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.

L’augmentation du nombre d’appareils communicants et du débit de données a pour conséquence une montée en fréquence des dispositifs micro-ondes, notamment dans le secteur du spatial. L’optimisation des modules existants n’est pas toujours suffisante. Il faut donc synthétiser de nouveaux circuits. Cependant, la plupart des méthodes de synthèse existantes, inclues dans les logiciels de CAO, ne prennent pas en compte les modèles à pertes des fondeurs. Or, plus la fréquence de fonctionnement est élevée, plus leurs prises en compte est indispensable. Cette thèse propose une nouvelle méthode de synthèse et de conception pour les circuits faible bruit intégrés (amplificateur faible bruit et mélangeur). Elle prend en compte les modèles à pertes des composants passifs des fondeurs, les lignes de connexion, les jonctions et elle combine plusieurs fonctions comme l’amplification et le filtrage ainsi que le mélange et le filtrage. Elle a été validée en simulation et en mesure. / Due to the evolution of wireless systems and data rate, it is necessary to increase microwave operating frequencies, especially in space industry. Optimization of existing circuit topologies are always not enough and therefore, we need to synthetize new circuits. Unfortunately, most of the existing synthesis methods, including in CAD softwares, are only based on lossless passive component models. With the increase of operating frequency, we need to take the effect of losses in the passive component models during synthesis. This thesis introduces a new synthesis and design method for low noise integrated circuits(low noise amplifier and mixer). Lossy passive component models from foundries, connecting wires, junctions and co-design (amplification and filtering or mixing and filtering)are included. The design procedure was validated by simulations and measurements.

La technologie CMOS SOI (« Silicon On Insulator ») a déjà montré son intérêt pour les circuits numériques par rapport à la technologie CMOS sur substrat massif (« bulk »). Avec l'entrée des technologies CMOS dans l'ère des dimensions nanométriques, les transistors atteignent des fréquences de coupures élevées, ouvrant la voie aux applications hyperfréquences et de ce fait à l'intégration sur la même puce des circuits numériques, analogiques et hyperfréquences. Cependant, la piètre qualité des éléments passifs reste le principal verrou des technologies CMOS pour y parvenir.<br />Les travaux effectués lors de cette thèse portaient sur l'étude des aptitudes de la technologie CMOS SOI 130 nm de ST-Microelectronics pour des applications hyperfréquences au-delà de 20 GHz. Ils consistaient plus précisément à concevoir des circuits de démonstration pouvant entrer dans la composition d'une chaîne d'émission/réception. Trois amplificateurs distribués en bande K ont d'abord été conçus et mesurés. Malgré des pertes élevées dans les lignes de transmission limitant ainsi la bande passante et le gain, les performances mesurées montrent l'intérêt de cette technologie pour les hyperfréquences. Ensuite, une nouvelle série de démonstrateurs – amplificateurs distribués, amplificateurs faible bruit et mélangeurs actifs – a été conçue en employant des lignes à plus faibles pertes que celles utilisées précédemment. Les résultats de simulation montrent que le produit gain-bande des amplificateurs distribués a doublé en conservant la même architecture. Les simulations des amplificateurs faible bruit et des mélangeurs actifs montrent des performances à l'état de l'art en CMOS.

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.

La Magneto-Impédance Géante (GMI) consiste en une forte variation de l’impédance d’un matériau ferromagnétique doux parcouru par un courant d’excitation alternatif haute fréquence lorsqu’il est soumis à un champ magnétique extérieur. Ce travail de thèse introduit de nouvelles techniques numériques et les pistes d’optimisation associées pour les capteurs GMI à haute sensibilité. L'originalité réside dans l'intégration d'un synthétiseur de fréquence et d'un récepteur entièrement numérique pilotés par un processeur de traitement de signal. Ce choix instrumental se justifie par le souhait de réduire le bruit de l’électronique de conditionnement qui limite le niveau de bruit équivalent en champ. Ce dernier caractérise le plus petit champ mesurable par le capteur. Le système de conditionnement conçu est associé à la configuration magnétique off-diagonal pour accroître la sensibilité intrinsèque de l’élément sensible. Cette configuration magnétique consiste en l’utilisation d’une bobine de détection autour du matériau ferromagnétique. Cette association permet en outre d’obtenir une caractéristique impaire de la réponse du capteur autour du champ nul, et par conséquent de pouvoir mettre en œuvre et d’utiliser le capteur sans avoir recours à une polarisation magnétique. Ce choix permet ainsi d’éliminer, ou au moins de minimiser les problématiques liées aux offsets des dispositifs GMI, tout en validant l’intérêt de cette configuration magnétique, notamment sur le choix du point de fonctionnement. Une modélisation des performances en bruit de toute la chaîne de mesure, incluant le système de conditionnement numérique, est réalisée. Une comparaison entre les niveaux de bruit équivalent en champ attendus par le modèle et mesurés est effectuée. Les résultats obtenus ont permis de dégager des lois générales d’optimisation des performances pour un capteur GMI numérique. Partant de ces pistes d’optimisation, un prototype de capteur complet et optimisé a été implémenté sur FPGA. Ce capteur affiche un niveau de bruit équivalent en champ de l’ordre de 1 pT/√Hz en zone de bruit blanc. En outre, ce travail permet de valider l’intérêt des techniques numériques dans la réalisation de dispositifs de mesure à haute sensibilité. / The Giant Magneto-Impedance (GMI) is a large change of the impedance of some soft ferromagnetic materials, supplied by an alternating high-frequency excitation current, when they are submitted to an external magnetic field. This thesis presents the design and performance of an original digital architecture for high-sensitivity GMI sensors. The core of the design is a Digital Signal Processor (DSP) which controls two other key elements: a Direct Digital Synthesizer (DDS) and a Software Defined Radio (SDR) or digital receiver. The choice of these digital concepts is justified by the will to reduce the conditioning electronics noise that limits the equivalent magnetic noise level. The latter characterizes the smallest measurable field by the sensor. The developed conditioning system is associated with the off-diagonal magnetic configuration in order to increase the intrinsic sensitivity of the sensitive element. This magnetic configuration consists of the use of an additional a pick-up coil wound around the ferromagnetic material. This association also makes it possible to obtain an asymmetrical characteristic (odd function) of the sensor response near the zero-field point and to consequently allow for sensor implementation and use without any bias magnetic field. Thus, this choice eliminates, or at least minimizes, the problems related to the offset cancelling of the GMI devices. Also, it validates the advantage of this magnetic configuration, especially the choice of the operating point. Modeling of the noise performance of the entire measurement chain, including the digital conditioning, is performed. A comparison between the expected and measured equivalent magnetic noise levels is then carried out. The results yield general optimization laws for a digital GMI sensor. Using these laws, an optimized prototype of a GMI sensor is designed and implemented on FPGA. An equivalent magnetic noise level in a white noise zone region of approximately 1 pT/√ Hz is obtained. Furthermore, this work also makes it possible to validate the interest of digital techniques in the realization of a high-sensitivity measuring devices.

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. / The objective of this work is to design and characterize a millimeter-wave front-end usingthe optimized slow-wave transmission lines S-CPW in advanced CMOS technologies. The qualityfactor of these transmission lines is twice to three times higher than that of the conventionaltransmission lines such as microstrip lines and coplanar waveguides.In the first chapter, the influence of CMOS scaling-down on the performance of transistors atmillimeter-wave frequencies and on the transmission lines was studied. In addition, a state of the artwith regard to the performance of the front-end was presented. The second chapter concerns about therealization of the S-CPW lines in different CMOS technologies and the validation of an electricalequivalent model. The third chapter is dedicated to the design of 60-GHz power amplifiers using theseS-CPW lines in CMOS 45 and 65 nm technologies. This study highlighted the performanceenhancement of power amplifiers operating at millimeter-wave frequencies by using the slow-wavetransmission lines. A design method based on the electro-migration rules was also developed. Finally,a low noise amplifier and an antenna switch operating at 60 GHz were designed in CMOS 65 nm inorder to generalize the impact of such transmission lines on the performance of the millimeter-wavefront-end.

Ce travail de thèse a pour objectif principal d'améliorer la sensibilité d'un micro-récepteur RMN implantable, utilisé dans le cadre de la micro-spectroscopie localisée in vivo. Dans la première partie de cette thèse, nous avons réexaminé la fabrication et modélisation de ce micro-récepteur par rapport à sa sensibilité. Parmi les deux procédés de fabrication proposés (électrodéposition du micro-récepteur avec un underpass sur un substrat de silicium et de verre), nous avons retenu celui-qui nous a permis d'obtenir les meilleures performances en termes de facteur de qualité. Les prototypes fabriqués avec ce procédé ont été caractérisés à l'aide d'un modèle que nous avons développé, basé sur une équation à coefficients polynomiaux. Ceux-ci ont été établis à partir de la simulation du layout du capteur et ont été réajustés en fonction des mesures. Ce modèle polynomial nous a conduits à un circuit équivalent du micro-récepteur, permettant d'approfondir l'étude de son comportement électrique en radio fréquences. La deuxième partie de ce travail est développée autour de l'association d'un amplificateur faible bruit (LNA) au plus près du micro-récepteur, afin d'améliorer sa sensibilité. Nous avons analysé l'état de l'art de l'amplification de micro-bobines RMN ainsi que l'interaction électromagnétique entre un circuit intégré et l'environnement RMN. En partant de cette analyse et des contraintes à remplir par le circuit d'adaptation (en termes de transmission de puissance, gain en tension et adaptation faible bruit), nous avons proposé un circuit d'amplification locale permettant d'améliorer la sensibilité du capteur. Nous avons validée notre démarche par simulation (avec notre micro-récepteur) et nous avons vérifié l'intérêt de celle-ci en RMN (avec une bobine de surface). Les résultats de ce travail nous ont permis d'établir des solutions concrètes pour atteindre la sensibilité nécessaire à nos applications / The aim of this thesis is to improve the sensitivity of an implantable micro NMR sensor, dedicated to the in vivo local micro-spectroscopy. In the first part of this thesis, we re-examined the design and modeling of this micro-sensor according to its sensitivity. We proposed two micromachining processes (electrodeposition of the micro-sensor with an underpass on a silicon and glass substrate) and we kept the one allowing the higher quality factor. The prototypes made with the chosen process were characterized thanks to a model that we developed, based in an equation with polynomial coefficients. These coefficients were determined from the layout of the sensor and were adapted to match the measurements. From this polynomial model, we proposed an equivalent circuit of the micro-sensor to have a better knowledge of its electrical behavior at high frequencies. The second part of this work is about the closer association of a low noise amplifier (LNA) with the micro-sensor to improve its sensitivity. We analyzed the state of art on the amplification of NMR micro-coils and the electromagnetic interaction between the integrated circuits ant the NMR environment. From this analysis and the conditions of the matching network (power transmission, voltage gain and low noise matching), we proposed a local amplification circuit achieving the sensitivity improvement of the sensor. This approach was validated by simulation (with our micro-sensor) and verified in an NMR system (with a surface coil). The results of this work allow us to set practical solutions to reach the required sensitivity of our applications

Dans un monde où l’information va de plus en plus vite, il est important de pouvoir rester connecté en permanence. De nouvelles solutions émergent pour connecter les passagers à bord d’un avion grâce aux communications par satellite. Parmi elles, on retrouve les antennes à pointage électronique dans lesquelles cette thèse de doctorat s’intègre. Une étude sur les différentes antennes existantes ou en projet est présentée. Les puces électroniques MMIC AsGa permettent d’appliquer des lois d’amplitude et de phase pour chaque élément rayonnant d’une antenne réseau. Cette thèse de doctorat porte sur la conception d’un déphaseur, après avoir étudié les technologies et les topologies de celui-ci. Ensuite, la conception d’un amplificateur faible bruit à gain variable est proposée à partir d’un état de l’art. Les résultats de simulation et de mesures de ces deux fonctions sont exposés. / In a world where the information is moving faster and faster, it is important to be able to stay connected continuously. Some new solutions for air transport connectivity are in development thanks to the rise of satellite communications. This thesis work is part of an electronically steerable antenna array project, developed as a solution to achieve In-Flight Connectivity in Ka-band. A state- of-the art review on electronically steerable antenna arrays is also presented. In these arrays, each radiating element needs a specific amplitude and phase to obtain a scanning beam by adding their contribution. This thesis focus on the design of a GaAs MMIC chip inclusion two functions: a phase shifter and a variable-gain low-noise amplifier. The simulation and measurement results are presented for these two functions.

Avec le contexte actuel des défis sécuritaires, la détection de petits objets devient un enjeu majeur pour lutter contre les actes malveillants. Mais les évolutions des technologies en bandes millimétriques et le potentiel de ces bandes, notamment autour de 60 GHz peuvent faciliter la conception de systèmes de plus en plus performants, permettant de répondre à ces enjeux. Cette thèse s’inscrit dans ce contexte pour proposer un système de détection ultra-large bande (ULB) millimétrique pour des applications de courte portée. Après un état de l'art détaillé des fondamentaux de la détection, nous présentons une validation de l'estimation de la surface équivalente radar (SER) par simulation avec le logiciel HFSS et par mesures en chambre anéchoïque. Ces deux études nous ont permis d'identifier les éléments essentiels à l'analyse système et les paramètres critiques de la détection d'objets canoniques cylindres et plaques. Une fois l'analyse système cernée, nous avons proposé une approche de détection multi-bande basée sur le radar monostatique pour améliorer la couverture de détection des systèmes, mais aussi et surtout pour pallier la limitation de la détection des objets en fonction de leur orientation par rapport à l'axe de viser de l'antenne. Nous avons également proposé une architecture (émetteur-récepteur) simple pouvant être associée au principe de détection. Le dimensionnement du système nous a permis d'identifier les amplificateurs faible bruit (LNAs) comme éléments critiques du récepteur et ainsi d'établir leurs spécifications pour atteindre les performances visées. Une comparaison des technologies SG13S de IHP et D007IH de OMMIC est menée dans la dernière partie de ce travail. Le choix de la technologie est justifié et la conception des LNAs sous ADS Keysight est détaillée. Une simulation de l'ensemble du système basée sur les performances des LNAs conçus et sur les simulations de SER est présentée pour illustrer la mise en œuvre de la détection. Enfin, les performances de la détection sont évaluées pour des cibles cylindriques et les apports du système proposé sont illustrés en comparaison avec une détection classique mono-bande / With the current context of security challenges, small objects detection is becoming a major issue in the fight against malicious acts. However, developments in millimeter-band technologies and the potential of these bands, particularly around 60 GHz, can facilitate the design of increasingly efficient systems to meet these challenges. This thesis is part of this context to propose an ultra-wideband (UWB) millimeter-wave detection system for short-range applications.After a detailed state-of-the-art of the fundamentals of detection, we present a validation of the radar cross-section (RCS) estimation by simulations with HFSS software and by measurements in anechoic chamber. These two studies allowed us to identify the essential elements for system analysis and the critical parameters for the detection of canonical objects such as cylinders and plates.Once the system analysis was identified, we proposed a multi-band detection approach based on monostatic radar to improve the detection coverage of the systems, but also and especially to overcome the limitation of objects detection according to their orientation in relation to the antenna boresight. We also proposed a simple architecture (transceiver) that could be associated with the detection principle. The system design allowed us to identify low noise amplifiers (LNAs) as critical elements of the receiver and thus establish their specifications to achieve the targeted performances.A comparison of IHP's SG13S and OMMIC's D007IH technologies is conducted in the last part of this work. The choice of technology is justified and the design of LNAs under ADS Keysight is detailed. A simulation of the entire system based on the performance of the designed LNAs and RCS simulations is presented to illustrate the implementation of detection. Finally, detection performances are evaluated for cylindrical targets and the contributions of the proposed system are illustrated in comparison with conventional single-band detection

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). / This work focuses on the design, realization and characterization of high power, low noise 1.5 µm diode lasers for microwave applications and more particularly for high dynamic optical analog link for radar systems. The first part of this study deals with modeling and design of low internal losses DFB laser structures. These specific structures are called slab-coupled optical waveguide lasers, and are composed of a thick layer between the active layer and the substrate. The aim of this waveguide is to enlarge the optical eigenmode and to move the optical mode away from p-doped layers. The main difficulty was to find the good trade-off between laser static performances (optical power, efficiency) and dynamic performances (RIN and modulation bandwidth). We have succeeded in developing high efficiency (0.4 W/A), low noise (RIN ≈ 160 dB/Hz) DFB lasers with more than 150 mW and a 3 dB modulation bandwidth up to 7.5 GHz. We have then characterized our components on wide band and narrow band analog links. We have demonstrated state of the art gain links, dynamic and 1 dB compression power. In the L band (1-2 GHz) for example, we have obtained an optical link with a gain of 0.5 dB, a compression power of 21 dBm and a dynamic (SFDR) of 122 dB.Hz2/3.Finally we have applied the methodology and the design of slab-coupled optical waveguide structures to develop high power mode-locked lasers for ultra-short pulses generation and for optical and electrical comb generation. We have demonstrated narrow RF linewidth (550 Hz) lasers with very high power (continuous power > 400 mW and peak power > 18 W).