberto Luz de Almeida / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, 2015. / In the present research and development proposal, we intend to study and develop an electronicapparatus to control the temperature of thermoelectric modules used in the construction of thermal chamber for characterization of new materials, including smart materials such as shape memory alloys among others. There are models that best describes the dynamical behavior of thermoelectric modules, and they are represented by the electric current in them. This current can be obtained by a switched power amplifier or actuator, which consists of an H-bridge, using amplifier class D, controlled by a microcontroller Arduino Due, the latter will be used to embed the joint temperature-current controller. This combination of thermoelectric modules, current amplifier and a thermal chamber is a nonlinear system, in which the dynamical analysis and control design are not well known and explored in the literature. As a consequence, a deeper knowledge is necessary to effectively design a controller to obtain arbitrary and precise temperature profiles for a proper material characterization. A stability analysis is performed for the temperature controller system in discrete time by the roots-locus method . A small thermal chamber will be constructed with the switched power amplifier driving the current in a thermoelectric module mounted on a heat sink. The controllers will be embedded in a microcontroller Arduino Due, from which the experimental results will obtained for later analysis. The expected outcome of this research project is the production of scientific and technological knowledge, which can be simulated in MATLAB and experimentally validated using the prototype implementation.

Throughout this thesis, we studied the biochemical and structural impact of the essential residues on the activity of class D beta-lactamases. The production of these enzymes plays a major role in the bacterial resistance. Our work is subdivided in two parts : the study of the post-translational modification of lysine 70 and the screening of new potential inhibitors for the class D β-lactamases. The first part concerns the impact of the residues tryptophan 154 and valine 117 located in the hydrophobic core. Our data indicate that the mutation of tryptophan 154 in alanine or glycine lead to a large decrease of the catalytic efficiencies of the beta-lactamase. The apo-enzyme structures of these mutants show that the lysine 70 is not carboxylated. This absence of carboxylate group induces a modification of the hydrogen network of the active site. The analysis of the complex structure of W154A-benzylpenicillin demonstrates that the deacylation step is clearly the most affected by the mutation. The mutation of tryptophan 154 in histidine leads to a slight decrease of catalytic efficiencies because the imidazol group of histidine mimics the indole group of tryptophan 154. The apo-enzyme structure reveals that lysine 70 is partially carboxylated and stabilized by an hydrogen bond between the carboxylate group and the imidazol group. In the case of the V117T mutant, a strong increase of the catalytic constant values is observed at 50 mM in NaHCO3. The structure of this mutant at pH 8.0 shows that the lysine 70 is partially carboxylated in the monomer A. The determination of individual rate constants of acylation and deacylation steps indicates that the deacylation is the limiting step for the class D beta-lactamase. The k2/k3 ratio is similar between the V117T mutant and the wild-type enzyme. The mutation of lysine 70 in alanine or cysteine leads to a large decrease of the deacylation constants inducing a poorly efficient enzyme. The obtaining of the K70C-Ampicillin complex by X-ray cristallography and the trapping of acyl-enzyme by reaction with fluorescent ampicillin are supplemental proofs that the deacylation step is the limiting rate. By crystallographic and kinetic studies, we demonstrate that the chloride inhibition of the class D beta-lactamases is due to a competition between the carboxylate group of lysine 70 and the chloride ions. At high concentration in bicarbonate, this inhibition is abolished for the wild-type enzyme. The second part of this work concerns the screening of the citrate and aminophosphonate derivated molecules for the class D beta-lactamases. In the case of OXA-10, a citrate molecule is strongly stabilized by hydrogen bonds in the active site. The benzyl esters derivatives of citrate inhibits OXA-10(KI = 20 µM) but the hydrophobic substituents are necessary to obtain a good inhibition.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The objectives of this work and present a class D amplifiers and full-bridge class D amplifier used to supply one or more high pressure sodium lamps (HPS). In this work, the lamps are feed a synthesized waveform to avoid acoustic resonance. The waveform injected contains a fundamental frequency around 1kHz and its third harmonic. The injection waveform synthesized prevents acoustic resonance the spread power the lamp in spectrum frequency. The ease of control of Class D amplifiers ensures a waveform without major changes in relation to entry. The control strategy and operation of the amplifiers stages have been shown. Studies were presented the strategies used to avoid acoustic resonance and detailed analysis of the injection waveform synthesized. The results of the simulations and practical results obtained were presented. / O objetivo deste trabalho é apresentar a utilização de amplificadores classe D e um nova topologia de amplificador full-bridge, classe D, para acionar uma ou mais lâmpadas de Alta Pressão de Sódio (HPS). As lâmpadas são alimentadas por uma forma de onda sintetizada para evitar a ressonância acústica, onde a forma de onda contém uma frequência fundamental de 1kHz e sua terceira harmônica. Essa técnica é utilizada para evitar o surgimento da ressonância acústica, espalhando no espectro da frequência a potência distribuída na lâmpada. A facilidade do controle dos amplificadores classe D garante uma forma de onda sem grandes variações em relação à entrada. A estratégia de controle e as etapas de funcionamento dos amplificadores são apresentadas juntamente ao estudo das técnicas utilizadas para evitar a ressonância acústica e a análise detalhada sobre a injeção da forma de onda sintetizada. Os resultados das simulações e os resultados práticos obtidos foram apresentados. / Doutor em Ciências

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,...).

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.

La technique de haute intensité ultrasons focalisés (HIFU) est maintenant largement utilisée pour le traitement du cancer, grâce à son avantage non-invasif. Dans un système de HIFU, une matrice de transducteurs à ultrasons est pilotée en phase pour produire un faisceau focalisé d'ultrasons (1M ~ 10 MHz) dans une petite zone de l'emplacement de la cible sur le cancer dans le corps. La plupart des systèmes HIFU sont guidées par imagerie par résonance magnétique (IRM) dans de nos jours. Dans cette étude de doctorat, un amplificateur de puissance de classe D en demi-pont et un système d'accord automatique d'impédance sont proposés. Tous deux circuits proposés sont compatibles avec le système IRM. L'amplificateur de puissance proposé a été réalisé par un circuit imprimé (PCB) avec des composants discrets. Selon les résultats du test, il a rendement de conversion en puissance de 82% pour une puissance de sortie conçue de 1,25W à une fréquence de travail de 3MHz. Le système d'accord automatique d'impédance proposé a été conçu en deux versions: une version en PCB et une version en circuit intégré (IC). Contrairement aux systèmes d'accord automatique proposés dans la littérature, il n'y a pas besoin de l'unité de microcontrôleur (MCU) ou de l'ordinateur dans la conception proposée. D'ailleurs, sans l'aide de composants magnétiques volumineux, ce système d'auto-réglage est entièrement compatible avec l'équipement IRM. La version en PCB a été conçue pour vérifier le principe du système proposé, et il est également utilisé pour guider à la conception du circuit intégré. La réalisation en PCB occupe une surface de 110cm². Les résultats des tests ont confirmé la performance attendue. Le système d'auto-tuning proposé peut parfaitement annuler l'impédance imaginaire du transducteur, et il peut également compenser l'impédance de la dérive causée par les variations inévitables (variation de température, dispersion technique, etc.). La conception du système d'auto-réglage en circuit intégré a été réalisé avec une technologie CMOS (C35B4C3) fournies par Austrian Micro Systems (AMS). La surface occupée par le circuit intégré est seulement de 0,42mm². Le circuit intégré conçu est capable de fonctionner à une large gamme de fréquence tout en conservant une consommation d'énergie très faible (137 mW). D'après les résultats de la simulation, le rendement de puissance de ce circuit peut être amélioré jusqu'à 20% comparant à celui utilisant le réseau d'accord statique. / High intensity focused ultrasound (HIFU) technology is now broadly used for cancer treatment, thanks to its non-invasive property. In a HIFU system, a phased array of ultrasonic transducers is utilized to generate a focused beam of ultrasound (1M~10MHz) into a small area of the cancer target within the body. Most HIFU systems are guided by magnetic resonance imaging (MRI) in nowadays. In this PhD study, a half-bridge class D power amplifier and an automatic impedance tuning system are proposed. Both the class D power amplifier and the auto-tuning system are compatible with MRI system. The proposed power amplifier is implemented by a printed circuit board (PCB) circuit with discrete components. According to the test results, it has a power efficiency of 82% designed for an output power of 3W at 1.25 MHz working frequency. The proposed automatic impedance tuning system has been designed in two versions: a PCB version and an integrated circuit (IC) version. Unlike the typical auto-impedance tuning networks, there is no need of microprogrammed control unit (MCU) or computer in the proposed design. Besides, without using bulky magnetic components, this auto-tuning system is completely compatible with MRI equipment. The PCB version was designed to verify the principle of the proposed automatic impedance tuning system, and it is also used to help the design of the integrated circuit. The PCB realization occupies a surface of 110cm². The test results confirmed the expected performance. The proposed auto-tuning system can perfectly cancel the imaginary impedance of the transducer, and it can also compensate the impedance drifting caused by unavoidable variations (temperature variation, technical dispersion, etc.). The IC design of the auto-tuning system is realized in a CMOS process (C35B4C3) provided by Austrian Micro Systems (AMS). The die area of the integrated circuit is only 0.42mm². This circuit design can provide a wide working frequency range while keeping a very low power consumption (137 mW). According to the simulation results, the power efficiency can be improved can up to 20% by using this auto-tuning circuit compared with that using the static tuning network.

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.