Ces dernières années, le développement durable, notamment le contrôle de la consommation de nos appareils électriques, est devenu un enjeu majeur de notre société. L'essor de la domotique associé à cette problématique implique la nécessité d'optimiser le bilan énergétique de chaque dispositif électrique. L'objectif de cette thèse est la réalisation d'un amplificateur faible bruit (LNA) qui propose deux modes de fonctionnement suivant la qualité du signal reçu: un mode haute performance et un mode basse consommation.Afin de satisfaire la problématique liée aux systèmes multistandard, l'architecture sélectionnée pour l'amplificateur faible bruit est la topologie distribuée. En effet, elle est connue pour ses performances en terme de bande passante et permet un gain en puissance accordable. Une méthode de conception est proposée, basée sur la technologie GaAs de la fonderie TriQuint Semiconducteur Texas. Les mesures réalisées sur le LNA dans sa configuration haute performance se situe au niveau de l'état de l'art. Pour le mode basse consommation, on obtient de bonnes performances tout en réduisant sa consommation de 91%.Enfin, une stratégie de reconfiguration innovante est proposée basée sur l'intégration de notre LNA dans un récepteur homodyne. Elle permet de réduire de manière significative la consommation du récepteur, dans le cas où la puissance reçue permet un fonctionnement en mode basse consommation (contraintes sur le Bit Error Rate (BER) vérifiées). En considérant chaque puissance reçue de manière équiprobable, notre récepteur reconfigurable a une consommation réduite de 77% par rapport à un récepteur classique qui possède un seul mode de fonctionnement (mode haute performance). / In recent years, the sustainable development, especially the control of the electrical appliances' consumption, has became a major issue in our society. The optimisation of each electrical devices' energy is needed to reduce the consumption of home appliances. The objective of this thesis is the realization of a low noise amplifier (LNA) that offers two modes of operation depending on the quality of the received signal: a high performance mode and a low consumption mode.In order to meet the problem related to multistandard systems, the distributed architecture is selected for low noise amplifier. Indeed, it is known for its wide bandwidth and tunable power gain. A design method is proposed, which is based on GaAs technology of TriQuint Semiconductor Texas foundry. The LNA's high performance mode measurement results is at the level of the state of the art. For the low consumption mode, LNA shows good performance while reducing power consumption by 91%.Finally, an innovative reconfiguration strategy is defined. It's applied to a homodyne receiver based on the integration of our LNA. It reduces significantely the receiver's consumption in case where the received power allows the receiver operates in low power mode (constraint of the Bit Error Rate (BER) is verified). Considering each received power is equiprobable, our reconfigurable receiver saves consumption by 77% compared to a conventional receiver that has a single mode (high performance mode).

Les progrès réalisés par les filières silicium durant la dernière décennie ont rendu leur utilisation possible pour les bandes de fréquences millimétriques dépassant les 100 GHz, autrefois réservées aux technologies III-V. En outre, les fortes densités d'intégration qui caractérisent les filières silicium permettent d'envisager des systèmes complexes sur une seule puce, ce qui n'était pas possible auparavant avec les technologies III-V. Dans cette thèse, la faisabilité d'une conversion en fréquence directe à partir d'un signal impulsionnel en bande W est évaluée au travers de l'exemple d'un radar automobile impulsionnel doté d'une capacité de communication inter-véhicules. Actuellement, le mélangeur passif représente le meilleur choix pour entrer dans la constitution d'un récepteur à conversion directe grâce à l'absence de bruit en 1/f de cette topologie. Ce mélangeur emploie des transistors NMOS dans les filières technologiques à base de silicium. Parmi ses avantages, il faut souligner sa grande linéarité doublée d'un faible facteur de bruit, qui est par ailleurs égal aux pertes de conversion du mélangeur. Bien que largement employé dans les applications de type " low-power " aux fréquences RF ne dépassant pas quelques GHz, les limites de fréquence de cette topologie ne sont pas clairement définies. Une première partie de ce travail a consisté à évaluer la faisabilité de cette topologie en bande W en se basant sur une filière technologique 0,13 um SiGe BiCMOS. L'effet de la géométrie du transistor NMOS sur les performances obtenues est largement discuté concernant les pertes de conversion et la linéarité. Ces résultats sont ensuite exploités pour concevoir un convertisseur de fréquence centré sur une fréquence de 79 GHz en incluant les amplificateurs permettant de contrôler le mélangeur de manière optimale sur ses trois accès RF, OL et FI. Pour extraire les principales caractéristiques de ce circuit que sont le gain de conversion, le point de compression et le facteur de bruit, un banc de mesure complet décrit en dernière partie a dû être développé. Les résultats expérimentaux obtenus font état d'un fonctionnement à l'état de l'art, avec un gain de conversion de 14,5 dB à la fréquence optimale centrée sur 76 GHz , un facteur de bruit en bande double de 6,3 dB et un point de compression en sortie de -10 dBm. Ces résultats, relativement proches des simulations, valident l'ensemble de la démarche employée.

Capteurs et dispositifs électroniques des magnétomètres dédiés à l'étude des ondes dans les plasmas spatiaux.

Cette thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de diodes lasers de puissance, faible bruit à 1.5 µm sur InP pour des applications d'optique hyperfréquence, notamment pour des liaisons optiques analogiques de grande dynamique pour les systèmes radar. La première partie du travail a consisté à modéliser et concevoir des structures laser DFB ayant de faibles pertes internes. Ces structures, appelées lasers à semelle, incorporent une couche épaisse de matériaux entre la zone active et le substrat pour agrandir et délocaliser le mode propre optique des zones dopées p. La complexité de la conception résidait dans le bon compromis à trouver entre les performances statiques et dynamiques. Nous avons réalisé des diodes-lasers DFB avec une puissance > 150 mW, un rendement de 0.4 W/A, un niveau de bruit de 160 dB/Hz et une bande passante de modulation à 3 dB de 7.5 GHz. Les composants ont ensuite été caractérisés puis évalués dans des liaisons analogiques. Nous avons démontré des performances de gain de liaison, de dynamique et de point de compression à l'état de l'art mondial. En bande L (1-2 GHz) par exemple, nous avons montré des liaisons avec 0.5 dB de gain, un point de compression de 21 dBm et une dynamique (SFDR) de 122 dB.Hz2/3.En utilisant la même méthodologie de conception, la dernière partie du travail de thèse a été consacrée à la réalisation et à la caractérisation de lasers de puissance à verrouillage de modes pour la génération de train d'impulsions ultra-courts et la génération de peignes de fréquences. Ces structures présentent de très faibles largeurs de raie RF (550 Hz) et de très fortes puissances optiques (> 18 W en puissance crête).

L'objectif de ce travail est de concevoir et de caractériser un front-end millimétriqueutilisant des lignes de propagation à ondes lentes S-CPW optimisées en technologies CMOS avancées.Ces lignes présentant des facteurs de qualité 2 à 3 fois supérieurs à ceux des lignes classiques de typemicroruban ou CPW.Dans le premier chapitre, l'impact de l'évolution des noeuds technologiques CMOS sur lesperformances des transistors MOS aux fréquences millimétriques et sur les lignes de propagation ainsiqu'un état de l'art concernant les performances des front-end sont présentés. Le deuxième chapitreconcerne la réalisation des lignes S-CPW dans différentes technologies CMOS et la validation d'unmodèle phénoménologique électrique équivalent. Le troisième chapitre est dédié à la conceptiond'amplificateurs de puissance à 60 GHz utilisant ces lignes S-CPW en technologies CMOS 45 et65 nm. Cette étude a permis de mettre en évidence l'apport des lignes à ondes lentes aux performancesdes amplificateurs de puissance fonctionnant dans la gamme des fréquences millimétriques. Uneméthode de conception basée sur les règles d'électro-migration et permettant une optimisation desperformances a été développée. Finalement, un amplificateur faible bruit et un commutateur d'antennetravaillant à 60 GHz et à base de lignes S-CPW ont été conçus en technologie CMOS 65 nm afin degénéraliser l'impact de ce type de lignes sur les performances des front-end millimétriques.

Grace aux récents développements des technologies d’intégration, il est aujourd’hui possible d’envisager la réalisation de circuits et systèmes intégrés sur Silicium fonctionnant à des fréquences auparavant inatteignables. Par conséquence, depuis quelques années, on assiste à la naissance de nouvelles applications en bande millimétrique, comme la communication sans fil à haut-débit à 60GHz, les radars automobiles à 76-77 et 79-82GHz, et l’imagerie millimétrique à 94GHz.Cette thèse vise, en premier lieu, à la définition d’une méthodologie de conception des circuits intégrés en bande millimétrique. Elle est par la suite validée au travers de son application à la conception des amplificateurs faible-bruit en technologie BiCMOS SiGe. Dans ce contexte, une attention particulière a été portée au développement d’une stratégie de conception et de modélisation des inductances localisées. Plusieurs exemples d’amplificateurs faible-bruit ont été réalisés, à un ou deux étages, employant des composants inductifs localisés ou distribués, à 60, 80 et 94 GHz. Tous ces circuits présentent des caractéristiques au niveau de l’état de l’art dans le domaine, ainsi en confirmant l’exactitude de la méthodologie de conception et son efficacité sur toute la planche de fréquence considérée. En outre, la réalisation d’un récepteur intégré pour applications automobiles à 80GHz est aussi décrite comme exemple d’une possible application système, ainsi que la co-intégration d’un amplificateur faible-bruit avec une antenne patch millimétrique intégrée sur Silicium. / The interest towards millimeter waves has rapidly grown up during the last few years, leading to the development of a large number of potential applications in the millimeter wave band, such as WPANs and high data rate wireless communications at 60GHz, short and long range radar at 77-79GHz, and imaging systems at 94GHz.Furthermore, the high frequency performances of silicon active devices (bipolar and CMOS) have dramatically increased featuring both fT and fmax close or even higher than 200GHz. As a consequence, modern silicon technologies can now address the demand of low-cost and high-volume production of systems and circuits operating within the millimeter wave range. Nevertheless, millimeter wave design still requires special techniques and methodologies to overcome a large number of constraints which appear along with the augmentation of the operative frequency.The aim of this thesis is to define a design methodology for integrated circuits operating at millimeter wave and to provide an experimental validation of the methodology, as exhaustive as possible, focusing on the design of low noise amplifiers (LNAs) as a case of study.Several examples of LNAs, operating at 60, 80, and 94 GHz, have been realized. All the tested circuits exhibit performances in the state of art. In particular, a good agreement between measured data and post-layout simulations has been repeatedly observed, demonstrating the exactitude of the proposed design methodology and its reliability over the entire millimeter wave spectrum. A particular attention has been addressed to the implementation of inductors as lumped devices and – in order to evaluate the benefits of the lumped design – two versions of a single-stage 80GHz LNA have been realized using, respectively, distributed transmission lines and lumped inductors. The direct comparison of these circuits has proved that the two design approaches have the same potentialities. As a matter of fact, design based on lumped inductors instead of distributed elements is to be preferred, since it has the valuable advantage of a significant reduction of the circuit dimensions.Finally, the design of an 80GHz front-end and the co-integration of a LNA with an integrated antenna are also considered, opening the way to the implementation a fully integrated receiver.

Les travaux de thèse présentés se situent dans le contexte de la conception de circuits intégrés en technologie CMOS avancée pour des applications radiofréquence à très faible consommation de puissance. Les circuits sont conçus à travers deux concepts. Le premier est l'utilisation du coefficient d'inversion qui permet de normaliser le transistor en fonction de sa taille et de sa technologie, ceci permet une analyse rapide pour différentes performances visées ou différentes technologies. La deuxième approche est d'utiliser un facteur de mérite pour trouver la polarisation la plus adéquate d'un circuit en fonction de ses performances. Ces deux principes ont été utilisés pour définir des méthodes de conception efficaces pour deux blocs radiofréquence : l'amplificateur faible bruit et l'oscillateur. / Thesis work are presented in the context of the integrated circuits design in advanced CMOS technology for ultra low power RF applications. The circuits are designed around two concepts. The first is the use of the inversion coefficient to normalize the transistor as a function of its size and its technology, this allows a quick analysis for different performances or different technologies. The second approach is to use a figure of merit to find the most appropriate polarization of a circuit based on its performance. These two principles were used to define effective design methods for two RF blocks: low noise amplifier and oscillator.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l'étude de sources laser à semi-conducteur de haute cohérence, émettant à 894 nm, pour application aux horloges atomiques Césium compactes pompées optiquement, dans un contexte de développement industriel. Nous nous intéressons plus particulièrement aux lasers à émission par la tranche, dits "Distributed-Feedback" (DFB), pompés électriquement. L'objectif est d'obtenir un laser monomode en fréquence, à faible seuil, à rendement optique élevé et de largeur de raie inférieure à 1 MHz. Nous traitons d'abord de la conception et de la caractérisation au 1er ordre des diodes DFB, jusqu'à leur mise en modules pour horloge, puis nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence temporelle, en introduisant une nouvelle méthode universelle de caractérisation du bruit de fréquence optique. Enfin, nous nous intéressons aux propriétés spectrales de l'émission en configuration d'asservissement sur une raie de fluorescence du Césium ("Dither-Locking"). Nous montrons que les propriétés intrinsèques du composant satisfont aux exigences du système industriel tel qu'il a été défini lors de l'étude. / This PhD work deals with the design, the fabrication and the study of high-coherence semiconductor laser sources emitting at 894 nm, for application to compact, optically-pumped cesium atomic clocks in an industrial context. We are particularly interested in the electrically pumped "Distributed-Feedback" in-plane laser diodes (DFB). The aim is to obtain a low-threshold, single-mode laser with high optical efficiency and a linewidth of less than 1 MHz. We first deal with the design and first-order characterization of the DFB diodes until they are put into modules for the clock. We then carry out an in-depth study of the physical properties of the laser emission in terms of coherence time. For that purpose, a new universal method for characterizing the optical frequency noise is introduced. Finally, we look further into the spectral properties of the emission in a servo configuration on a fluorescence line of the cesium ("Dither-Locking"). We show that the intrinsic properties of the component satisfy the requirements of the industrial system as defined in the study.

Aujourd'hui, il y a une augmentation du nombre de normes étant intégré dans des appareils mobiles. Les problèmes principaux sont la durée de vie de la batterie et la taille de l'appareil. L'idée d'un Radio-Logiciel est de pousser le processus de numérisation aussi près que possible de l'antenne. Dans cette thèse, nous présentons la première mise en œuvre d'un récepteur radio-logiciel complet basé sur Sigma-Delta RF passe-bande, y compris un LNA à gain variable (VGLNA), un ADC Sigma-Delta RF sous-échantillonné, un mélangeur bas-conversion RF numérique et un filtre de décimation polyphasé multi-étage multi-taux. Le VGLNA élargit la gamme dynamique du récepteur multi-standard pour atteindre les exigences des trois normes sans fil ciblées. Aussi une architecture mixte, en utilisant à la fois Source-Coupled Logic (SCL) et des circuits CMOS, il est proposé d'optimiser la consommation des circuits RF numériques. Par ailleurs, nous proposons une architecture de filtre en peigne à plusieurs étages avec décomposition polyphase à réduire la consommation d'énergie. Le récepteur est mesuré pour trois normes différentes dans la bande de 2.4 GHz, la bande ISM. Les résultats des mesures montrent que le récepteur atteint 79 dB, 73 dB et 63 dB de plage dynamique pour les normes Bluetooth, ZigBee et WiFi respectivement. Le récepteur complet, mis en œuvre dans le procédé CMOS 130 nm, a une fréquence centrale accordable de 300 MHz et consomme 63 mW sous 1.2 V. Comparé à d'autres récepteurs, le circuit proposé consomme 30% moins d'énergie, la plage dynamique est de 21 dB supérieur, IIP3 est de 6 dB supérieur et le facteur de mérite est de 24 dB supérieur. / Nowadays there is an increase in the number of standards being integrated in mobile devices. The main issues are battery life and the size of the device. The idea of a Software Defined Radio is to push the digitization process as close as possible to the antenna. Having most of the circuit in the digital domain allows it to be reconfigurable thus requiring less area and power consumption. In this thesis, we present the first implementation of a complete SDR receiver based on RF bandpass Sigma-Delta including a Variable-Gain LNA (VGLNA), an RF subsampled Sigma-Delta ADC, an RF digital down-conversion mixer and a polyphase multi-stage multi-rate decimation filter. VGLNA enlarges the dynamic range of the multi-standard receiver to achieve the requirements of the three targeted wireless standards. Also a mixed architecture, using both Source-Coupled Logic (SCL) and CMOS circuits, is proposed to optimize the power consumption of the RF digital circuits. Moreover, we propose a multi-stage comb filter architecture with polyphase decomposition to reduce the power consumption. The receiver is measured for three different standards in the 2.4 GHz ISM-band. Measurement results show that the receiver achieves 79 dB, 73 dB and 63 dB of dynamic range for the Bluetooth, ZigBee and WiFi standards respectively. The complete receiver, implemented in 130 nm CMOS process, has a 300 MHz tunable central frequency and consumes 63 mW under 1.2 V supply. Compared to other SDR receivers, the proposed circuit consumes 30% less power, the DR is 21 dB higher, IIP3 is 6 dB higher and the overall Figure of Merit is 24 dB higher.

Silicon-on-Insulator (SOI) CMOS technology constitutes a good candidate for mixed signal RF CMOS applications. Due to its low junction capacitance and reduced leakage current, SOI provides reduced static and dynamic power consumption of the digital logic combined with increased cut-off frequencies. Moreover, in terms of passive device integration the major benefit of SOI when compared to the conventional bulk is the possibility to use a high resistivity substrate which allows a drastic reduction of substrate losses allowing a high quality factor of the passive devices. Another issue is the harsh environment applications. Electronics capable of operating at high temperatures are required in several industrial applications, including the automobile industry, the aerospace industry, the electrical and nuclear power industries, and the well-logging industry. The capability of SOI circuits to expand the operating temperature range of integrated circuits up to 300°C has been demonstrated. SOI devices and circuits present advantages in this field over bulk counterparts such as the absence of thermally-activated latch up and reduced leakage current. In this context, various topologies of integrated transmission lines and spiral inductors implemented on standard and high substrate resistivities have been analyzed over a large temperature range. The temperature behavior of the SOI transistors is presented. The main figures-of-merit of the SOI MOSFETs are analyzed and the extraction of the extrinsic and intrinsic parameters of the small signal equivalent circuit is performed. Also, an example of RF circuit applications of the SOI technology, based on a fully integrated Low-Noise Amplifier for low-power and narrow-band applications, is investigated and characterized at high temperature. The main figures-of-merit of the designed circuit are extracted and discussed. The good results show that the SOI technology is now emerging as a good candidate for the realization of analog integrated circuits for low-power and high-temperature applications.