Depuis leur émergence, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) n’ont cessé de se développer devenant un acteur clé dans de nombreuses applications telles que le suivi militaires, la surveillance à distance, la bio-détection et de la domotique. Ces réseaux sont basés sur la norme IEEE 802.15.4 qui est dédié aux réseaux personnels sans fil à faible débit (LR-WPAN) dans la bande de fréquences radio sans licence (868MHz/915MHz/2.4GHz). Faible consommation d'énergie, faible coût de mise en œuvre et le niveau élevé d'intégration sont les principaux défis de ces systèmes. L’émetteur-récepteur est le bloc qui consomme le plus d’énergie dans un nœud capteur, ainsi, la consommation d'énergie du frontal radiofréquence (RFFE) doit être réduite. Pour ce faire, plusieurs approches sont possibles, que ce soit au niveau circuit en enquêtant sur les modes de fonctionnement du transistor ou bien en combinant les fonctionnalités des blocs radiofréquences. Une autre stratégie est d’investiguer le niveau système en proposant de nouvelles architectures de démodulation. Cette thèse explore les exigences et les défis spécifiques pour la conception de circuits intégrés radiofréquences (RFIC) ultra-basse consommation pour les réseaux de capteurs sans fil. Ces travaux ont abouti à la conception d'un démodulateur compact réalisé dans une technologie CMOS 65nm et qui est compatible avec tous les types de modulation. / Since their emergence, Wireless Sensor Networks (WSN) have been growing continually becoming a key player in many applications such as military tracking, remote monitoring, bio-sensing and home automation. These networks are based on IEEE 802.15.4 standard which is dedicated to low rate wireless personal area networks (LR-WPANs) in the unlicensed radio band (868MHz/915MHz/2.4GHz). Low power consumption, low cost of implementation and high level of integration are the main challenges of these systems. As radio frequency transceiver is one of the most power hungry block in wireless sensor node, power consumption of radio frequency front-end (RFFE) must be reduced. To deal with, several approaches are possible, either at circuit level by investigating operating modes of transistors and merging functionalities or at system level by searching novel demodulation architecture. This thesis explores the specific requirements and challenges for the design of ultra-low power radio frequency integrated circuits (RFICs), leading to the design of a compact demodulator implemented in 65 nm CMOS technology and compatible with all modulation schemes.

Dans l'industrie des semi-conducteurs, l'approche More-than-Moore constitue un facteur clé pour améliorer les performances du système, l'intégration et la diversification des applications. Dans le domaine des systèmes RF/hyperfréquences, il est essentiel de développer des fonctionnalités optimisées pour diverses exigences comme la linéarité, les pertes, la sensibilité, etc. Bien que la technologie silicium-sur-isolant (SOI) offre des solutions concurrentielles pour le marché des radiofréquences et des hyperfréquences, il a été démontré dans des études antérieures que l'ingénierie des substrats SOI permet d'améliorer encore les performances. Dans ce contexte, l'objet spécifique de ce travail de thèse a été d'étudier le traitement des substrats porteurs de tranches SOI (Silicium-sur-Isolant). L'objectif a consisté à enlever le substrat de silicium sous la zone active des fonctions RF pour obtenir des membranes SOI menant à des pertes RF réduites et une amélioration de la linéarité. Nous avons donc développé le procédé de micro-usinage et de gravure assistée par laser femtoseconde FLAME (Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch) pour suspendre en membrane les fonctions RF intégrées sur un substrat SOI. Un taux d'ablation spécifique élevé de 8,5 x 106 µm3 s-1 a été obtenu pour produire des membranes dont la surface varie de quelques centaines de µm2 à plusieurs mm2. La caractérisation RF a été réalisée sur différentes fonctions RF suspendues : commutateurs, inductances et amplificateurs à faible bruit (LNA). Une comparaison avec des substrats SOI à haute résistivité montre des performances supérieures pour les fonctions RF intégrées en membranes. Pour le commutateur, les mesures de distorsion harmonique ont montré une amélioration de 23 dB et 6 dB des secondes et troisièmes harmoniques, respectivement. Des mesures en régime petit signal d'inductance sur membranes ont révélé un quasi-doublement du facteur de qualité Q jusqu'à 3,2 nH. L'élimination du substrat de l'inductance d'adaptation d'entrée des LNA entraine une réduction du facteur de bruit de ~0,1 dB. Ces résultats mettent en évidence le potentiel important que constitue l’ingénierie des substrats pour l'amélioration des performances RF des technologies CMOS. De plus, pour les besoins d'analyse en boucle courte, la méthode FLAME permet de quantifier très rapidement l'influence du substrat sur les pertes et la linéarité sans avoir recours à des techniques d’élimination complète. Un autre avantage distinctif de cette méthode est la possibilité de quantifier l'effet du substrat sur un circuit complet en suspendant un composant spécifique sans affecter les autres. Les méthodes de fabrication développées sont également applicables aux capteurs en technologie SOI, ce qui apporte une valeur ajoutée globale en ligne avec le paradigme More-than-Moore. / In semiconductor industry, the More-than-Moore approach is a key enabler for enhanced system performance, better integration and improved diversity of applications. Within the focus area of RF/microwave systems, it is essential to develop different functionalities which are optimized for various requirements like linearity, losses, sensitivity etc. While Silicon-on-Insulator (SOI) technology offers competitive solutions for RF/microwave market, it has been demonstrated in previous studies that SOI substrate engineering results in further performance gains. In this context, the specific goal of our work is the investigation of substrate processing of SOI RF functions using femtosecond laser ablation. The objective is to remove silicon handler substrate under the active area of the RF functions to obtain SOI membranes which have reduced RF losses and improved linearity. In this work, we have developed the Femtosecond Laser Assisted Micromachining and Etch (FLAME) process to suspend RF functions integrated on a SOI substrate. A high specific ablation rate of 8.5 x 106 µm3 s-1 has been achieved to produce membranes with a surface area ranging from few hundreds µm2 to several mm2. RF characterization has been performed on different suspended RF functions: switches, inductors and low noise amplifiers (LNA). A comparison with high-resistivity SOI substrates shows superior performance of RF functions integrated in suspended membranes. For the SP9T switch, harmonic distortion measurements showed an improvement of 23 dB and 6 dB of the second and third harmonic, respectively. Small signal measurements of inductors on membranes revealed a near doubling of the quality factor of inductors up to 3.2 nH. Substrate removal of input matching inductor on LNA resulted in reduction of noise figure by ~0.1 dB. These results highlight the great potential for use of substrate processing for improvement of RF performance in CMOS technology. In addition, for short loop analysis needs, the FLAME method allows to quantify the influence of the substrate on losses and linearity very quickly without the need for total substrate removal. Another distinctive advantage of this methodology is the ability to quantify the substrate effect on a full circuit by suspending a specific component while keeping other components unaffected. The developed fabrication methods are equally usable for sensor applications on SOI technology, which provides an overall added value in line with the More-than-Moore paradigm.

Since their emergence, Wireless Sensor Networks (WSN) have been growing continually becoming a key player in many applications such as military tracking, remote monitoring, bio-sensing and home automation. These networks are based on IEEE 802.15.4 standard which is dedicated to low rate wireless personal area networks (LR-WPANs) in the unlicensed radio band (868MHz/915MHz/2.4GHz). Low power consumption, low cost of implementation and high level of integration are the main challenges of these systems. As radio frequency transceiver is one of the most power hungry block in wireless sensor node, power consumption of radio frequency front-end (RFFE) must be reduced. To deal with, several approaches are possible, either at circuit level by investigating operating modes of transistors and merging functionalities or at system level by searching novel demodulation architecture. This thesis explores the specific requirements and challenges for the design of ultra-low power radio frequency integrated circuits (RFICs), leading to the design of a compact demodulator implemented in 65 nm CMOS technology and compatible with all modulation schemes.

Dans les réseaux de capteurs urbains, les nœuds émettent des signaux en utilisant plusieurs protocoles de communication qui coexistent. Ces protocoles étant en évolution permanente, une approche orientée radio logicielle semble être la meilleure manière d’intégrer tous les protocoles sur la passerelle collectant les données. Tous les signaux sont donc numérisés en une fois. La grande plage dynamique des signaux reçus est alors le principal problème : ceux-ci peuvent être reçus avec une puissance très variable selon les conditions de propagation. Dans le cas d’une réception simultanée, le Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) doit être capable d’absorber une telle dynamique. Une première étude est menée afin d’établir les caractéristiques requises du CAN sur une passerelle d’un tel réseau de capteurs. La résolution minimale de 21 bits obtenue s’avérant trop importante pour être atteinte au vu de l’état de l’art actuel, deux approches différentes sont explorées pour réduire la plage dynamique des signaux avant la numérisation. La première approche s’appuie sur la technique du companding. Des lois de compression connues sont explorées afin d’étudier leur viabilité dans le cas de la numérisation de signaux multiples, et deux nouvelles implémentations sont proposées pour la plus performante d’entre elles. La deuxième technique proposée consiste en une nouvelle architecture de réception utilisant deux voies de réception. La première d’entre elles est dédiée au signal le plus fort sur la bande : celui-ci est démodulé et sa fréquence d’émission est mesurée. À partir de cette mesure, la seconde branche est reconfigurée de manière à atténuer ce signal fort, en réduisant ainsi la plage dynamique. Les autres signaux sont ensuite numérisés sur cette branche avec une résolution du CAN réduite. Cette deuxième approche semblant plus prometteuse, elle est testée en expérimentation. Sa viabilité est démontrée avec des scénarios de réception de signaux prédéfinis représentant les pires cas possibles. / In this thesis, a receiver architecture for a gateway in a urban sensors network was designed. To embed the multiple protocols coexisting in this environment, the best approach seems to use a reconfigurable architecture, following the scheme of the Software-Defined Radio (SDR). All the received signals should be digitized at once by the Analog-to-Digital Converter (ADC) in order to sustain the reconfigurability of the architecture: then all the signal processing will be able to be digitally performed. The main complication comes from the heterogeneity of the propagation conditions: from the urban environment and from the diversity of the covered applications, the signals can be received on the gateway with widely varying powers. Then the gateway must be able to deal with the high dynamic range of these signals. This constraint applies strongly on the ADC whose resolution usually depends on the reachable digitized frequency band. A first study is led to evaluate the required ADC resolution to cope with the dynamic range. For this the dynamic range of the signals is first evaluated, then the required resolution to digitize the signals is found theoretically and with simulations. For a 100~dB power ratio between strong and weak signals, we showed that the ADC resolution needed 21 bits which is far too high to be reached with existing ADCs. Two different approaches are explored to reduce analogically the signals' dynamic range. The first one uses the companding technique, this technique being commonly used in analog dynamic range reduction in practice (\emph{e.g.} in audio signals acquisition), its relevance in multiple signal digitization is studied. Three existing compression laws are explored and two implementations are proposed for the most efficient of them. The feasibility of these implementations is also discussed. In the second approach we propose to use a two-antennas receiver architecture to decrease the dynamic range. In this architecture two digitization paths are employed: the first one digitizes only the strongest signal on the band. Using the information we get on this signal we reconfigure the second branch of the architecture in order to attenuate the strong signal. The dynamic range being reduced, the signals can be digitized with an ADC with a lower resolution. We show in this work that the ADC resolution can de decreased from 21 to 16 bits using this receiver architecture. Finally, the promising two-antennas architecture is tested in experimentation to demonstrate its efficiency with dynamic signals (\emph{i.e.} with appearing and disappearing signals).