Cette thèse discute le problème de test de production en grand volume des circuits radio-fréquences (RF) et à ondes millimétriques (mm-wave). Le test des fonctionnalités RF et à ondes millimétriques est très onéreux. Le test intégré est une alternative prometteuse pour faciliter la procédure et réduire les couts, mais il est difficile à mettre en œuvre car il ne faut en aucun cas qu'il réduit la performance du circuit sous test (CUT). Dans cette thèse, nous étudions une technique du test intégré qui repose sur l'utilisation de capteurs non-intrusifs qui prend en compte la variabilité du procédé de fabrication. Cette technique est extrêmement intéressante pour les concepteurs des circuits RF et mm-wave car il leur permet de dissocier le test de la conception. Les capteurs non-intrusifs sont constitués d'étages analogiques triviaux et de composants simples qui sont copiés de la topologie du CUT et sont placés sur la puce à proximité du CUT. Ils offrent simplement une "image" des variations du procédé de fabrication, ce qui leur permet de suivre les variations de performance du CUT. En substance, cette technique tire parti des phénomènes non désirés de variabilité de procédé de fabrication. Le paradigme du test alternatif est utilisé pour estimer les performances du CUT à partir des mesures des capteurs non intrusifs, afin de remplacer les tests standards qui mesurent les performances directement. Ce principe de test est appliqué à deux différents CUTs, nommément un amplificateur à bas bruit à 2.4GHz réalisé en CMOS 65nm et un amplificateur à bas bruit large bande à 60GHz réalisé en CMOS 65nm. Nous démontrons qu'en ajoutant quelques capteurs non-intrusifs sur la puce, qui n'engendrent pratiquement pas de surcout de surface, et en obtenant de ces capteurs non-intrusifs certaines mesures dans le domaine continu et à basse fréquence, nous sommes capable de suivre les variations de toutes les performances du CUT avec une erreur de prédiction moyenne inférieure à l’écart-type de la performance, et une erreur de prédiction maximum qui est inférieure ou au moins comparable aux erreurs de mesure dans un équipement de test automatisé conventionnel. / This thesis addresses the high-volume production test problem for RF and millimeter-wave (mm-wave) circuits. Testing the RF/mm-wave functions of systems-on-chip (SoCs) incurs a very high cost. Built-in test is a promising alternative to facilitate testing and reduce costs, but it is challenging since it should by no means degrade the performance of the Circuit Under Test (CUT). In this work, we study a built-in test technique which is based on non-intrusive variation-aware sensors. The non-intrusive property is very appealing for designers since the sensors are totally transparent to the design and, thereby, the test is completely dissociated from the design. The non-intrusive sensors are dummy analog stages and single layout components that are copied from the topology of the CUT and are placed on the die in close physical proximity to the CUT. They simply offer an “image” of process variations and by virtue of this they are capable of tracking variations in the performances of the CUT. In essence, the technique capitalizes on the undesired phenomenon of process variations. The alternate test paradigm is employed to map the outputs of the non-intrusive sensors to the performances of the CUT, in order to replace the standard tests for measuring the performances directly. The proposed test idea is applied to two different CUTs, namely a 2.4GHz CMOS 65nm inductive degenerated Low-Noise Amplifier (LNA) and a wide-band mm-wave 60GHz CMOS 65nm 3-stage LNA. We demonstrate that by adding on-chip a few non-intrusive sensors of practically zero area-overhead and by obtaining on these non-intrusive sensors DC or low-frequency measurements, we are able to track variations in all performances of the CUT with an average prediction error lower than one standard deviation of the performance and a maximum prediction error that is lower or at least comparable to the measurement and repeatability errors in a conventional Automatic Test Equipment (ATE) environment.

Este trabalho apresenta uma ferramenta para a simulação de sistemas de comunicação utilizando modelos em alto nível para cada um dos blocos empregados. A ferramenta é baseada em modelos comportamentais de blocos de Radio Freqüência (RF), o que reduz custos, tempo de simulação e permite um rápido diagnóstico de problemas precoces no projeto de um sistema de comunicação sem fio. O desenvolvimento de blocos, como o LNA (Low Noise Amplifier), o MIXER, o LO (Oscillator Local) e o PA (Power Amplifier), facilita a implementação de qualquer arquitetura de Transmissão e de Recepção. Para isso foram levados em consideração efeitos de ruído, não linearidade e ganho no modelo dos blocos. Com isto se espera que a ferramenta ajude no projeto de circuitos integrados de um sistema de blocos em cascata, onde o usuário possa selecionar, configurar e simular o sistema. Na utilização da ferramenta é indispensável um conhecimento prévio das características e especificações em nível de sistema. Assim, se poderão fazer mudanças nos parâmetros de blocos, que permitirá então analisar compromissos existentes entre ruído, ganho e distorção do sinal através de todo o caminho, antes mesmo de se ter uma resposta definitiva. A ferramenta de simulação é implementada em Simulink, que é um pacote (toolbox) de Matlab, amplamente utilizado no desenvolvimento de algoritmos e blocos de comunicação. A interação e ambiente gráfico da ferramenta facilitam o uso pelas pessoas envolvidas direta e indiretamente com o projeto de circuitos. Finalmente, para verificar a ferramenta desenvolvida foi feito um estudo de caso, onde se modelou e simulou o padrão Bluetooth. / This work presents a tool for the simulation of Communication Systems using macromodels for each block used. The tool is based on behavioral models of Radio Frequency (RF) blocks, which minimize cost, simulation time and allows a fast determination of problems in the early phases of the design of a Wireless Communication System. The development of blocks like the LNA (Low Noise Amplifier), the MIXER, the LO (Local Oscillator) and the PA (Power Amplifier), helps to implement any architecture for transmission and reception. For that, the effects of noise, non-linearity and gain in the behavioral model of the blocks were considered. With this, it is expected that the tool will help the design of integrated circuits of a system with cascade blocks, where the user can select, set up and simulate the system. In order to use the tool, previous knowledge of the characteristics and specifications of the system is necessary. In this way, it will be possible to change the parameters of blocks, allowing the analysis of tradeoffs between noise, gain and distortion of the signal through the system, before having a definite answer. The tool is implemented in Simulink, which is a toolbox of Matlab, normally used in the development of communication blocks and algorithms. The graphic environment of the tool allows a straightforward use for people involved directly or indirectly with the Circuit Design. Finally, in order to verify the developed tool, a case study was performed where the Bluetooth standard was modeled and simulated.

Este trabalho apresenta uma ferramenta para a simulação de sistemas de comunicação utilizando modelos em alto nível para cada um dos blocos empregados. A ferramenta é baseada em modelos comportamentais de blocos de Radio Freqüência (RF), o que reduz custos, tempo de simulação e permite um rápido diagnóstico de problemas precoces no projeto de um sistema de comunicação sem fio. O desenvolvimento de blocos, como o LNA (Low Noise Amplifier), o MIXER, o LO (Oscillator Local) e o PA (Power Amplifier), facilita a implementação de qualquer arquitetura de Transmissão e de Recepção. Para isso foram levados em consideração efeitos de ruído, não linearidade e ganho no modelo dos blocos. Com isto se espera que a ferramenta ajude no projeto de circuitos integrados de um sistema de blocos em cascata, onde o usuário possa selecionar, configurar e simular o sistema. Na utilização da ferramenta é indispensável um conhecimento prévio das características e especificações em nível de sistema. Assim, se poderão fazer mudanças nos parâmetros de blocos, que permitirá então analisar compromissos existentes entre ruído, ganho e distorção do sinal através de todo o caminho, antes mesmo de se ter uma resposta definitiva. A ferramenta de simulação é implementada em Simulink, que é um pacote (toolbox) de Matlab, amplamente utilizado no desenvolvimento de algoritmos e blocos de comunicação. A interação e ambiente gráfico da ferramenta facilitam o uso pelas pessoas envolvidas direta e indiretamente com o projeto de circuitos. Finalmente, para verificar a ferramenta desenvolvida foi feito um estudo de caso, onde se modelou e simulou o padrão Bluetooth. / This work presents a tool for the simulation of Communication Systems using macromodels for each block used. The tool is based on behavioral models of Radio Frequency (RF) blocks, which minimize cost, simulation time and allows a fast determination of problems in the early phases of the design of a Wireless Communication System. The development of blocks like the LNA (Low Noise Amplifier), the MIXER, the LO (Local Oscillator) and the PA (Power Amplifier), helps to implement any architecture for transmission and reception. For that, the effects of noise, non-linearity and gain in the behavioral model of the blocks were considered. With this, it is expected that the tool will help the design of integrated circuits of a system with cascade blocks, where the user can select, set up and simulate the system. In order to use the tool, previous knowledge of the characteristics and specifications of the system is necessary. In this way, it will be possible to change the parameters of blocks, allowing the analysis of tradeoffs between noise, gain and distortion of the signal through the system, before having a definite answer. The tool is implemented in Simulink, which is a toolbox of Matlab, normally used in the development of communication blocks and algorithms. The graphic environment of the tool allows a straightforward use for people involved directly or indirectly with the Circuit Design. Finally, in order to verify the developed tool, a case study was performed where the Bluetooth standard was modeled and simulated.

Les technologies microélectroniques ainsi que les outils de CAO actuels permettent la conception de plus en plus rapide de circuits et systèmes intégrés très complexes. L'un des plus importants problèmes rencontrés est de gérer la complexité en terme de nombre de transistors présents dans le système à manipuler ainsi qu'en terme de diversité des composants, dans la mesure où les systèmes actuels intègrent, sur un même support de type SiP ou bien SoC, de plus en plus de blocs fonctionnels hétérogènes. Le but de cette thèse est la recherche de nouvelles techniques de test qui mettent à contribution les ressources embarquées pour le test et le contrôle des modules AMS et RF. L'idée principale est de mettre en oeuvre pour ces composantes des méthodes de test et de contrôle suffisamment simples pour que les ressources numériques embarquées puissent permettre leur implémentation à faible coût. Les techniques proposées utilisent des modèles de représentation auto-régressifs qui prennent en comptes les non linéarités spécifiques à ce type de modules. Les paramètres du modèle comportemental du système sont utilisés pour la prédiction des performances du système qui sont nécessaire pour l'élaboration de la signature de test et le contrôle de la consommation du circuit. Deux démonstrateurs ont été mis en place pour valider la technique proposée : une chaine RF conçue au sein du groupe RMS et un accéléromètre de type MMA7361L.

Les technologies microélectroniques ainsi que les outils de CAO actuels permettent la conception de plus en plus rapide de circuits et systèmes intégrés très complexes. L'un des plus importants problèmes rencontrés est de gérer la complexité en terme de nombre de transistors présents dans le système à manipuler ainsi qu'en terme de diversité des composants, dans la mesure où les systèmes actuels intègrent, sur un même support de type SiP ou bien SoC, de plus en plus de blocs fonctionnels hétérogènes. Le but de cette thèse est la recherche de nouvelles techniques de test qui mettent à contribution les ressources embarquées pour le test et le contrôle des modules AMS et RF. L'idée principale est de mettre en oeuvre pour ces composantes des méthodes de test et de contrôle suffisamment simples pour que les ressources numériques embarquées puissent permettre leur implémentation à faible coût. Les techniques proposées utilisent des modèles de représentation auto-régressifs qui prennent en comptes les non linéarités spécifiques à ce type de modules. Les paramètres du modèle comportemental du système sont utilisés pour la prédiction des performances du système qui sont nécessaire pour l'élaboration de la signature de test et le contrôle de la consommation du circuit. Deux démonstrateurs ont été mis en place pour valider la technique proposée : une chaine RF conçue au sein du groupe RMS et un accéléromètre de type MMA7361L. / Analogue-mixed-signal (AMS) and Radio frequency (RF) devices are required in many applications such as communications, multimedia, and signal processing. These applications are often subject to severe area constraints. The complexity of AMS and RF cores, together with shrinking device dimensions limit accessibility to the internal nodes of the circuit. This makes the test and the control of this circuit very difficult. Ensuring high test/control quality at low cost for these AMS and RF designs has become an important challenge for test engineers. RF and AMS cores are generally incorporated in a chip including large digital components as microprocessors and memories. The main idea of this work is to develop for these components simple test and control methods which can be implemented in the embedded resources of the system at low cost. The proposed techniques use autoregressive models for the devices under test/control. These models take into account the specific nonlinearities to such devices. Only the behavioural model parameters of the system are used to predict the system performances which are necessary to develop the test signature and/or control the consumption of the circuit. This method is implemented on a dsPiC30f for testing and controlling two demonstrators: a front-end RF card, designed in RMS group of TIMA laboratory, and a MMA7361L 3 axis accelerometer.

Les travaux présentés dans la thèse portent sur la conception d'amplificateurs de puissance reconfigurables dans la technologie SiGe BiCMOS7RF de STMicroelectronics. Les applications visées sont les terminaux multi-standards de communications mobiles GSM/DCS/UMTS. Ces amplificateurs doivent être capables de modifier dynamiquement leurs propriétés en fonction à la fois du standard utilisé à un moment donné et du niveau de la puissance d'entrée afin de travailler à rendement optimum et préserver les batteries des terminaux. Pour cela, nous avons du faire face aux principaux points de divergence de ces standards: le rendement pour le GSM et le DCS afin de diminuer la puissance consommée et la linéarité pour l'UMTS qui utilise une modulation à enveloppe non-constante. L'amplificateur de puissance reconfigurable doit donc faire face à cette contradiction. Nous proposons une architecture capable d'adapter ses caractéristiques en fonction du standard choisi, en décrivant des méthodes permettant de modifier les caractéristiques principales de l'amplificateur : la classe de fonctionnement, le point de compression à 1 dB et le gain de la structure, le but étant de travailler à rendement optimum. Tous ces points de contrôles sont autant de leviers qui permettent de modifier les paramètres de l'amplificateur et de privilégier les critères de linéarité et de rendement l'un par rapport à l'autre, afin que l'amplificateur réponde aux spécifications du standard utilisé à un moment donné. La réalisation d'un amplificateur de puissance reconfigurable nous a permis de valider la fonctionnalité de la technique proposée. Mots-clés : multi-standard, circuits RF BiCMOS, amplificateur de puissance reconfigurable, classes de fonctionnement, variation du CP1, compromis linéarité-rendement, rendement optimum.

Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans le cadre du développement des réseaux de capteurs sans fil pour le domaine aérospatial. Les applications concernées sont la mesure de température et des contraintes mécaniques sur les ailes d'avion en vol d'essai ainsi que sur la structure des satellites. Ces mesures sont effectuées en temps réel et sans perte de données. Nos travaux de recherches se focalisent sur le développement d'une architecture de communication sans fil qui permet de répondre aux besoins des ces applications en terme de faible coût, faible consommation et haut débit. Nous avons développé une architecture à conversion directe avec l'utilisation de deux voies différentielles I et Q. Cette architecture exploite la bande de fréquence UWB 6-8.5 GHz autorisée en Europe. Nous nous sommes concentrés en particulier sur la conception des mélangeurs de fréquence qui demandent une bande passante très importante en valeur relative (10-510 MHz) sur l'entrée de mélangeur rehausseur de fréquence et sur la sortie de mélangeur abaisseur de fréquence. La conception de l'amplificateur faible bruit est moins délicate car son besoin en bande passante relative est moins important. Une nouvelle topologie de mélangeur a été conçue pour répondre au besoin en largeur de bande. Nous avons pris soins à ce que le mélangeur d'émission ait une perte de conversion nulle pour attaquer directement l'antenne sans passer par un amplificateur de puissance et réduire la puissance de contrôle à -3d Bm pour diminuer la consommation de l'oscillateur contrôlé en tension (VCO). De cette manière, la chaine d'émission se réduit à deux mélangeurs I et Q basse consommation. Cette architecture d'émission laisse plus de marge en terme de consommation pour la conception de la chaine de réception. Les différents blocs RF ont été développés en technologie CMOS 130 nm, permettant d'atteindre de bonnes performances avec un coût minimum. Les mesures effectuées valident le fonctionnement des circuits développés.