Ce travail de recherche présente l’étude, conception et validation d’une topologie de convertisseur de puissance pulsé qui compense la chute de tension pour des modulateurs de type klystron de haute performance. Cette topologie est capable de compenser la chute de tension du banc de condensateur principal et, en même temps, de faire fonctionner le modulateur avec une consommation de puissance constante par rapport au réseau électrique. Ces spécifications sont requises par le projet Compact Linear Collider (CLIC) pour les modulateurs klystron de son Drive Beam. Le dimensionnement du système est effectué à partir d’un outil d’optimisation globale développé à partir des modèles analytiques qui décrivent les performances de chaque composant du système. Tous les modèles sont intégrés dans un processus optimal intermédiaire de conception qui utilise des techniques d’optimisation afin de réaliser un dimensionnement optimal du système. Les performances de cette solution optimale intermédiaire sont alors évaluées à l’aide d’un modèle plus fin basé sur des simulations numériques. Une technique d’optimisation utilisant l’approche «space mapping» est alors mise en oeuvre. Si l’écart entre les performances prédites et les performances simulées est important, des facteurs de correction sont appliqués aux modèles analytiques et le processus d’optimisation est relancé. Cette méthode permet d’obtenir une solution optimale validée par le modèle fin en réduisant le nombre de simulations. La topologie finale sélectionnée pour le cahier des charges du modulateur CLIC est validée expérimentalement sur des prototypes à échelle réduite. Les résultats valident la méthodologie de dimensionnement et respectent les spécifications. / This research work presents the study, design and validation of a pulsed power converter topology that performs accurate voltage droop compensation for high performance klystron modulators. This topology is capable of compensating the voltage droop of the intermediate capacitor bank and, at the same time, it makes possible a constant power consumption operation of the modulator from the utility grid. These two main specifications are required for the Compact Linear Collider (CLIC) Drive Beam klystron modulators. The dimensioning of the system is performed by developing a global optimization design tool. This tool is first based on developed analytical models describing the performances of each system subcomponent. All these models are integrated into an intermediate design environment that uses nonlinear optimization techniques to calculate an optimal dimensioning of the system. The intermediate optimal solution performances are then evaluated using a more accurate model based on numerical simulation. Therefore, an optimization technique using «space mapping» is implemented. If differences between predicted performances and simulated results are non-negligible, correction factors are applied to the analytical models and the optimization process is launched again. This method makes possible to achieve an optimal solution validated by numerical simulation while reducing the number of numerical simulation steps. The selected final topology for the CLIC klystron modulator is experimentally validated using reduced scale prototypes. Results validate the selected methodology and fulfill the specifications.

La thermographie par courants de Foucault (ECT) est une méthode de thermographie active. L’excitation inductive génère des courants de Foucault dans les spécimens conducteurs. En présence de défauts, la circulation des courants est affectée par ces discontinuités produisant un changement dans la distribution de la température autour des défauts. Ces changements sont observés avec une caméra infrarouge. Dans ce travail, on présente une application robotique de la thermographie par courants de Foucault. Une interface robotique a été développée et tous les capteurs utilisés ont été intégrés à la plateforme. Des simulations ont été achevées avec COMSOL Multiphysics en variant différents paramètres. Des expériences ont été menées sur plusieurs spécimens (de différents matériaux) avec des défauts de différents types et tailles. La linescan thermographie est principalement étudiée et d’autres modes d’inspections ont été explorés. Les images résultantes sont reconstruites avec un algorithme dédié. Finalement, les résultats de la méthode sont comparés à ceux de la thermographie optique (par halogène) pour montrer les capacités de la méthode. / Eddy current thermography (ECT) is an active thermography method. The inductive excitation generates Eddy currents in electrically-conductive specimen. In a presence of defects, the eddy current flow is affected by these discontinuities leading to changes in the temperature distribution in the specimen around the defects. These changes are observed by an infrared camera. In this work, we present a robotic application of the method. A robotic interface is developed and all the sensors needed are integrated to the platform. Simulations are performed using COMSOL Multiphysics by varying different parameters. Experiments are realised on different specimens (made of different materials) with defects of different sizes. The linescan Eddy current thermography is studied and other modes are explored. The resulting images are reconstructed with a dedicated algorithm. Finally, the method’s results are compared to optical thermography to show the capability of the method.

Avec les grands développements des technologies de communication sans fil, les réseaux de capteurs sans fil (WSN) ont attiré beaucoup d’attention dans le monde entier au cours de la dernière décennie. Les réseaux de capteurs sans fil sont maintenant utilisés pour a surveillance sanitaire, la gestion des catastrophes, la défense, les télécommunications, etc. De tels réseaux sont utilisés dans de nombreuses applications industrielles et commerciales comme la surveillance des processus industriels et de l’environnement, etc. Un réseau WSN est une collection de transducteurs spécialisés connus sous le nom de noeuds de capteurs avec une liaison de communication distribuée de manière aléatoire dans tous les emplacements pour surveiller les paramètres. Chaque noeud de capteur est équipé d’un transducteur, d’un processeur de signal, d’une unité d’alimentation et d’un émetteur-récepteur. Les WSN sont maintenant largement utilisés dans l’industrie minière souterraine pour surveiller certains paramètres environnementaux, comme la quantité de gaz, d’eau, la température, l’humidité, le niveau d’oxygène, de poussière, etc. Dans le cas de la surveillance de l’environnement, un WSN peut être remplacé de manière équivalente par un réseau à relais à entrées et sorties multiples (MIMO). Les réseaux de relais multisauts ont attiré un intérêt de recherche important ces derniers temps grâce à leur capacité à augmenter la portée de la couverture. La liaison de communication réseau d’une source vers une destination est mise en oeuvre en utilisant un schéma d’amplification/transmission (AF) ou de décodage/transfert (DF). Le relais AF reçoit des informations du relais précédent et amplifie simplement le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant. D’autre part, le relais DF décode d’abord le signal reçu, puis il le transmet au relais suivant au deuxième étage s’il peut parfaitement décoder le signal entrant. En raison de la simplicité analytique, dans cette thèse, nous considérons le schéma de relais AF et les résultats de ce travail peuvent également être développés pour le relais DF. La conception d’un émetteur/récepteur pour le relais MIMO multisauts est très difficile. Car à l’étape de relais L, il y a 2L canaux possibles. Donc, pour un réseau à grande échelle, il n’est pas économique d’envoyer un signal par tous les liens possibles. Au lieu de cela, nous pouvons trouver le meilleur chemin de la source à la destination qui donne le rapport signal sur bruit (SNR) de bout en bout le plus élevé. Nous pouvons minimiser la fonction objectif d’erreur quadratique moyenne (MSE) ou de taux d’erreur binaire (BER) en envoyant le signal utilisant le chemin sélectionné. L’ensemble de relais dans le chemin reste actif et le reste des relais s’éteint, ce qui permet d’économiser de l’énergie afin d’améliorer la durée de vie du réseau. Le meilleur chemin de transmission de signal a été étudié dans la littérature pour un relais MIMO à deux bonds mais est plus complexe pour un ... / With the great developments in wireless communication technologies, Wireless Sensor Networks (WSNs) have gained attention worldwide in the past decade and are now being used in health monitoring, disaster management, defense, telecommunications, etc. Such networks are used in many industrial and consumer applications such as industrial process and environment monitoring, among others. A WSN network is a collection of specialized transducers known as sensor nodes with a communication link distributed randomly in any locations to monitor environmental parameters such as water level, and temperature. Each sensor node is equipped with a transducer, a signal processor, a power unit, and a transceiver. WSNs are now being widely used in the underground mining industry to monitor environmental parameters, including the amount of gas, water, temperature, humidity, oxygen level, dust, etc. The WSN for environment monitoring can be equivalently replaced by a multiple-input multiple-output (MIMO) relay network. Multi-hop relay networks have attracted significant research interest in recent years for their capability in increasing the coverage range. The network communication link from a source to a destination is implemented using the amplify-and-forward (AF) or decode-and-forward (DF) schemes. The AF relay receives information from the previous relay and simply amplifies the received signal and then forwards it to the next relay. On the other hand, the DF relay first decodes the received signal and then forwards it to the next relay in the second stage if it can perfectly decode the incoming signal. For analytical simplicity, in this thesis, we consider the AF relaying scheme and the results of this work can also be developed for the DF relay. The transceiver design for multi-hop MIMO relay is very challenging. This is because at the L-th relay stage, there are 2L possible channels. So, for a large scale network, it is not economical to send the signal through all possible links. Instead, we can find the best path from source-to-destination that gives the highest end-to-end signal-to-noise ratio (SNR). We can minimize the mean square error (MSE) or bit error rate (BER) objective function by sending the signal using the selected path. The set of relay in the path remains active and the rest of the relays are turned off which can save power to enhance network life-time. The best path signal transmission has been carried out in the literature for 2-hop MIMO relay and for multiple relaying it becomes very complex. In the first part of this thesis, we propose an optimal best path finding algorithm at perfect channel state information (CSI). We consider a parallel multi-hop multiple-input multiple-output (MIMO) AF relay system where a linear minimum mean-squared error (MMSE) receiver is used at the destination. We simplify the parallel network into equivalent series multi-hop MIMO relay link using best relaying, where the best relay ...

Actuellement, il existe une forte demande de Headstage et de microsystèmes intégrés implantables pour étudier l’activité cérébrale de souris de laboratoire en mouvement libre. De tels dispositifs peuvent s’interfacer avec le système nerveux central dans les paradigmes électriques et optiques pour stimuler et surveiller les circuits neuronaux, ce qui est essentiel pour découvrir de nouveaux médicaments et thérapies contre des troubles neurologiques comme l’épilepsie, la dépression et la maladie de Parkinson. Puisque les systèmes implantables ne peuvent pas utiliser une batterie ayant une grande capacité en tant que source d’énergie primaire dans des expériences à long terme, la consommation d’énergie du dispositif implantable est l’un des principaux défis de ces conceptions. La première partie de cette recherche comprend notre proposition de la solution pour diminuer la consommation d’énergie des microcircuits implantables. Nous proposons un nouveau circuit de décalage de niveau qui convertit les niveaux de signaux sub-seuils en niveaux ultra-bas à haute vitesse en utilisant une très faible puissance et une petite zone de silicium, ce qui le rend idéal pour les applications de faible puissance. Le circuit proposé introduit une nouvelle topologie de décaleur de niveau de tension utilisant un condensateur de décalage de niveau pour augmenter la plage de tensions de conversion, tout en réduisant considérablement le retard de conversion. Le circuit proposé atteint un délai de propagation plus court et une zone de silicium plus petite pour une fréquence de fonctionnement et une consommation d’énergie donnée par rapport à d’autres solutions de circuit. Les résultats de mesure sont présentés pour le circuit proposé fabriqué dans un processus CMOS TSMC de 0,18- mm. Le circuit présenté peut convertir une large gamme de tensions d’entrée de 330 mV à 1,8 V et fonctionner sur une plage de fréquence de 100 Hz à 100 MHz. Il a un délai de propagation de 29 ns et une consommation d’énergie de 61,5 nW pour les signaux d’entrée de 0,4 V, à une fréquence de 500 kHz, surpassant les conceptions précédentes. La deuxième partie de cette recherche comprend nos systèmes de transfert d’énergie sans fil proposé pour les applications optogénétiques. L’optogénétique est la combinaison de la méthode génétique et optique d’excitation, d’enregistrement et de contrôle des neurones biologiques. Ce système combine plusieurs technologies telles que les MEMS et la microélectronique pour collecter et transmettre les signaux neuronaux et activer un stimulateur optique via une liaison sans fil. Puisque les stimulateurs optiques consomment plus de puissance que les stimulateurs électriques, l’interface utilise la transmission de puissance par induction en utilisant des moyens innovants au lieu de la batterie avec la petite capacité comme source d’énergie. / Notre première contribution dans la deuxième partie fournit un système de cage domestique intelligent basé sur des barrettes multi-bobines superposées à travers un récepteur multicellulaire implantable mince de taille 1×1 cm2, implanté sous le cuir chevelu d’une souris de laboratoire, et unité de gestion de l’alimentation intégrée. Ce système inductif est conçu pour fournir jusqu’à 35,5 mW de puissance délivrée à un émetteur-récepteur full duplex de faible puissance entièrement intégré pour prendre en charge des implants neuronaux à haute densité et bidirectionnels. L’émetteur (TX) utilise une bande ultra-large à impulsions radio basée sur des approches de combinaison, et le récepteur (RX) utilise une topologie à bande étroite à incrémentation de 2,4 GHz. L’émetteur-récepteur proposé fournit un débit de données de liaison montante TX à 500 Mbits/s double et un débit de données de liaison descendante RX à 100 Mbits/s, et est entièrement intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm d’une taille totale de 0,8 mm2 . La puissance peut être délivrée à partir d’un signal de porteuse de 13,56-MHz avec une efficacité globale de transfert de puissance supérieure à 5% sur une distance de séparation allant de 3 cm à 5 cm. Notre deuxième contribution dans les systèmes de collecte d’énergie porte sur la conception et la mise en oeuvre d’une cage domestique de transmission de puissance sans fil (WPT) pour une plate-forme de neurosciences entièrement sans fil afin de permettre des expériences optogénétiques ininterrompues avec des rongeurs de laboratoire vivants. La cage domestique WPT utilise un nouveau réseau hybride de transmetteurs de puissance (TX) et des résonateurs multi-bobines segmentés pour atteindre une efficacité de transmission de puissance élevée (PTE) et délivrer une puissance élevée sur des distances aussi élevées que 20 cm. Le récepteur de puissance à bobines multiples (RX) utilise une bobine RX d’un diamètre de 1 cm et une bobine de résonateur d’un diamètre de 1,5 cm. L’efficacité moyenne du transfert de puissance WPT est de 29, 4%, à une distance nominale de 7 cm, pour une fréquence porteuse de 13,56 MHz. Il a des PTE maximum et minimum de 50% et 12% le long de l’axe Z et peut délivrer une puissance constante de 74 mW pour alimenter le headstage neuronal miniature. En outre, un dispositif implantable intégré dans un processus CMOS TSMC de 0,18-mm a été conçu et introduit qui comprend 64 canaux d’enregistrement, 16 canaux de stimulation optique, capteur de température, émetteur-récepteur et unité de gestion de l’alimentation (PMU). Ce circuit est alimenté à l’intérieur de la cage du WPT à l’aide d’une bobine réceptrice d’un diamètre de 1,5 cm pour montrer les performances du circuit PMU. Deux tensions régulées de 1,8 V et 1 V fournissent 79 mW de puissance pour tout le système sur une puce. Notre dernière contribution est un système WPT insensible aux désalignements angulaires pour alimenter un headstage pour des applications optogénétiques qui a été précédemment proposé par le Laboratoire de Microsystèmes Biomédicaux (BioML-UL) à ULAVAL. Ce système est la version étendue de notre deuxième contribution aux systèmes de collecte d’énergie.Dans la version mise à jour, un récepteur de puissance multi-bobines utilise une bobine RX d’un diamètre de 1,0 cm et une nouvelle bobine de résonateur fendu d’un diamètre de 1,5 cm, qui résiste aux défauts d’alignement angulaires. Dans cette version qui utilise une cage d’animal plus petite que la dernière version, 4 résonateurs sont utilisés côté TX. De plus, grâce à la forme et à la position de la bobine de répéteur L3 du côté du récepteur, la liaison résonnante hybride présentée peut correctement alimenter la tête sans interruption causée par le désalignement angulaire dans toute la cage de la maison. Chaque 3 tours du répéteur RX a été enveloppé avec un diamètre de 1,5 cm, sous différents angles par rapport à la bobine réceptrice. Les résultats de mesure montrent un PTE maximum et minimum de 53 % et 15 %. La méthode proposée peut fournir une puissance constante de 82 mW pour alimenter le petit headstage neural pour les applications optogénétiques. De plus, dans cette version, la performance du système est démontrée dans une expérience in-vivo avec une souris ChR2 en mouvement libre qui est la première expérience optogénétique sans fil et sans batterie rapportée avec enregistrement électrophysiologique simultané et stimulation optogénétique. L’activité électrophysiologique a été enregistrée après une stimulation optogénétique dans le Cortex Cingulaire Antérieur (CAC) de la souris. / Our first contribution in the second part provides a smart home-cage system based on overlapped multi-coil arrays through a thin implantable multi-coil receiver of 1×1 cm2 of size, implantable bellow the scalp of a laboratory mouse, and integrated power management circuits. This inductive system is designed to deliver up to 35.5 mW of power delivered to a fully-integrated, low-power full-duplex transceiver to support high-density and bidirectional neural implants. The transmitter (TX) uses impulse radio ultra-wideband based on an edge combining approach, and the receiver (RX) uses a 2.4- GHz on-off keying narrow band topology. The proposed transceiver provides dual-band 500-Mbps TX uplink data rate and 100-Mbps RX downlink data rate, and it is fully integrated into 0.18-mm TSMC CMOS process within a total size of 0.8 mm2. The power can be delivered from a 13.56-MHz carrier signal with an overall power transfer efficiency above 5% across a separation distance ranging from 3 cm to 5 cm. Our second contribution in power-harvesting systems deals with designing and implementation of a WPT home-cage for a fully wireless neuroscience platform for enabling uninterrupted optogenetic experiments with live laboratory rodents. The WPT home-cage uses a new hybrid parallel power transmitter (TX) coil array and segmented multi-coil resonators to achieve high power transmission efficiency (PTE) and deliver high power across distances as high as 20 cm. The multi-coil power receiver (RX) uses an RX coil with a diameter of 1 cm and a resonator coil with a diameter of 1.5 cm. The WPT home-cage average power transfer efficiency is 29.4%, at a nominal distance of 7 cm, for a power carrier frequency of 13.56-MHz. It has maximum and minimum PTE of 50% and 12% along the Z axis and can deliver a constant power of 74 mW to supply the miniature neural headstage. Also, an implantable device integrated into a 0.18-mm TSMC CMOS process has been designed and introduced which includes 64 recording channels, 16 optical stimulation channels, temperature sensor, transceiver, and power management unit (PMU). This circuit powered up inside the WPT home-cage using receiver coil with a diameter of 1.5 cm to show the performance of the PMU circuit. Two regulated voltages of 1.8 V and 1 V provide 79 mW of power for all the system on a chip. Our last contribution is an angular misalignment insensitive WPT system to power up a headstage which has been previously proposed by the Biomedical Microsystems Laboratory (BioML-UL) at ULAVAL for optogenetic applications. This system is the extended version of our second contribution in power-harvesting systems. In the updated version a multi-coil power receiver uses an RX coil with a diameter of 1.0 cm and a new split resonator coil with a diameter of 1.5 cm, which is robust against angular misalignment. In this version which is using a smaller animal home-cage than the last version, 4 resonators are used on the TX side. Also, thanks to the shape and position of the repeater coil of L3 on the receiver side, the presented hybrid resonant link can properly power up the headstage without interruption caused by the angular misalignment all over the home-cage. Each 3 turns of the RX repeater has been wrapped up with a diameter of 1.5 cm, in different angles compared to the receiver coil. Measurement results show a maximum and minimum PTE of 53 % and 15 %. The proposed method can deliver a constant power of 82 mW to supply the small neural headstage for the optogenetic applications. Additionally, in this version, the performance of the system is demonstrated within an in-vivo experiment with a freely moving ChR2 mouse which is the first fully wireless and batteryless optogenetic experiment reported with simultaneous electrophysiological recording and optogenetic stimulation. Electrophysiological activity was recorded after delivering optogenetic stimulation in the Anterior Cingulate Cortex (ACC) of the mouse. / Currently, there is a high demand for Headstage and implantable integrated microsystems to study the brain activity of freely moving laboratory mice. Such devices can interface with the central nervous system in both electrical and optical paradigms for stimulating and monitoring neural circuits, which is critical to discover new drugs and therapies against neurological disorders like epilepsy, depression, and Parkinson’s disease. Since the implantable systems cannot use a battery with a large capacity as a primary source of energy in long-term experiments, the power consumption of the implantable device is one of the leading challenges of these designs. The first part of this research includes our proposed solution for decreasing the power consumption of the implantable microcircuits. We propose a novel level shifter circuit which converting subthreshold signal levels to super-threshold signal levels at high-speed using ultra low power and a small silicon area, making it well-suited for low-power applications such as wireless sensor networks and implantable medical devices. The proposed circuit introduces a new voltage level shifter topology employing a level-shifting capacitor to increase the range of conversion voltages, while significantly reducing the conversion delay. The proposed circuit achieves a shorter propagation delay and a smaller silicon area for a given operating frequency and power consumption compared to other circuit solutions. Measurement results are presented for the proposed circuit fabricated in a 0.18-mm TSMC CMOS process. The presented circuit can convert a wide range of the input voltages from 330 mV to 1.8 V, and operate over a frequency range of 100-Hz to 100-MHz. It has a propagation delay of 29 ns, and power consumption of 61.5 nW for input signals 0.4 V, at a frequency of 500-kHz, outperforming previous designs. The second part of this research includes our proposed wireless power transfer systems for optogenetic applications. Optogenetics is the combination of the genetic and optical method of excitation, recording, and control of the biological neurons. This system combines multiple technologies such as MEMS and microelectronics to collect and transmit the neuronal signals and to activate an optical stimulator through a wireless link. Since optical stimulators consume more power than electrical stimulators, the interface employs induction power transmission using innovative means instead of the battery with the small capacity as a power source.