This thesis presents the conducted electro-magnetic interference (EMI) prediction results for a continuous conduction mode (CCM) power factor correction (PFC) converter as well as the theoretical analysis for the noise generation and propagation mechanisms. In this thesis, multiple modeling and characterization techniques in the medium and high frequency ranges are developed for the circuit components that are important contributors to the EMI noise, so that a detailed simulation circuit for EMI prediction can be constructed. The conducted EMI noise prediction from the simulation circuit closely matches the measurement results obtained by a spectrum analyzer. Simulation time step and noise separator selection are two important issues for the noise simulation and measurement. These two issues are addressed and the solutions are proposed. The conducted EMI generation and propagation mechanisms are analyzed in a systematic way. Two loop models are proposed to explain the EMI noise behavior. The effects of the PFC inductor, the parasitic capacitance between the device and the heatsink, the rising/falling time of the MOSFET VDS voltage, and the input wires are studied to verify the validity of the loop models. / Master of Science

The frequent and large-scale network attacks have led to an increased need for developing techniques for analyzing network traffic. If efficient analysis tools were available, it could become possible to detect the attacks, anomalies and to appropriately take action to contain the attacks before they have had time to propagate across the network. In this dissertation, we suggest a technique for traffic anomaly detection based on analyzing the correlation of destination IP addresses and distribution of image-based signal in postmortem and real-time, by passively monitoring packet headers of traffic. This address correlation data are transformed using discrete wavelet transform for effective detection of anomalies through statistical analysis. Results from trace-driven evaluation suggest that the proposed approach could provide an effective means of detecting anomalies close to the source. We present a multidimensional indicator using the correlation of port numbers as a means of detecting anomalies. We also present a network measurement approach that can simultaneously detect, identify and visualize attacks and anomalous traffic in real-time. We propose to represent samples of network packet header data as frames or images. With such a formulation, a series of samples can be seen as a sequence of frames or video. Thisenables techniques from image processing and video compression such as DCT to be applied to the packet header data to reveal interesting properties of traffic. We show that ??scene change analysis?? can reveal sudden changes in traffic behavior or anomalies. We show that ??motion prediction?? techniques can be employed to understand the patterns of some of the attacks. We show that it may be feasible to represent multiple pieces of data as different colors of an image enabling a uniform treatment of multidimensional packet header data. Measurement-based techniques for analyzing network traffic treat traffic volume and traffic header data as signals or images in order to make the analysis feasible. In this dissertation, we propose an approach based on the classical Neyman-Pearson Test employed in signal detection theory to evaluate these different strategies. We use both of analytical models and trace-driven experiments for comparing the performance of different strategies. Our evaluations on real traces reveal differences in the effectiveness of different traffic header data as potential signals for traffic analysis in terms of their detection rates and false alarm rates. Our results show that address distributions and number of flows are better signals than traffic volume for anomaly detection. Our results also show that sometimes statistical techniques can be more effective than the NP-test when the attack patterns change over time.

Les développements récents des techniques IRM engendre des sources de potentiels induits qui « polluent » les signaux électrophysiologiques, utilisé simultanément en IRM pour surveiller le patient et synchroniser les images. Le système élaboré dans ce travail est compose de deux modules « émetteur-récepteur » IRM-compatibles. Le premier permet d’introduire dans le tunnel d’IRM des signaux EPS dont on connait les caractéristiques. Les signaux sont injectés dans un tissu conducteur placé dans le tunnel. Le second module permet de recueillir les signaux après leur contamination par les artéfacts générés par les séquences d’imagerie. Il comporte 20 canaux répartis en quatre bandes fréquentielles (40, 80, 160 et 350 Hz). Des mesures du potentiel induit ont été réalisées en environnements 1,5 T et 3 T. Nous pouvons ainsi analyser les modifications des paramètres des signaux selon les séquences, mais aussi à l’intérieur des différentes bandes de fréquences. Dans ce travail, nous présentons une caractérisation et modélisation des potentiels induits par les commutations de gradients de champ magnétique recueilli par notre dispositif expérimental. La caractérisation et la modélisation permettent d’obtenir des informations pertinentes à prendre en compte pour l’élaboration des algorithmes de filtrage efficaces et robustes. / New developments in MRI techniques create sources of induced voltages that “pollute” the simultaneously acquired electrophysiological signals (EPS), used to monitor patients and/or synchronize images. We developed a device to allow a deep study of the contamination mechanism, which would assist in elaborating new tools to obtain higher quality EPS. The system consists of three main modules: (i) a signal transmission system composed of an EPS generator and a transmission box, which transmits the EPS to a MR-compatible receiver inside the tunnel, (ii) an electro-conductive tissue-mimicking phantom in which the EPS is injected, (iii) a signal collection module composed of a MR compatible amplifier-transmitter that emits, via an optical cable, the collected signal to a receiver box placed outside the MRI room. The receiver box comprises 20 channels distributed into four frequency bands (40, 80, 160, and 350 Hz). Measurements of the induced voltages were performed in 1.5 T and 3 T MRI environments. An algorithm to extract and analyze and model the induced voltages was developed. The modeling algorithm is based on a sinusoidal decomposition of the induced voltages. This work aimed to assess the disturbance level of the EPS, when using larger bandwidth amplifiers. The characterization and modeling of the induced voltages, which represent the dominant noise, reveal relevant information which can be used to develop robust and efficient noise reduction algorithms.

La diminution de la longueur de grille des transistors a été le moteur essentiel de l’évolution des circuits intégrés microélectroniques ces dernières décennies. Toutefois, cette évolution des circuits microélectroniques a entrainé une densification des lignes d’interconnexion, donc la génération de fortes pertes, des ralentissements et de la diaphonie sur les signaux transmis, ainsi qu’une augmentation de l’impédance parasite des interconnexions. Cette dernière est néfaste pour l’intégrité de l’alimentation des composants actifs présents dans le circuit. Son augmentation multiplie le risque d’apparition d’erreurs numériques conduisant au dysfonctionnement d’un système. Il est donc nécessaire de réduire l’impédance sur le réseau d’alimentation des circuits intégrés. Pour ce faire, les condensateurs de découplage sont utilisés et placés hiérarchiquement à différents étages des circuits et dans leur intégralité (PCB, package, interposeur, puce).Ces travaux de doctorat s’inscrivent dans le cadre des développements récents des nouvelles solutions d’intégration 3D en microélectronique et ils portent sur l’étude de nouvelles architectures de capacités 3D, très intégrées et à fortes valeurs (>1 nF), élaborées en profondeur dans l’interposeur silicium. Ces composants, inspirés des architectures de via traversant le silicium (TSV, Through Silicon Via), sont nommées Through Silicon Capacitors (TSC). Ils constituent un élément clef pour l’amélioration des performances des alimentations des circuits intégrés car elles pourront réduire efficacement la consommation des circuits grâce à cette intégration directe de composants passifs dans l’interposeur silicium qui sert d’étage d’accueil des puces. Ces composants tridimensionnels permettent en effet d’atteindre de grandes densités de capacité de 35 nF/mm². Les enjeux sont stratégiques pour des applications embarquées et à haut débit et plus généralement dans un environnement économique et sociétal conscient de nos limites énergétiques. De plus ces condensateurs de découplage doivent fonctionner à des fréquences atteignant 2 GHz, voire 4 GHz, qui tendent à maximiser les effets parasites préjudiciables aux performances énergétiques des alimentations. Ceci est rendu possible par l’optimisation de leur intégration et l’utilisation de couches de cuivre avec, une bonne conductivité supérieure à 45 MS/m, comme électrodes.Les technologies d’élaboration des condensateurs TSC ont été développées au sein du CEA-LETI et de STMicroelectronics. Leur comportement électrique restait jusqu’alors mal connu et leurs performances difficiles à quantifier. Les études menées dans cette thèse consistaient à modéliser ces nouveaux composants en prenant en compte les paramètres matériaux et géométriques afin de connaitre les effets parasites. Les modèles électriques établis ont été confrontés à des caractérisations électriques effectuées sur une large bande de fréquence (du DC à 40 GHz). Ainsi ce travail a permis d’optimiser une architecture de capacité et leur intégration dans un réseau d’alimentation d’un circuit intégré 3D a pu montrer leur efficacité pour des opérations de découplage. / The decrease of transistor’s gate length was the key driver of the development of microelectronic integrated circuits in recent decades. However, this development of microelectronic circuits has led to a greater density of interconnection lines, generating high losses, slowdowns and crosstalk on the transmitted signals, and an increase of the parasitic impedance of interconnections lines. The latter is detrimental to the power integrity of the active components in the circuit. Its increase increases the risk of developing numerical errors leading to a system’s malfunction. It is therefore necessary to reduce the impedance of the power distribution network of integrated circuits. To do this, the decoupling capacitors are used and placed hierarchically on different floors of the circuits and in their entirety (PCB, package, interposer, chip).These doctoral works are in the context of recent developments in new 3D integration solutions in microelectronics and they carry on studying new 3D capacitors, highly integrated, presenting high capacitance values (> 1 nF), and developed by using the depth of silicon interposeur level. Inspired from the Through Silicon Vias (TSV), these newly developed 3D capacitors are named Through Silicon Capacitors (TSC). They are a key element for improving the performance of the power integrated circuits because they can efficiently reduce the consumption of circuits thanks to their direct integration in silicon interposer which is used to stack chips. These 3D components allow tor reach high capacitance density up to 35 nF/mm². The issues are strategic for high speed embedded applications and more generally in an economic and societal environment aware of our energy limits. Moreover these decoupling capacitors must operate at frequencies up to 2 GHz or 4 GHz, which tend to maximize the parasitic effects which affect the energy efficiency of power distribution networks. This is made possible by optimizing their integration and by the use of copper layers with a good conductivity higher than 45 MS / m conductivity as electrodes.The technologies used to fabricate the TSC are developed by CEA-LETI and STMicroelectronics. The electrical behavior of those TSC remained hitherto little known and their performances difficult to quantify. The studies conducted in this thesis were to model these new components by taking into account the material and geometrical parameters in order to know the parasitic effects. The established electrical models have faced electrical characterizations carried out over a wide frequency range (DC to 40 GHz). This work allow to optimize the TSC architecture and their integration in a power distribution network (Power Distribution Network - NDS) prove that they are good candidate for decoupling operations.

Avec l'explosion de l'Internet des Objets (IoT), de nouveaux dispositifs permettant de tagguer les objets sont nécessaires afin de permettre non seulement leur identification mais aussi d'assurer des communications fiables et de nouvelles fonctionnalités comme la détection, la localisation ou la capture d'informations. Cette tendance s'appuie sur la technologie bien établie qu'est la radiofréquence par identification (RFID) et donc l'utilisation d'étiquettes (ou tags) faibles coûts et télé-alimentés. Dans ce contexte, de nombreux travaux au niveau de la couche d'application se tournent vers la mise au point de traitements logiciels complémentaires visant à produire de nouveaux types d'information. D'autres travaux visent à améliorer la couche physique avec l'objectif de miniaturiser encore le tag mais aussi de le doter de nouvelles capacités. Jusqu'à présent, il n'existe quasiment pas de travaux concernant la transmission du signal et aucun sur l'exploitation du comportement non-linéaire des puces RFID. Cette thèse vise à étudier les phénomènes non-linéaires produits lors d'une communication RFID.Dans la première partie, deux plateformes de mesure et de caractérisation spécifiques ont été développées : la première vise à observer les signaux au cours d'une communication RFID, et alors caractériser et analyser les effets liés aux phénomènes non linéaires ; la seconde permet d'effectuer différentes mesures directement sur les puces et les caractériser en termes d'impédance, production d'harmoniques et sensibilité. Ces plateformes ont permis : 1) de mettre en évidence que les fréquences harmoniques sont porteuses d'informations qui peuvent être exploitées et même offrir de nouvelles fonctionnalités ; 2) d'obtenir de nombreuses informations sur les propriétés des puces et d'en établir un modèle électrique précis ; 3) de déterminer des critères permettant d'évaluer la performance des tags dans le contexte étudié.Dans la deuxième partie, plusieurs nouveaux tags RFID ont été conçus, fabriqués, mesurés et évalués. Ces nouveaux tags fonctionnent non seulement dans la bande UHF mais aussi sont adaptés à la troisième harmonique dans la bande des microondes. Une méthodologie et des lignes directives d'aide à la conception de ce type de tags ont été établies et s'appuient sur les deux plateformes développées afin de caractériser les différents éléments. Dans un même temps, les effets liés à la fabrication ont aussi été étudiés et des études paramétriques ont permis de mettre en évidence l'effet sur les performances de la géométrie de l'antenne et du type de puce utilisée.Dans une troisième partie, les études se sont focalisées à exploiter les effets non-linéaires des dispositifs de redressement. L'idée générale est de coupler la RFID passive avec les dispositifs de transferts de puissance et de récupération d'énergie avec pour objectifs 1) de maximiser l'efficacité de conversion RF – continu 2) et d'augmenter la distance de lecture des tags passifs. Plusieurs prototypes ont été réalisés et leurs performances ont été démontrées.L'ensemble de ces travaux a mis en évidence un nouveau concept de communication RFID exploitant les non-linéarités générées par les puces RFID. Ce concept ouvre la voie à de nouvelles applications. et a fait l'objet d'une demande de brevet international. / Powered by the exploding popularity of the Internet-of-Things (IoT), the demand for tagged devices with labels capable to ensure a reliable communication with added functions beyond the identification, such as sensing, location, health-care, among others, is growing rapidly. Certainly this growing is headed by the well-established Radio Frequency Identification (RFID) technology, and the use of wireless low-cost self-powered tags, in other words passive RFID tags, is the most widespread used alternative. In the constant evolution on this field, usually new software treatments are offered at the application layer with the objective to processing data to produce some new information. Further works aimed at improving the physical layer around the tag antenna miniaturization and matching techniques. So far, little or no work had been done on the exploitation of the communication channel, and certainly none has been done on the exploitation of the non-linear behavior of RFID chips.After presenting the RFID technology and phenomena produced by Radio Frequency (RF) non-linear devices, and leaning in some nearby works on the field, the core of this thesis starts by exposing two characterization platforms for the evaluation of non-linear phenomena presented during the reader-tag communication. One is specialized in radiating measurements considering the whole tag (antenna and chip) under test. The other is specialized in conducted measurements directly over RFID chips, allowing performing different parametric studies (power dependency, impedance, harmonic production, sensitivity). The characterization results show that harmonic signals generated from the passive RFID chip carry information.By exploiting the characterization results and to verify the hypothesis of exploitation of non-linearities in RFID, i.e. the use of harmonic signals, the research is pursued by designing, fabricating, and measuring four different configurations of RFID tags. The new RFID tags operate at the fundamental frequency in the UHF band and at its $3^{rd}$ harmonic in the microwave band. Antenna design policies, fabrication details, and parametric studies on the performance of the new prototypes are presented. The parametric study takes special care in the antenna structure, kind of chip used, received power, and read range.Finally, some alternatives approaches for the exploitation of non-linear effects generated by rectifying devices are presented. Some theoretical aspects and experimental results are discussed linking the passive RFID technology to the theories of Wireless Power Transfer (WPT) and Electromagnetic Energy Harvesting (EEH). The solution takes advantage of the non-linear nature of rectifying elements in order to maximize the RF-to-DC conversion efficiency of EEH devices and increase the read range of passive RFID tags. The solution triggers on the design of a RF multi-device system. The design procedure and tests consider three non-linear phenomena: (1) the impedance power dependency, (2) the harmonic production, and (3) the rectifying dependence on the RF waveform.