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.

Ce travail de thèse concerne les circuits ultra-rapides pour la conversion analogique numérique performante en technologie bipolaire à hétérojonctions sur substrat Indium Phosphore (TBDH/InP). L'étude s'intéresse à la fonction principale qui est l'échantillonnage blocage. Elle a été menée par simulation de l'ensemble des blocs composant cette fonction. En particulier une étude extensive des cœurs des circuits Echantillonneurs/Bloqueurs a été effectuée pour différents paramètres électriques pour aboutir à des valeurs optimales réalisant un compromis entre la bande passante la résolution et la linéarité.Des architectures de circuits Echantillonneurs/Bloqueurs (E/B) avec ou sans l'étage d'amplification à gain variable ont été conçues, optimisées, réalisées et caractérisées et des performances à l'état de l'art ont été obtenues : des circuits E/B de bande passante supérieure à 50 GHz et cadencées à 70 Gs/s ont été réalisés pour les applications de communications optiques et des circuits de bande passante supérieure à 16 GHz cadencés à (2-8) Gs/s ont été réalisés pour la transposition de fréquence. / This thesis concerns the design of high speed circuits in Indium phosphide heterojunction Bipolar technology for High performance analog to digital conversion (ADC).The study focuses on the Track and Hold block (THA) which is the main function of the ADC. The study was conducted by simulating all blocks of the THA circuit. In particular, an extensive study of the THA main block was performed for various electrical parameters to achieve optimal conditions in order to obtain a good tradeoff between resolution bandwidth and linearity. THA architectures circuits with or without Voltage Gain Amplifier stage were designed, optimized and characterized. High THA performances were achieved: THA circuit with a bandwidth greater than 50 GHz at 70 Gs/s were achieved for optical communications and circuits of bandwidth more than16 GHz at (2-8 GS /s) have been realized for down conversion operation.

L’évolution des systèmes de télécommunications, liée à une demande sans cesse croissante en termes de débit et de volume de données, se concrétise par le développement de systèmes proposant des bandes passantes très larges, des modulations à très hautes efficacités spectrales, de la flexibilité en puissance et en fréquence d’émission. Par ailleurs, la mise en œuvre de ces dispositifs doit se faire avec un souci permanent d’économie d’énergie d’où la problématique récurrente de l’amplification de puissance RF qui consiste à allier au mieux rendement, linéarité et bande passante. L’architecture conventionnelle d’une chaine d’émission RF consiste dans une première étape à réaliser l’opération de modulation-conversion de fréquence (Modulateur IQ) puis dans une deuxième étape l’opération de conversion d’énergie DC-RF (Amplificateur de Puissance), ces deux étapes étant traditionnellement traitées de manière indépendante. L’objectif de ces travaux de thèse est de proposer une approche alternative qui consiste à combiner ces deux opérations dans une seule et même fonction : le modulateur vectoriel de puissance à haute efficacité énergétique. Le cœur du dispositif, conçu en technologie GaN, repose sur un circuit à deux étages de transistors HEMT permettant d’obtenir un gain en puissance variable en régime de saturation. Il est associé à un modulateur de polarisation multi-niveaux spécifique également en technologie GaN. Le dispositif réalisé a permis de générer directement, à une fréquence de 2.5 GHz, une modulation vectorielle 16QAM (100Msymb/s) de puissance moyenne 13 W, de puissance crête 25W avec un rendement global de 40% et une linéarité mesurée par un EVM à 5%. / The evolution of telecommunications systems, linked to a constantly increasing demand in terms of data rate and volume, leads to the development of systems offering very wide bandwidths, modulations with very high spectral efficiencies, increased power and frequency flexibilities in transmitters. Moreover, the implementation of such systems must be done with a permanent concern for energy saving, hence the recurring goal of the RF power amplification which is to combine the best efficiency, linearity and bandwidth. Conventional architectures of RF emitter front-ends consist in a first step in performing the frequency modulation-conversion operation (IQ Modulator) and then in a second step the DC-RF energy conversion operation (Power Amplifier), these two steps being usually managed independently. The aim of this thesis is to propose an alternative approach that consists in combining these two operations in only one function: a high efficiency vector power modulator. The core of the proposed system is based on a two-stage GaN HEMT circuit to obtain a variable power gain operating at saturation. It is associated with a specific multi-level bias modulator also design using GaN technology. The fabricated device generates, at a frequency of 2.5 GHz, a 16QAM modulation (100Msymb/s) with 13W average power, 25W peak power, with an overall efficiency of 40% and 5% EVM.

Les systèmes de communication mobiles permettent l’utilisation de l’information en environnements complexes grâce à des dispositifs portables qui ont comme principale restriction la durée de leurs batteries. Des nombreux efforts se sont focalisés sur la réduction de la consommation d’énergie des circuits électroniques de ces systèmes, une fois que le développent des technologies des batteries ne avance pas au rythme nécessaire. En outre, les systèmes RF sont généralement conçus pour fonctionner de manière fixe, spécifiés pour le pire cas du lien de communication. Toutefois, ce scénario peut se produire dans une petite partie du temps, entraînant ainsi en perte d’énergie dans le reste du temps. La recherche des circuits RF adaptatifs, pour adapter le niveau du signal d'entrée pour réduire la consommation d'énergie est donc d'un grand intérêt et de l'importance. Dans la chaîne de réception radiofréquence, l'amplificateur à faible bruit (LNA) se montre un composant essentiel, autant pour les performances de la chaîne que pour la consommation d'énergie. Au cours des dernières décennies, des techniques pour la conception de LNAs reconfigurables ont été proposées et mises en oeuvre. Cependant, la plupart d'entre elles s’applique seulement au contrôle du gain, sans exploiter Le réglage de la linéarité et du bruit envisageant l'économie d'énergie. De plus,ces circuits occupent une grande surface de silicium, ce qui entraîne un coût élevé, ou NE correspondent pas aux nouvelles technologies CMOS à faible coût. L'objectif de cette étude est de démontrer la faisabilité et les avantages de l'utilisation d'un LNA reconfigurable numériquement dans une chaîne de réception radiofréquence, du point de vue de la consommation d'énergie et de coût de fabrication. / Mobile communication systems allow exploring information in complex environments by means of portable devices, whose main restriction is battery life. Once battery development does not follow market expectations, several efforts have been made in order to reduce energy consumption of those systems. Furthermore, radio-frequency systems are generally designed to operate as fixed circuits, specified for RF link worst-case scenario. However, this scenario may occur in a small amount of time, leading to energy waste in the remaining periods. The research of adaptive radio-frequency circuits and systems, which can configure themselves in response to input signal level in order to reduce power consumption, is of interest and importance. In a RF receiver chain, Low Noise Amplifier (LNA) stand as critical elements, both on the chain performance or power consumption. In the past some techniques for reconfigurable LNA design were proposed and applied. Nevertheless, the majority of them are applied to gain control, ignoring the possibility of linearity and noise figure adjustment, in order to save power. In addition, those circuits consume great area, resulting in high production costs, or they do not scale well with CMOS. The goal of this work is demonstrate the feasibility and advantages in using a digitally controlled LNA in a receiver chain in order to save area and power. / Os sistemas de comunicação móveis permitem a exploração da informação em ambientes complexos através dos dispositivos portáteis que possuem como principal restrição a duração de suas baterias. Como o desenvolvimento da tecnologia de baterias não ocorre na velocidade esperada pelo mercado, muitos esforços se voltam à redução do consumo de energia dos circuitos eletrônicos destes sistemas. Além disso, os sistemas de radiofrequência são em geral projetados para funcionarem de forma fixa, especificados para o cenário de pior caso do link de comunicação. No entanto, este cenário pode ocorrer em uma pequena porção de tempo, resultando assim no restante do tempo em desperdício de energia. A investigação de sistemas e circuitos de radiofrequência adaptativos, que se ajustem ao nível de sinal de entrada a fim de reduzir o consumo de energia é assim de grande interesse e importância. Dentro de cadeia de recepção de radiofrequência, os Amplificadores de Baixo Ruído (LNA) se destacam como elementos críticos, tanto para o desempenho da cadeia como para o consumo de potência. No passado algumas técnicas para o projeto de LNA reconfiguráveis foram propostas e aplicadas. Contudo, a maioria delas só se aplica ao controle do ganho, deixando de explorar o ajuste da linearidade e da figura de ruído com fins de economia de energia. Além disso, estes circuitos ocupam grande área de silício, resultando em alto custo, ou então não se adaptam as novas tecnologias CMOS de baixo custo. O objetivo deste trabalho é demonstrar a viabilidade e as vantagens do uso de um LNA digitalmente configurável em uma cadeia de recepção de radiofrequência do ponto de vista de custo e consumo de potência.