Dans le cadre des nouvelles applications dans la bande de fréquence millimétrique, une évaluation de la technologie CMOS 65nm SOI pour la conception de circuits est proposée. Cette évaluation s'articule autour de deux axes principaux. Tout d'abord les composants actifs et passifs spécifiques à la technologie font l'objet d'une étude en terme de performances et de modélisations. Ensuite la technologie est évaluée au travers d'exemple de circuits composant une chaîne de réception. La caractérisation des composants à des fréquences allant jusqu'à 110GHz a permis de montrer le gain associé à la technologie SOI pour l'utilisation de transistors et de lignes de transmissions. Les figures de bruit minimum mesurées sur les transistors SOI flottant représentent aujourd'hui l'état de l'art. De la même manière les constantes d'atténuation mesurées sur des lignes coplanaires dans cette technologie sont de l'ordre de celle obtenues avec des technologies dédiées. Le développement de modèles pour l'actif et le passif à permis également l'évaluer cette technologie avec des blocs spécifiques d'une chaîne de réception à des fréquences millimétriques. Plusieurs amplificateurs faible bruit pour des fréquences allant de 60GHz à 94GHz ont été réalisés. Ces différentes réalisations ont montré des performances en ligne avec l'état de l'art en terme de figure de bruit minimum ou de gain. L'évaluation a également portée sur les mélangeurs passifs. Ce dernier bloc a notamment permis de montrer les différences entre substrat massif et SOI pour un même nœud technologique. Grâce à ce travail nous pouvons affIrmer que la technologie CMOS SOI 65nm permet de réaliser des circuits à des fréquences millimétriques proches de l'état de l'art. Ce travail a également permis le développement de nouvelles méthodes de conception dans un environnement industriel. Ces résultats ont également donné lieu à plusieurs communications internationales avec acte ainsi qu'un dépôt de brevet. / As the 65nm CMOS SOI technology was not initially developed for millimeter wave design, this work demonstrates the advantages of using this technology for applications at such high frequencies. The demonstration is focused on two parts. First active and passive devices are studied in order to evaluate the potentiality for low noise and high gain performances at millimeter frequencies. Different figures of merit are introduced for both actives and passives. Characterization and modeling techniques improvement are developed in this work. ln a second part, reception millimeter wave building blocks are developed such as low noise amplifiers and mixers. The advantages of SOI-MOSFETs in comparison with bulk are important not only for the digital world but : also for analog/RF design. The maximum fT and fmax of the floating body and body contacted transistors are : 155/200 GHz and 132/150 GHz respectively. The NFmin performance of the FB transistor is 3.5dB at 80GHz. This thesis work proposes millimeter wave frequencies models for passive components on a CMOS BEOL. Specific models for coplanar wave guides, discontinuities, inductors and capacitors are developed. Measurements and electromagnetic simulations are used to highlight the increase performances by using SOI substrate instead of bulk. The 65nm CMOS SOI process is proved to be a very promising technology for millimetre wave applications among other the 80GHz 3 stages LNA developed in this work which is state of the art in term of CMOS noise performance at 80GHz. The benefit of the CMOS SOI is illustrated with a comparison of two blocks designed at the same frequency in both technologies. The CMOS SOI demonstrates a very good, improvement in terms of power consumption and area saving. ln the near future, SOI is clearly one of the most promising solutions for applications at millimeter wave frequencies. As it is shown, wireless technologies require high-performance transistors and low-loss passive devices. One major point not studied in this work is the ability to design on-chip antenna in SOI. Today, the SOI CMOS silicon technology is the only one allowing this type of approach at millimeter wave frequency. Nevertheless, although a mass product should lower the cost of the SOI technology, a choice between benefits associated to SOI and additional cost in comparison with bulk have to be considered for each targeted applications

Durant ces vingt dernières années l'émergence des technologies MEMS a rendu possible l'intégration de capteurs au sein de systèmes complexes de taille réduite. Quelques-uns de ces capteurs se retrouvent dans des dispositifs tels que les téléphones mobiles, GPSs, ordinateurs portables… Il existe néanmoins une contrainte majeure, quand à l’utilisation de capteurs dans les applications fonctionnant sur batterie : leurs «consommation». En effet du fait de cette contrainte la plus part des capteurs développés de nos jours sont basés sur des modes de transduction capacitif limitant ainsi la consommation mais par la même occasion complexifiant lourdement la conception de l’élément sensible. Cette complexité de réalisation de l’élément sensible se répercute donc sur le prix du produit final. Le meilleur moyen de diminuer le prix de revient d’un capteur est l’utilisation d’une technologie de transduction qui permet de diminuer la complexité structurelle du capteur. La transduction résistive répond bien à ce problème, cependant les structures de conditionnement de signal les plus utilisées dissipent une puissance excessive. Cette thèse propose donc l’étude d’une structure électronique faible bruit / faible consommation innovante (le pont Actif) permettant le conditionnement de signaux issus de capteurs résistifs. Les critères d’évaluation du pont actif sont ici le gain, le bruit intrinsèque de l’électronique (facteur limitant de la résolution) et, le plus important, la consommation globale du capteur (éléments sensible + électronique de traitement). / Since resistive sensors exist, the Wheatstone bridge has been the most commonly used conditioningand read-out architecture. Even with the development of MEMS in the last decade, the Wheatstonebridge remains the preferred solution to transpose a physical magnitude into the electrical domain assoon as a resistive transduction method is used. Nevertheless the Wheatstone bridge introduces amajor issue for low-power sensors, the dependence of resolution to power consumption. Moreover,the output signal is directly proportional to the supply voltage. Finally, power consumption is theprice to pay for high resolution in a Wheatstone bridge.Low-power requirement, in mobile applications, is probably one of the main reasons to explain whycapacitive transduction has been preferred for many MEMS. Indeed, even if the fabrication process isoften more complex than for resistive sensors, the power consumption of capacitive transduction isfar below the one of dissipative resistor-based sensors.In order to extend the potential application of resistive MEMS, a power-efficient interface circuit isrequired. My PhD thesis deals with the design and manufacturing of an innovative conditioning andread-out interface for resistive MEMS sensor. The proposed structure includes a digital offsetcompensation for robustness to process, voltage, temperature variations, and/or analog to digitalconversion. Results demonstrate good resolution to power consumption ratio and a good immunityto environmental parameters. Experimental results on a fully integrated CMOS/MEMS sensor finallydemonstrate the efficiency of this promising read-out architecture called The active bridge.

Les oscillateurs sont des blocs qui figurent dans presque tous les circuits. En effet,ils sont utilisés pour générer les signaux de synchronisation (les horloges), les signauxmodulés et démodulés ou récupérer des signaux noyés dans du bruit (détection synchrone).Les caractéristiques de ces oscillateurs dépendent de l'application. Dans le cas des boucles àverrouillage de phase (PLL), il existe de fortes exigences en matière de stabilité et de bruitde phase. En outre, face aux avancées des technologies nanométriques, il est égalementnécessaire de prendre en compte les effets liés à la variabilité des procédés de fabrication.Aujourd'hui, de nombreuses études sont menées sur les oscillateurs asynchrones en anneauqui présentent des caractéristiques bien adaptées à la gestion de la variabilité et qui offrentune structure appropriée pour limiter le bruit de phase. A ce titre, les anneaux asynchronessont considérés comme une solution prometteuse pour générer des horloges.Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par les oscillateursasynchrones en anneau. Deux applications principales ont été identifiées. D'une part, cesoscillateurs sont une solution prometteuse pour la génération d'horloges polyphasées àhaute fréquence et à faible bruit de phase. D'autre part, ils constituent une alternativesimple, dans une certaine mesure aux oscillateurs plus conventionnels et aux DLLs, car ilssont programmables en fréquence numériquement et sont susceptibles de fournir lesfonctionnalités d'arrêt de type gated clock de façon native. Plusieurs oscillateurs ont étéconçus, implémentés, fabriqués en technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics et,finalement, caractérisés sous pointes. Ces travaux ont notamment permis de démontrer lapertinence de ces oscillateurs, qui constituent une alternative sérieuse aux très classiquesoscillateurs en anneau à base d'inverseurs.

L'engouement récent pour l'Internet des Objets comme pour les communications satellites entraine des besoins forts en systèmes de communication radio-fréquence (RF) performants. Afin de répondre aux contraintes du marché de masse, ces systèmes doivent être toujours moins encombrants et permettre de maitriser leur consommation de puissance. Ils doivent également être capable d'adresser plusieurs standards de communications et d'ajuster leur performances aux besoins de leur environnement, toujours afin de réduire leur taille et leur consommation. Actuellement, beaucoup de travaux se concentrent sur le développement d'amplificateurs faible-bruits (LNA), le bloc le plus critique des récepteurs RF. L'objectif est donc de concevoir des récepteurs multi-mode et multi-standard. Pour cela, les LNA nécessitent des flots de conception capables de s'adapter aux différentes technologies et topologies afin de répondre à des cahiers des charges très diverses. Cette thèse a donc pour objectif le développement de méthodologies de conception simple et précise pour l'implémentation d'amplificateurs faible bruit.La première méthodologie présentée est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie COTS pour des applications spatiales. Ce LNA présente une adaptation large-bande pour adresser plusieurs standards. Il a été conçu pour faire partie d'un récepteur RF dédié aux nano-satellites. Ce dernier a donc fait l'objet d'une étude préliminaire afin de déterminer le cahier des charges à partir des normes des standards visés.La seconde méthodologie est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie CMOS pour n'importe quelle type d'applications. Cette méthodologie est d'abord présentée au travers de topologies simples, puis appliquée à un LNA sans inductances à forte linéarité. Cette méthodologie permet notamment de comparer les topologies mais également les technologies CMOS, même les plus avancées telle que la 28 nm FDSOI.Enfin le LNA sans inductances est rendu reconfigurable pour adresser plusieurs standards tout en gardant le dimensionnement optimum obtenu par la méthodologie présentée précédemment. En effet les tailles et polarisation de chaque transistor sont contrôlées numériquement afin d'adapter les performances du LNA à un standard donné. De plus, l'étude de filtres de type N-path combinés au LNA proposé permet d'étendre encore la linéarité du circuit / The recent enthusiasm for the Internet of Objects as well as for satellite communications leads to the need for high-performance radio-frequency (RF) communication systems. In order to meet the constraints of the mass market, these systems must be compact and be as low power as possible. Beside, they are expected to address multiple communication standards and to adjust their performance to the environment, still in order to reduce the size and the power consumption. Currently, many works focus on the development of low-noise amplifiers (LNA), the most critical block of RF receivers. To address this purpose, the goal is to design multi-mode and multi-standard receivers. Hence, LNAs require design flows that can adapt to the different technologies and topologies in order to meet any given set of specifications. This thesis aims at the development of simple and accurate design methodologies for the implementation of low-noise amplifiers.The first proposed methodology is dedicated to the implementation of a LNA in COTS technology for spatial applications. This LNA offers a broadband matching to address several standards. It is designed to be part of an RF receiver for nano-satellites. Thus, the latter is first studied in order to determine the specifications based on the standards of the targeted applications.The second methodology is dedicated to the implementation of LNAs in CMOS technology for any kind of applications. This methodology is first illustrated with basic topologies and then applied to an highly linear inductorless LNA. The design methodology also enables a fair comparison between the topologies and also CMOS technologies, even the most advanced ones such as the 28 nm FDSOI.Finally, reconfigurability is added to the inductorless LNA, to address several standards while retaining the optimum sizing given by the previously introduced methodology. Indeed, the size and polarization of each transistor are digitally controlled in order to adjust the LNA's performance to a given standard. Furthermore, the study of N-path filters combined with the proposed LNA is explored to improve the linearity of the circuit.

Les oscillateurs sont des blocs qui figurent dans presque tous les circuits. En effet,ils sont utilisés pour générer les signaux de synchronisation (les horloges), les signauxmodulés et démodulés ou récupérer des signaux noyés dans du bruit (détection synchrone).Les caractéristiques de ces oscillateurs dépendent de l'application. Dans le cas des boucles àverrouillage de phase (PLL), il existe de fortes exigences en matière de stabilité et de bruitde phase. En outre, face aux avancées des technologies nanométriques, il est égalementnécessaire de prendre en compte les effets liés à la variabilité des procédés de fabrication.Aujourd'hui, de nombreuses études sont menées sur les oscillateurs asynchrones en anneauqui présentent des caractéristiques bien adaptées à la gestion de la variabilité et qui offrentune structure appropriée pour limiter le bruit de phase. A ce titre, les anneaux asynchronessont considérés comme une solution prometteuse pour générer des horloges.Cette thèse étudie les avantages et les potentiels offerts par les oscillateursasynchrones en anneau. Deux applications principales ont été identifiées. D’une part, cesoscillateurs sont une solution prometteuse pour la génération d’horloges polyphasées àhaute fréquence et à faible bruit de phase. D’autre part, ils constituent une alternativesimple, dans une certaine mesure aux oscillateurs plus conventionnels et aux DLLs, car ilssont programmables en fréquence numériquement et sont susceptibles de fournir lesfonctionnalités d’arrêt de type gated clock de façon native. Plusieurs oscillateurs ont étéconçus, implémentés, fabriqués en technologie CMOS 65 nm de STMicroelectronics et,finalement, caractérisés sous pointes. Ces travaux ont notamment permis de démontrer lapertinence de ces oscillateurs, qui constituent une alternative sérieuse aux très classiquesoscillateurs en anneau à base d’inverseurs. / Oscillators are essential building blocks in many applications. For instance, they arebasic blocks in almost all designs: they are part of PLLs, clock recovery systems andfrequency synthesizers. The design of a low phase-noise multi-phase clock circuitry isespecially crucial when a large number of phases is required. There are plenty of workscovering the design of multiphase clocks. High frequency oscillators can be implementedusing ring structures, relaxation circuits or LC circuits. Ring architectures can easily providemultiple clocks with a small die size. With the advanced nanometric technologies, it is alsorequired to deal with the process variability, stability and phase noise. Today many studiesare oriented to Self-Timed Ring (STR) oscillators which present well-suited characteristicsfor managing process variability and offering an appropriate structure to limit the phasenoise. Therefore, self-timed rings are considered as promising solution for generatingclocks.This thesis studies the benefits and potential offered by Self-Timed Ring oscillators.Two main applications have been identified. On the one hand, these oscillators are apromising solution for the generation of high-frequency multi-phase low phase noise clocks.On the other hand, they are a simple alternative to some extent to the conventionaloscillators and DLLs, because they are digitally programmable. Several oscillators havebeen designed, implemented, manufactured in 65 nm CMOS technology fromSTMicroelectronics, and characterized. This work has demonstrated the relevance of theseoscillators, which are a serious alternative to the conventional ring oscillators based oninverters.

La mise à l’échelle des technologies CMOS s’accompagne d’une réduction des tensions d’alimentation qui dégrade fortement la fonctionnalité des circuits RF. L’effet de substrat, conventionnellement considéré comme un effet parasite du transistor MOS, est ici exploité pour proposer des topologies de circuits capables de supporter un fonctionnement sous faible tension d’alimentation. Cette thématique est l’objet principale de ma thèse que j’ai débuté en Septembre 2007, supportée par une bourse MENRT. La pré-polarisation a permis de réduire de 1.2 V à 0.5 V la tension d’alimentation d’une structure cascode en technologie CMOS 0.13 µm. Une méthodologie de conception sous contrainte de faible consommation en puissance a été ensuite validée par les mesures. Il a été également démontré que la linéarité de circuits RF peut être optimisée par l’application d’une tension appropriée sur le substrat du transistor principal MOS. Le démonstrateur, un LNA, utilise un DAC pour l’ajustement de cette tension. Il accède ainsi au concept des circuits à contrôle numérique ou « digitally enhanced ». / Abstract

L'activité de recherche scientifique effectuée dans le cadre de mon doctorat de sciences s'est déroulée dans le secteur de la conception de circuits intégrés radiofréquences pour des systèmes ultra-wideband (UWB) et aux ondes millimétriques, et s'est articulée comme suit: (i) circuits intégrés radiofréquences pour émetteur-récepteurbasse puissance pour réseaux locaux wireless; (ii) radar UWB complètement intégré pour la surveillance cardio-pulmonaire en technologie 90nm CMOS; (iii) amplificateurs faible bruit (LNA) à 60 GHz en technologie standard 65nm CMOS. / The research activity carried out during this PhD consists on the design of radio- frequency integrated circuits, for ultra-wideband (UWB) and millimeter-wave sys- tems, and covers the following topics: (i) radio-frequency integrated circuits for low-power transceivers for wireless local networks; (ii) fully integrated UWB radar for cardio-pulmonary monitoring in 90nm CMOS technology; (iii) 60-GHz low noise amplifer (LNA) in 65nm CMOS technology.

La pénétration importante d’objets communicants dans notre vie quotidienne révèle des défis important quant à leur développement. Notamment l’explosion d'applications multimédia sans fil pour l'électronique grand public fait de la consommation électrique une métrique clef dans la conception des dispositifs portables multimodes sans fil. Les émetteurs-récepteurs conventionnels proposent des performances fixes et sont conçus pour respecter ces hautes performances dans toutes les conditions de communication sans fil. Cependant, la plupart du temps, le canal n'est pas dans le pire cas de communication et ces émetteurs-récepteurs sont donc surdimensionnés. En connaissant l’état du canal en temps réel, de tels dispositifs pourraient s'adapter aux besoins et réduire significativement leur consommation électrique. Le défi consiste à respecter la Qualité de Service , ou Quality of Service (QoS) en anglais, imposée par les différents standards de communication. Afin de rester compétitifs, les émetteurs-récepteurs adaptatifs doivent donc proposer une même QoS que ceux déjà disponibles sur le marché. Ainsi, ni la portée de communication ni le temps de réponse ne peuvent être dégradés.Basé sur ces exigences, cette thèse propose une technique d'adaptation pour la conception d'un récepteur reconfigurable qui fonctionne à la limite des performances nécessaires pour recevoir le signal utile. Ainsi, le récepteur proposé est toujours au minimum de consommation électrique tout en garantissant la bonne QoS. Ceci permet alors de multiplier la durée de vie de sa batterie par un facteur 5.Cette adaptabilité est démontrée ensuite côté circuit par la conception d'un LNA (Amplificateur Faible Bruit) dont les performances sont reconfigurables. En effet, en tant que premier élément de la chaîne de réception, le LNA limite le récepteur en termes de sensibilité. Ces travaux exploitent la technologie FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) pour d’une part, réduire la consommation du LNA et d’autre part, ajouter de la reconfigurabilité à ce même circuit. / Communicating objects are inviting themselves into daily life leading to digitization of the physical world. This explosion of multimedia wireless applications for consumer electronics makes the power consumption a key metric in the design of multi-mode wireless portable devices. Conventional transceivers have fixed performances and are designed to meet high performances in all wireless link conditions. However, most of the time, the channel of communication is not at worst case and these transceivers are therefore over specified. Being aware of the channel link conditions would allow such devices to adapt themselves and to reduce significantly their power consumption. Therefore, the challenge is to propose a QoS (Quality of Service) in terms of communication range, response time as instance, equivalent to industrial modules with a reduced overall power consumption.To address this purpose, this thesis proposes a design strategy for the implementation of adaptive radio-frequency receiver (Rx) modules. Hence the Rx front end achieves the correct QoS for various scenarii of communications with a minimum of power consumption.As a proof of concept, the adaptive approach is demonstrated with the design of a tunable LNA (Low Noise Amplifier). As the first element of the receiver chain, the LNA limits the receiver in terms of sensitivity and is therefore a good candidate to perform reconfiguration. The body biasing of the FD-SOI (Fully Depleted Silicon-On-Insulator) technology is first exploited to reduce the power consumption of a circuit and then as an opportunity to perform circuit tunability.

De nos jours, les modules hyperfréquences doivent de plus en plus présenter non seulement des performances électriques sans cesse améliorées mais aussi des fonctionnalités nouvelles ainsi que de fortes compacités, et des coûts de fabrication les plus réduits possibles. Les perspectives attractives apportées par l'utilisation des technologies SiGe permettent aujourd'hui d'envisager la réalisation de circuits intégrés jusqu'aux fréquences millimétriques tandis que, dans le même temps, le développement rapide des technologies MEMS RF permet de réaliser de nouvelles fonctionnalités au niveau des circuits radiofréquences. Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un concept d'amplificateur faible bruit reconfigurable en fréquence (HIPERLAN et BLUETOOTH), basé sur l'association des technologies SiGe et MEMS RF. Conception et performances simulées des amplificateurs élaborés à la fois pour une intégration monolithique et une autre par fil de souduresont alors présentées. La deuxième partie est entièrement consacrée à la conception et la réalisation des MEMS RF suivant les spécifications que nous avons établi lors de la première partie. Conception, réalisation et caractérisation des structures MEMS RF sont présentés, pour aboutir à l'obtention de performances situées à l'état de l'art pour des capacités autant séries que parallèles. La dernière partie, traite de l'assemblage entre les deux technologies MEMS et SiGe, avec trois études réalisées sur une intégration monolithique dite « Above IC », un assemblage par fils de soudure et un assemblage Flip Chip. Au final, des modules de test assemblés sont présentés et caractérisés

Les expériences de violation de la parité dans les atomes, explorant l'interaction faible électron-noyau à très faible énergie sont un test de la théorie électrofaible complémentaire de ceux de haute énergie. Une mesure précise de la charge faible du noyau de césium apporterait des informations très utiles sur les corrections radiatives. L'expérience proposée sur la transition très interdite 6S - 7S du césium à 540 nm vise à atteindre une précision de l'ordre de 1% sur cette mesure. Les atomes sont excités de 6S à 7S en présence d'un champ électrique longitudinal par un laser pulsé (durée de l'ordre de 10 ns). Il sont ensuite détectés par émission induite par un laser sonde accordé sur 7S - 6P3/2 à 1.470 μm). L'amplification transitoire du faisceau sonde peut dépasser 100%. La vapeur présente un fort dichroïsme plan dû à l'alignement de 7S par la polarisation linéaire du faisceau pompe. L'interaction faible dans l'atome fait tourner cet alignement d'un petit angle (1 à 10 microradians) que la mesure de la polarisation de la sonde amplifiée permet de déterminer. Dans cette thèse sont décrites les trois principales étapes que nous avons franchies: l'essai avec un champ transverse et des lasers continus, la mise en oeuvre d'un laser pulsé, et enfin le passage à une configuration de champ longitudinal. L'utilisation d'un polarimètre équilibré à deux voies spécialement étudié et d'une double chaine de mesure d'impulsions lumineuses a permis la mesure à chaque tir du taux de polarisation d'impulsions de 10^8 photons, au bruit de photons près. Les résultats obtenus semblent indiquer que l'expérience projetée sera réalisable.