L'échantillonneur-bloqueur est un dispositif central des systèmes de conversion analogique-numérique. Son utilisation dans des domaines d'applications sensibles comme le domaine biomédical place des exigences élevées sur la performance de l'échantillonneur. Les distorsions d'injection de charges, d'erreur d'échantillonnage et celle due aux variations de la constante de temps sont trois sources de non-linéarité qu'il est primordial d'évaluer pendant la conception. La modélisation analytique est l'une des méthodes employées afin d'estimer la distorsion du dispositif d'échantillonnage. Cependant, les méthodes analytiques courantes sont complexes ou ne tiennent pas compte des capacités parasites du commutateur analogique. La conception par la mise en oeuvre de procédures de caractérisation de la distorsion à l'aide de simulateurs analogiques de la famille SPICE donne une bonne estimation de la distorsion mais aboutit à des cycles de conception longs et fastidieux. Dans ce document, nous proposons deux méthodes d'évaluation de la distorsion de l'échantillonneur-bloqueur. Dans un premier temps, nous présenterons un nouveau modèle analytique simple de la distorsion. Notre modèle met en oeuvre l'approximation en série de Taylor afin de caractériser complètement les trois sources de distorsion de l'échantillonneur-bloqueur, incluant l'effet de substrat et les capacités parasites du commutateur analogique. Une autre contribution dans ce mémoire est de proposer un logiciel de simulation comportementale d'aide à la conception des échantillonneurs-bloqueurs dans le procédé MOS submicronique 0.18 µm. Ce logiciel permet de réduire le cycle de conception et d'évaluer efficacement la distorsion de l'échantillonneur-bloqueur. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons intégré le modèle BSIM3 du transistor au logiciel que nous avons développé en langage Java. Nous verrons avec des exemples d'application comment les paramètres de chacune des sources de distorsion agissent sur la gamme dynamique de l'échantillonneur-bloqueur par les méthodes que nous proposons. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Échantillonneur-blogueur, Distorsion, CMOS, Modélisation comportementale.

Ce travail vise à la mise en œuvre d'une plateforme de simulation basée sur SystemC-AMS. Elle permet de traiter un système complexe et hétérogène. Nous validons cette approche sur une application de réseau de capteurs (communication entre véhicule). Pour ce faire un niveau d'abstraction élevé a été adopté et une modélisation en bande de base des blocs RF a été développée. Non seulement les aspects relatifs à l'émetteur/récepteur ont été traités, mais également le canal radio.Si les actuels flots de conceptions permettent d'estimer la consommation des blocs numériques d'un SoC, une méthodologie d'estimation de la consommation des blocs analogiques et RF n'est toujours pas disponible. Nous proposons une méthodologie descendante basée sur le facteur de mérite et les paramètres systèmes pour estimer la consommation instantané de ces blocs. Ainsi des estimations de la consommation globale des nœuds et du réseau sont fournies par la plateforme.Nous avons fourni une bibliothèque implémentée en SystemC-AMS pour différents blocs d'un réseau de capteurs (nœud et canal radio). Les résultats montrent la faisabilité d'une simulation complexe mixte analogique, numérique et RF. Par ailleurs, ils montrent le gain considérable apporté par la simulation au niveau système en SystemC-AMS de modèles comportementaux d'un réseau de capteurs. La plateforme développée dans ce travail ouvre diverses perspectives sur de nombreux et importants aspects de la simulation système des réseaux de capteurs. Parmi ces aspects, le choix et l'optimisation des algorithmes de routage, les protocoles MAC, les algorithmes de traitement du signal sous une contrainte de consommation d'énergie. / This work aims at implementing a simulation platform based on SystemC-AMS. It can handle a complex and heterogeneous system on chip (SoC). An application of wireless sensor network (WSN): inter-vehicle communication is used to validate this approach. To realize this application, a high level of abstraction was adopted and a baseband modeling of RF blocks has been developed. Besides, not only aspects related to the RF transceiver, but also the radio channel were studied.The current design flows enable the estimation of power consumption of digital blocks, however a high-level methodology for power consumption estimation of analog and RF blocks is still not available. We propose a Top-Down methodology based on the figure of merit (FoM) and system parameters to estimate the instantaneous power consumption of these blocks. Thus, estimates of overall consumption of nodes and the WSN are provided by the platform.We delivered a library implemented in SystemC-AMS for different blocks of a WSN such as node and radio channel. The results show the feasibility to simulate complex, RF and analog mixed SoC. In addition, they show the significant gain in terms of simulation time provided by the system-level simulation using SystemC-AMS and behavioural models of WSN.The platform developed in this work opens a variety of perspectives on many important aspects of system-level simulation of WSN. These aspects include the choice and optimization of routing algorithms, MAC protocols, signal processing algorithms, as a function of power consumption which is the main constraint of WSN.

Malgré le progrès en recherche et développement dans le domaine de système autonome, de tels systèmes nécessitent l’intervention humaine pour résoudre les problèmes imprévus durant l’exécution des tâches par l’utilisateur.Il est donc nécessaire, malgré cette autonomie, de tenir compte du comportement du conducteur et il est difficile d’ignorer l’effet de l’intervention humaine dans le cadre de l’évolution continue de l’environnement et des préférences de l’utilisateur. Afin d’exécuter les opérations selon les attentes de l’opérateur, il est nécessaire d’incorporer dans la commande les besoins de l’utilisateur.Dans les travaux présentés dans cette thèse un modèle comportemental de l’utilisateur est développé et intégré dans la boucle de commande afin d’adapter la commande à l’utilisateur. Ceci est appliqué à la commande des fauteuils électrique et assiste dans la navigation du fauteuil dans un milieu encombré.Le développement du modèle comportemental est basé sur la méthode de potentielles orientées et la détection des obstacles et le comportement du conducteur vs de ces obstacles par l’adaptation duL’étude contribue également au développement d’un modèle dynamique du fauteuil utilisable dans des situations normales et exceptionnelles telle que le dérapage. Ce modèle est développé pour un le cas le plus courant des fauteuil avec roues arrière conductrices utilisant le formalisme Euler Lagrange avec les forces gravitationnelles et sur des surfaces inclinées.Dans la formulation de la commande, le modèle du conducteur est introduit dans la boucle de commande. L’optimalité de la performance est assurée par l’utilisation du commande prédictif généralisé pour le système en temps continue. Les résultats de la simulation démontrent l’efficacité de l’approche proposée pour l’adaptation de la commande au comportement du conducteur / Although the progressive research and development of autonomous systems is fairly evident, such systems still require human interventions to solve the unforeseen complexities, and clear the uncertainties encountered in the execution of user-tasks. Thus, in spite of the system's autonomy, it may not be possible to absolutely disregard the operator's role. Human intervention, particularly in the control of auto-mobiles, may as well be hard to ignore because of the constantly changing operational context and the evolving nature of the drivers' needs and preferences. In order to execute the autonomous operations in conformity with the operator's expectations, it may be necessary to incorporate the advancing needs and behaviour of the operator in the design. This thesis formulates an operator behaviour model, and integrates the model in the control loop to adapt the functionality of a human-machine system to the operator's behaviour. The study focuses on a powered wheelchair, and contributes to the advancement of steering performance, through background assistance by modelling, empirical estimation and incorporation of the driver's steering behaviour into the control system. The formulation of the steering behaviour model is based on two fundamentals: the general empirical knowledge of wheelchair steering, and the experimental steering data captured by a standard powered wheelchair, on both virtual and real environments. The study considers a reactive directed potential field (DPF) method in the modelling of drivers' risk detection and avoidance behaviour, and applies the ordinary least square procedure in the identification of best-fitting driver parameters. The study also contributes to the development of a dynamic model of the wheelchair, usable under normal and non-normal conditions, by taking into consideration the conventional differential drive wheelchair structure with two front castor wheels. Derivation of the dynamic model, based on the Euler Lagrange formalism, is carried out in two folds: initially by considering the gravitational forces subjected to the wheelchair on inclined configurations with no slipping situations, and finally by incorporating slipping parameters into the model. Determination of the slipping parameters is approached from the geometric perspective, by considering the non-holonomic motions of the wheelchair in the Euclidean space. In the closed-loop model, the input-output feedback controller is proposed for the tracking of user inputs by torque compensation. The optimality of the resulting minimum-phase closed-loop system is then ensured through the performance index of the non-linear continuous-time generalised predictive control (GPC). Simulation results demonstrate the expected behaviour of the wheelchair dynamic model, the steering behaviour model and the assistive capability of the closed-loop system

Les progrès constants en miniaturisation des transistors et l’augmentation des fréquences des signaux utilisés sont les principales tendances dans l’évolution des circuits électroniques. Avec ces évolutions apparaissent de nombreux effets indésirables qui perturbent le comportement des systèmes électroniques et sont soupçonnés d’être responsables de la majorité des dégradations de signaux dans les systèmes en haute fréquence. Des retards de propagation indésirables sont ainsi introduits par la présence des interconnexions, et la diaphonie, phénomène dû aux couplages entre lignes d’interconnexions, peut éventuellement provoquer des commutations non désirées des transistors. La prise en compte des interconnexions, dès les premières phases de conception d'un système, est par conséquent devenue une nécessité ces dernières années. Mais la simulation temporelle d’un réseau d’interconnexions est très gourmande en temps de calcul, ce qui impacte la durée globale de conception. Le remplacement des modèles électriques, décrivant précisément les interconnexions, par des modèles plus simples est primordial pour limiter les coûts de calcul. Une méthode de réduction d'ordre des modèles peut alors être employée pour effectuer cette opération efficacement. Le modèle final doit en effet décrire assez précisément certains aspects importants du modèle original et conserver les propriétés importantes du réseau d'interconnexions. Cette démarche permettra aux concepteurs d’effectuer des simulations temporelles rapides et d’étudier les paramètres d’intégrité du signal tel que le retard, le temps de montée, le dépassement….L'objectif de cette thèse est d’établir un nouvel outil de réduction de complexité des modèles de réseaux d'interconnexions. Différentes descriptions initiales des systèmes d'interconnexions sont envisagées : modèles circuits (fonctions de transfert) ou mesures fréquentielles. L’approche développée repose sur l’utilisation des fonctions orthogonales de Müntz-Laguerre et de Kautz afin de décrire mathématiquement, de manière précise, le système d'origine. Un opérateur linéaire, lié à ces fonctions de base, est ensuite appliqué pour déterminer un modèle rationnel de moindre complexité. La technique proposée est comparée à d'autres méthodes de la littérature d’abord sur des exemples académiques. Tout le potentiel de la méthode est ensuite illustré par sa mise en œuvre sur des réseaux d'interconnexions. / The ongoing progress in transistor miniaturization and a continuous frequency increase are the main trends in the present day evolution of electronic circuits. A number of undesired effects are intrinsic to these developments and are suspected to be responsible for most of the flawed signals present in high frequency systems. Parasitic delays are thus introduced by the presence of interconnect lines and crosstalk due to coupling may lead to undesired switching events in transistor circuits. Accounting for the presence of interconnect lines, at a very early stage in the design flow has become unavoidable in recent years. However, time domain simulations of massively coupled interconnect networks may be computationally costly and have a tremendous impact on the overall duration of the design process. Replacing complex, high order circuit models by more compact surrogates is thus necessary. Model order reduction is an effective way to derive such surrogates. The final model must mimic certain aspects of the original model with sufficient accuracy and preserve the interconnect network’s most important properties. This approach enables designers to account for the undesired effects of interconnect lines such as, delays, rise-times and overshoots while maintaining the overall duration of time-domain simulations within acceptable limits. The aim of this thesis is to create a new model order reduction tool applicable to complex interconnect networks. Different initial representations were considered – circuit models (transfer functions) or frequency domain measurements. The proposed approach uses orthogonal basis functions such as Müntz-Laguerre and Kautz to build an accurate mathematical representation of the original system .A linear operator, related to these functions, is subsequently used to derive a simplified model. The technique is first compared to other approaches using examples available in literature, its full potential being demonstrated on coupled interconnect models.

Les méthodes de prédiction linéaire de processus aléatoires, ou krigeage, et les méthodes de régression régularisée par une norme d'espace hilbertien à noyau reproduisant (splines, approximation par fonctions de base radiales, régression à vecteurs de support, etc.) constituent deux approches fondamentales de modélisation comportementale de systèmes non-linéaires. Les liens mathématiques entre ces deux approches ont été mentionnés à plusieurs reprises dans le passé. Fort peu exploités, ces liens n'en restent pas moins fondamentaux puisqu'ils permettent par exemple de comprendre comment formuler le problème de régression régularisée pour l'approximation de fonctions à valeurs vectorielles (cas des systèmes multivariables dits MIMO). Dans les deux approches, le choix du noyau est essentiel car il conditionne la qualité des modèles. Les principaux résultats théoriques sont issus de travaux en statistiques. Bien que de type asymptotique, ils ont des conséquences pratiques importantes rappelées et illustrées dans cette étude. Les noyaux considérés habituellement forment une famille restreinte offrant relativement peu de souplesse. Ceci nous a suggéré de développer des méthodes assemblant un noyau à partir d'un grand nombre de noyaux élémentaires. Elles ont permis d'obtenir des résultats satisfaisants notamment sur un problème test classique issu du domaine de la prédiction de séries chronologiques. Enfin, ce travail s'attache à montrer comment utiliser les méthodes de régression à noyaux à travers la présentation de problèmes réels. Le choix de noyau est abordé en pratique. La prise en compte d'informations disponibles a priori par utilisation du krigeage intrinsèque (régression semi-régularisée) est illustrée. Finalement, des éléments de planification d'expériences sont discutés.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans un projet de grande envergure, le projet 3D-IDEAS, financé par l'ANR. Le but de ce projet est d'établir la chaîne complète de l'intégration de circuits en technologie 3D. Les densités de puissance dans ces circuits sont telles que les problèmes liés à la température - électromigration, désappariement des courants et tensions de polarisation, etc. - sont susceptibles de remettre en cause la conception du circuit. Le coût élevé de la fabrication de ces circuits oblige le concepteur à valider le comportement électrothermique des circuits préalablement à l'envoi en fabrication. Pour répondre à ce besoin, un simulateur électrothermique précis et fiable doit être à disposition. En outre, en raison de la complexité extrême de ces circuits, il est judicieux que ce simulateur soit compatible avec l'approche de modélisation haut niveau. L'objectif de cette thèse est de développer un tel simulateur. La solution proposée intègre ce simulateur dans un environnement de développement CAO pour circuit intégré standard, Cadence®. La contrainte sur la précision des résultats nous a amené à développer une nouvelle méthodologie spécifique à la modélisation électrothermique haut-niveau. Ce manuscrit comporte deux grandes parties. Dans la première, la démarche adoptée pour concevoir le simulateur est détaillée. Ensuite, dans la seconde partie, le fonctionnement du simulateur ainsi que la méthode de modélisation haut-niveau mise en place sont présentées, puis validées.

Les progrès constants en miniaturisation des transistors et l'augmentation des fréquences des signaux utilisés sont les principales tendances dans l'évolution des circuits électroniques. Avec ces évolutions apparaissent de nombreux effets indésirables qui perturbent le comportement des systèmes électroniques et sont soupçonnés d'être responsables de la majorité des dégradations de signaux dans les systèmes en haute fréquence. Des retards de propagation indésirables sont ainsi introduits par la présence des interconnexions, et la diaphonie, phénomène dû aux couplages entre lignes d'interconnexions, peut éventuellement provoquer des commutations non désirées des transistors. La prise en compte des interconnexions, dès les premières phases de conception d'un système, est par conséquent devenue une nécessité ces dernières années. Mais la simulation temporelle d'un réseau d'interconnexions est très gourmande en temps de calcul, ce qui impacte la durée globale de conception. Le remplacement des modèles électriques, décrivant précisément les interconnexions, par des modèles plus simples est primordial pour limiter les coûts de calcul. Une méthode de réduction d'ordre des modèles peut alors être employée pour effectuer cette opération efficacement. Le modèle final doit en effet décrire assez précisément certains aspects importants du modèle original et conserver les propriétés importantes du réseau d'interconnexions. Cette démarche permettra aux concepteurs d'effectuer des simulations temporelles rapides et d'étudier les paramètres d'intégrité du signal tel que le retard, le temps de montée, le dépassement....L'objectif de cette thèse est d'établir un nouvel outil de réduction de complexité des modèles de réseaux d'interconnexions. Différentes descriptions initiales des systèmes d'interconnexions sont envisagées : modèles circuits (fonctions de transfert) ou mesures fréquentielles. L'approche développée repose sur l'utilisation des fonctions orthogonales de Müntz-Laguerre et de Kautz afin de décrire mathématiquement, de manière précise, le système d'origine. Un opérateur linéaire, lié à ces fonctions de base, est ensuite appliqué pour déterminer un modèle rationnel de moindre complexité. La technique proposée est comparée à d'autres méthodes de la littérature d'abord sur des exemples académiques. Tout le potentiel de la méthode est ensuite illustré par sa mise en œuvre sur des réseaux d'interconnexions.

Le travail de recherche que nous présentons dans cette thèse s’inscrit dans le domaine de la conception des circuits et systèmes pour la numérisation des signaux radio large bande multistandard. La finalité de ces travaux est l’établissement de nouvelles méthodologies de conception des circuits analogiques et mixtes VLSI, et à faible consommation pour le convertisseur analogique numérique (CAN). Nous proposons l’utilisation d’un CAN de type S? complexe passe-bande à temps-continu pour l’architecture Low-IF. Ce qui permet de simplifier l’étage analogique en bande de base en esquivant le besoin de circuits tels que le contrôleur de gain automatique, le filtre anti-repliement et les filtres de rejection d’images. Le récepteur est plus linéaire et présente un degré d’intégrabilité adéquat pour les applications multistandard de type Radio logicielle Restreinte (SDR). La première contribution consiste à proposer une méthodologie originale et complètement automatisée de dimensionnement du modulateur ?? pour la réception SDR. Une nouvelle stratégie de stabilisation, basée sur le placement des zéros et des pôles du filtre de boucle, est élaborée permettant ainsi de simplifier le passage du temps-discret vers le temps-continu par une simple correspondance entre les domaines pour les intégrateurs et les résonateurs du filtre de boucle. La deuxième contribution concerne la construction d’une architecture générique du modulateur ?? complexe à temps-continu en suivant une méthodologie originale. Les éléments de base de cette architecture sont les deux modulateurs ?? passe-bas pour les voies I et Q à temps-continu. Les deux filtres de boucles sont en couplage croisé en structure polyphase, ce qui permet le décalage vers la fréquence intermédiaire du récepteur. Nous avons conçu un outil de dimensionnement sous MATLAB pour les modulateurs S? multistandard stables d’ordre élevés à temps-continu, passe bas, passe-bande réel et complexe. La troisième contribution de ces travaux concerne la proposition d’une méthodologie de conception avancée de circuits mixtes VLSI pour les CANs de type ??. Cette méthodologie de conception permet une combinaison des approches descendante ‘Top-down’ et montante ‘Bottom-up’, ce qui rend possible l’analyse des compromis de conception par l’utilisation concurrente des circuits au niveau transistor et des modèles comportementaux. Cette approche permet de faire allier à la fois la précision et la vitesse de processus de simulation lors de la conception des CANs de type ??. La modélisation comportementale du modulateur S?, en utilisant le langage VHDL-AMS, nous a permis de développé une bibliothèque de modèles permettant la prise en compte des imperfections tels que le bruit, le jitter, le retard de boucle au niveau comportemental. Afin d’illustrer la méthodologie de conception proposée, un exemple de la vérification par la simulation mixte est fourni à travers la conception d’un quantificateur en technologie CMOS. L’extraction des paramètres des imperfections du schéma au niveau transistor a permit d’enrichir le modèle comportemental et de prévenir les anomalies causant la dégradation des performances du modulateur S?. / Abstract

Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans un projet de grande envergure, le projet 3D-IDEAS, financé par l’ANR. Le but de ce projet est d’établir la chaîne complète de l’intégration de circuits en technologie 3D. Les densités de puissance dans ces circuits sont telles que les problèmes liés à la température – électromigration, désappariement des courants et tensions de polarisation, etc. – sont susceptibles de remettre en cause la conception du circuit. Le coût élevé de la fabrication de ces circuits oblige le concepteur à valider le comportement électrothermique des circuits préalablement à l’envoi en fabrication. Pour répondre à ce besoin, un simulateur électrothermique précis et fiable doit être à disposition. En outre, en raison de la complexité extrême de ces circuits, il est judicieux que ce simulateur soit compatible avec l’approche de modélisation haut niveau. L’objectif de cette thèse est de développer un tel simulateur. La solution proposée intègre ce simulateur dans un environnement de développement CAO pour circuit intégré standard, Cadence®. La contrainte sur la précision des résultats nous a amené à développer une nouvelle méthodologie spécifique à la modélisation électrothermique haut-niveau. Ce manuscrit comporte deux grandes parties. Dans la première, la démarche adoptée pour concevoir le simulateur est détaillée. Ensuite, dans la seconde partie, le fonctionnement du simulateur ainsi que la méthode de modélisation haut-niveau mise en place sont présentées, puis validées. / The work of this thesis is part of a larger project, the project 3D-IDEAS, funded by the ANR. The purpose of this project is to establish the complete chain of integrated circuits built upon 3D technology. Power densities in these circuits are exacerbated, thus problems related to temperature, such as electromigration, mismatch of bias currents and voltages, etc., arise and might have critical effects on the circuit behavior. The high cost of these circuits requires the designer to validate the electro-thermal behavior of circuits prior to manufacturing. To meet this need, an accurate and reliable electro-thermal simulator should be available. Moreover, due to the extreme complexity of these circuits, it is wise for such a simulator to be compliant with high level modeling approach. The objective of this thesis is to develop such a simulator. The proposed solution integrates the simulator in the broadly used CAD environment for integrated circuits Cadence®. The need of accurate results led us to develop a new methodology specific to high level electro-thermal modeling. This manuscript is split in two major parts. In the first one, the approach to implement the simulator is detailed. Then, in the second part, the operation principle of the simulator and the modeling method implementation are detailed and validated.

Le travail présenté dans ce manuscrit a pour objet l’étude et le développement d’un banc de caractérisation généraliste appliqué à l’extraction du modèle comportemental d’amplificateur TPM-NIM (Two-Path Memory Nonlinear Integral). Ce modèle qui dispose d’une des architectures les plus abouties au laboratoire XLIM requiert une instrumentation microonde haut de gamme, très onéreuse, hors de portée de la majorité des concepteurs pour sa mise en œuvre expérimentale. L’objectif est donc de proposer des principes de mesure originaux permettant d’identifier le modèle TPM-NIM avec une instrumentation standard. Dans ces travaux, deux bancs sont présentés : tout d’abord, un banc de caractérisation développé autour d’une instrumentation de pointe disposant des meilleures propriétés pour extraire le modèle. Puis, un banc construit autour d’une instrumentation standard mais incluant des méthodes de traitement et de mesure novatrices. Ces deux bancs ont été utilisés avec plusieurs véhicules de tests et il ressort que le second permet de diminuer le bruit des mesures de phase tout en réduisant le coût total des équipements. Enfin, une dernière partie est consacrée à la comparaison du modèle TPM-NIM avec deux modèles comportementaux classiques mettant en avant sa polyvalence. / The work presented in this manuscript is devoted to the study and development of a general characterization bench applied to the extraction of the TPM-NIM (Two-Path Memory Nonlinear Integral) amplifier behavioral model. This model, has one of the most advanced architectures at the XLIM laboratory. It requires a high-end microwave instrumentation, overpriced and beyond reach for most of the designers for its experimental implementation. The aim is to propose some original measurements principles allowing the TPM-NIM model’s identification with a standard instrumentation. Two benches are presented in these works : firstly, a characterization bench, developed using a high performance instrumentation with the best properties to extract the model. Then, a bench, built with a standard instrumentation but through innovative processing and measurement methods. These two benches have been used with several test vehicles and it appears that the second one decreases the noise of phase measurements while reducing the equipment’s total cost. Finally, a last part is dedicated to the comparison of the TPM-NIM model with two classic behavioral models by emphasizing its versatility.