L'optimisation de l'association " antenne - système" est une préoccupation majeure des concepteurs de tags RFID UHF et micro-ondes. L'évaluation conjointe de l'énergie reçue par ces antennes et de l'énergie re-rayonnée permettrait aux concepteurs d'évaluer directement les potentialités de télé-alimentation de leurs tags ainsi que la qualité de la communication. Pour répondre à cette problématique, nous avons développé une stratégie originale de modélisation et de simulation de systèmes RFID intégrés reposant sur l'utilisation du langage VHDL-AMS; langage compatible avec la majorité des outils de Conception Assistée par Ordinateur utilisés en microélectronique. La solution que nous proposons consiste en une modélisation à différents niveaux d'abstraction du système RFID que nous souhaitons optimiser, y compris le lien RF et les antennes. Nous adaptons ainsi le flot de conception classique largement utilisé en électronique numérique à un problème de conception mixte et RF.

Les futures grandes expériences de l'exploration des lois fondamentales de la Nature (e.g. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l'origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L'encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L'objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D'abord, plusieurs architectures d'un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L'architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu'elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l'architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.

Les fluctuations électriques des composants sont une limitation à la miniaturisation des circuits. Malgré des procédés de fabrications en continuelle évolution, les variations des caractéristiques électriques dues au désappariement entre deux dispositifs limitent les performances des circuits. Concernant les applications à faible consommation, ces fluctuations locales peuvent devenir très critiques. Dans le contexte du développement d'une technologie CMOS 90nm avec mémoire Flash embarquée pour des applications basse consommation, l'appariement de transistors MOS est étudié. Une analyse de l'impact du dopage de grille des transistors NMOS est menée. L'étude se focalise sur l'appariement en tension des paires différentielles polarisées dans la zone de fonctionnement sous le seuil. Il est démontré que cet appariement peut être dégradé à cause de l'effet " hump ", c'est-à-dire la présence de transistors parasites en bord d'active. Un macro-modèle permettant aux concepteurs de modéliser cet effet est présenté. Il est étudié au niveau composant, au niveau circuit et en température. Enfin, une étude de la dégradation de l'appariement des transistors MOS sous stress porteurs chauds est réalisée, validant un modèle de dégradation. Des transistors octogonaux sont proposés pour supprimer l'effet " hump " et donnent d'excellents résultats en termes d'appariement ainsi qu'en fiabilité.

Les systèmes sur puces intègrent aujourd'hui sur le même substrat des parties analogiques et des unités de traitement numérique. Tandis que la complexité de ces systèmes s'accroissait, leur temps de mise sur le marché se réduisait. Une conception descendante globale et coordonnée du système est devenue indispensable de façon à tenir compte des interactions entre les parties analogiques et les partis numériques dès le début du développement. Dans le but de répondre à ce besoin, cette thèse expose un processus de raffinement progressif et méthodique des parties analogiques, comparable à ce qui existe pour le raffinement des parties numériques. L'attention a été plus particulièrement portée sur la définition des niveaux analogiques les plus abstraits et à la mise en correspondance des niveaux d'abstraction entre parties analogiques et numériques. La cohérence du raffinement analogique exige de détecter le niveau d'abstraction à partir duquel l'utilisation d'un modèle trop idéalisé conduit à des comportements irréalistes et par conséquent d'identifier l'étape du raffinement à partir de laquelle les limitations et les non linéarités aux conséquences les plus fortes sur le comportement doivent être introduites. Cette étape peut être d'un niveau d'abstraction élevé. Le choix du style de modélisation le mieux adapté à chaque niveau d'abstraction est crucial pour atteindre le meilleur compromis entre vitesse de simulation et précision. Les styles de modélisations possibles à chaque niveau ont été examinés de façon à évaluer leur impact sur la simulation. Les différents modèles de calcul de SystemC-AMS ont été catégorisés dans cet objectif. Les temps de simulation obtenus avec SystemC-AMS ont été comparés avec Matlab Simulink. L'interface entre les modèles issus de l'exploration d'architecture, encore assez abstraits, et les modèles plus fin requis pour l'implémentation, est une question qui reste entière. Une bibliothèque de composants électroniques complexes décrits en SystemC-AMS avec le modèle de calcul le plus précis (modélisation ELN) pourrait être une voie pour réussir une telle interface. Afin d'illustrer ce que pourrait être un élément d'une telle bibliothèque et ainsi démontrer la faisabilité du concept, un modèle d'amplificateur opérationnel a été élaboré de façon à être suffisamment détaillé pour prendre en compte la saturation de la tension de sortie et la vitesse de balayage finie, tout en gardant un niveau d'abstraction suffisamment élevé pour rester indépendant de toute hypothèse sur la structure interne de l'amplificateur ou la technologie à employer.

Les fluctuations électriques des composants sont une limitation à la miniaturisation des circuits. Malgré des procédés de fabrications en continuelle évolution, les variations des caractéristiques électriques dues au désappariement entre deux dispositifs limitent les performances des circuits. Concernant les applications à faible consommation, ces fluctuations locales peuvent devenir très critiques. Dans le contexte du développement d’une technologie CMOS 90nm avec mémoire Flash embarquée pour des applications basse consommation, l’appariement de transistors MOS est étudié. Une analyse de l’impact du dopage de grille des transistors NMOS est menée. L’étude se focalise sur l’appariement en tension des paires différentielles polarisées dans la zone de fonctionnement sous le seuil. Il est démontré que cet appariement peut être dégradé à cause de l’effet « hump », c'est-à-dire la présence de transistors parasites en bord d’active. Un macro-modèle permettant aux concepteurs de modéliser cet effet est présenté. Il est étudié au niveau composant, au niveau circuit et en température. Enfin, une étude de la dégradation de l’appariement des transistors MOS sous stress porteurs chauds est réalisée, validant un modèle de dégradation. Des transistors octogonaux sont proposés pour supprimer l’effet « hump » et donnent d’excellents résultats en termes d’appariement ainsi qu’en fiabilité. / Electrical fluctuations of devices limit chip miniaturization. Despite manufacturing processes in continuous evolution, circuit performances are limited by electrical characteristics variations due to mismatch between two devices. Concerning low power applications, local fluctuations can become very critical. In the context of development of a 90nm CMOS technology with Embedded Flash memory for low power applications, MOS transistors matching is studied. A study of NMOS transistors gate doping impact is conducted. Study focuses on voltage matching of differential pairs biased under threshold. It is demonstrated that this matching can be degraded due to « hump » effect, meaning presence of parasitic devices on active edge. A macro-model allowing designers to model this effect is presented. It is studied at device level, circuit level and for different temperatures. Finally, a degradation study of MOS transistors mismatch under Hot Carriers Injection stress is performed, validating a degradation model. Octagonal devices are proposed to suppress « hump » effect and give good results in terms of matching as well as reliability.

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.

Les travaux de cette thèse apportent une contribution à l'automatisation du flot de conception analogique et mixte, en termes de méthodologies de réutilisation. Des méthodologies de développement et d'exploration de bibliothèques d'IPs (Intellectual Property) analogiques sont développées : définition et caractérisation d'un IP analogique, création et exploration d'une base de données d'IPs, aide à la réutilisation destinée au concepteur. Le circuit utilisé pour l'application de ces méthodologies est un système neuromimétique c'est-à-dire qu'il reproduit l'activité électrique de neurones biologiques. Ces applications montrent à travers trois exemples, l'efficacité et la souplesse de notre méthodologie. Ces travaux proposent également une méthodologie de redimensionnement de circuits analogiques CMOS lors d'une migration technologique.

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,...).

Les systèmes sur puces intègrent aujourd’hui sur le même substrat des parties analogiques et des unités de traitement numérique. Tandis que la complexité de ces systèmes s’accroissait, leur temps de mise sur le marché se réduisait. Une conception descendante globale et coordonnée du système est devenue indispensable de façon à tenir compte des interactions entre les parties analogiques et les partis numériques dès le début du développement. Dans le but de répondre à ce besoin, cette thèse expose un processus de raffinement progressif et méthodique des parties analogiques, comparable à ce qui existe pour le raffinement des parties numériques. L'attention a été plus particulièrement portée sur la définition des niveaux analogiques les plus abstraits et à la mise en correspondance des niveaux d’abstraction entre parties analogiques et numériques. La cohérence du raffinement analogique exige de détecter le niveau d’abstraction à partir duquel l’utilisation d’un modèle trop idéalisé conduit à des comportements irréalistes et par conséquent d’identifier l’étape du raffinement à partir de laquelle les limitations et les non linéarités aux conséquences les plus fortes sur le comportement doivent être introduites. Cette étape peut être d’un niveau d'abstraction élevé. Le choix du style de modélisation le mieux adapté à chaque niveau d'abstraction est crucial pour atteindre le meilleur compromis entre vitesse de simulation et précision. Les styles de modélisations possibles à chaque niveau ont été examinés de façon à évaluer leur impact sur la simulation. Les différents modèles de calcul de SystemC-AMS ont été catégorisés dans cet objectif. Les temps de simulation obtenus avec SystemC-AMS ont été comparés avec Matlab Simulink. L'interface entre les modèles issus de l'exploration d'architecture, encore assez abstraits, et les modèles plus fin requis pour l'implémentation, est une question qui reste entière. Une bibliothèque de composants électroniques complexes décrits en SystemC-AMS avec le modèle de calcul le plus précis (modélisation ELN) pourrait être une voie pour réussir une telle interface. Afin d’illustrer ce que pourrait être un élément d’une telle bibliothèque et ainsi démontrer la faisabilité du concept, un modèle d'amplificateur opérationnel a été élaboré de façon à être suffisamment détaillé pour prendre en compte la saturation de la tension de sortie et la vitesse de balayage finie, tout en gardant un niveau d'abstraction suffisamment élevé pour rester indépendant de toute hypothèse sur la structure interne de l'amplificateur ou la technologie à employer. / Systems on Chip (SoC) embed in the same chip analogue parts and digital processing units. While their complexity is ever increasing, their time to market is becoming shorter. A global and coordinated top-down design approach of the whole system is becoming crucial in order to take into account the interactions between the analogue and digital parts since the beginning of the development. This thesis presents a systematic and gradual refinement process for the analogue parts comparable to what exists for the digital parts. A special attention has been paid to the definition of the highest abstracted analogue levels and to the correspondence between the analogue and the digital abstraction levels. The analogue refinement consistency requires to detect the abstraction level where a too idealised model leads to unrealistic behaviours. Then the refinement step consist in introducing – for instance – the limitations and non-linearities that have a strong impact on the behaviour. Such a step can be done at a relatively high level of abstraction. Correctly choosing a modelling style, that suits well an abstraction level, is crucial to obtain the best trade-off between the simulation speed and the accuracy. The modelling styles at each abstraction level have been examined to understand their impact on the simulation. The SystemC-AMS models of computation have been classified for this purpose. The SystemC-AMS simulation times have been compared to that obtained with Matlab Simulink. The interface between models arisen from the architectural exploration – still rather abstracted – and the more detailed models that are required for the implementation, is still an open question. A library of complex electronic components described with the most accurate model of computation of SystemC-AMS (ELN modelling) could be a way to achieve such an interface. In order to show what should be an element of such a library, and thus prove the concept, a model of an operational amplifier has been elaborated. It is enough detailed to take into account the output voltage saturation and the finite slew rate of the amplifier. Nevertheless, it remains sufficiently abstracted to stay independent from any architectural or technological assumption.

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.