Cette thèse porte sur les défis techniques et technologiques dans la conception des architectures mobiles d'émission " tout numérique " reconfigurables fonctionnant dans les bandes cellulaires pour les standards GSM, W-CDMA, HSUPA et LTE. Avec l'évolution constante des besoins en communication, les terminaux mobiles doivent être en mesure de couvrir différents standards à partir d'une même architecture, en fonction des bandes de fréquences libres, du débit et des contraintes spectrales. Dans un but de réduction des coûts, de consommation et d'une plus grande intégration, de nouvelles architectures dites multistandards se sont développées permettant à un seul émetteur d'adresser chaque standard au lieu de paralléliser plusieurs architectures radio chacune dédiée à un standard particulier. Depuis plusieurs années ont émergé des technologies nanométriques telles que le CMOS 90nm ou 65nm, ouvrant la voie à une plus grande numérisation des blocs fonctionnels des architectures jusqu'alors analogiques. Dans cette étude, nous identifions les évolutions possibles entre " monde analogique " et " monde numérique " permettant de déplacer la limite de la bande de base jusqu'à l'amplificateur de puissance. Plusieurs architectures ont été étudiées avec des degrés de numérisation progressifs jusqu'à atteindre l'architecture " tout numérique " englobant une partie de l'amplification de puissance. Un travail approfondi sur l'étude des différents standards cellulaires mené conjointement avec l'implémentation et la simulation de ces architectures, a permis d'identifier les différents verrous technologiques et fonctionnels dans le développement d'architectures " tout numérique ". Les contraintes de pollution spectrale des raies de sur-échantillonnage sont apparues comme dimensionnantes. Pour chaque bande de chaque standard, ces contraintes ont été évaluées, afin de définir une méthode d'optimisation des fréquences de sur-échantillonnage. Cependant un filtrage externe reste nécessaire. Une deuxième étape nous a amené à identifier et concevoir une technique de filtrage passe bande reconfigurable pour les bandes cellulaires de 1710 à 1980MHz avec au moins 60MHz de largeur de bande afin d'adresser le standard LTE, et 23dB d'atténuation à 390MHz du centre de la bande pour adresser le pire cas de filtrage (bandes 1, 3 et 10 en W-CDMA). Nous avons alors conçu et implémenté un filtre reconfigurable à inductances actives, afin de garantir reconfigurabilité et très faibles pertes d'insertion. Cette thèse a donc permis à partir d'une problématique actuelle et au travers d'une démarche d'identification des limites des architectures " tout numérique ", de proposer un prototype de filtre adapté. Ce filtre a été conçu en CMOS 65nm, réalisé et mesuré, les performances sont conformes aux exigences requises.

Cette thèse porte sur les défis techniques et technologiques dans la conception des architectures mobiles d'émission « tout numérique » reconfigurables fonctionnant dans les bandes cellulaires pour les standards GSM, W-CDMA, HSUPA et LTE. Avec l'évolution constante des besoins en communication, les terminaux mobiles doivent être en mesure de couvrir différents standards à partir d'une même architecture, en fonction des bandes de fréquences libres, du débit et des contraintes spectrales. Dans un but de réduction des coûts, de consommation et d'une plus grande intégration, de nouvelles architectures dites multistandards se sont développées permettant à un seul émetteur d'adresser chaque standard au lieu de paralléliser plusieurs architectures radio chacune dédiée à un standard particulier. Depuis plusieurs années ont émergé des technologies nanométriques telles que le CMOS 90nm ou 65nm, ouvrant la voie à une plus grande numérisation des blocs fonctionnels des architectures jusqu'alors analogiques. Dans cette étude, nous identifions les évolutions possibles entre « monde analogique » et « monde numérique » permettant de déplacer la limite de la bande de base jusqu'à l'amplificateur de puissance. Plusieurs architectures ont été étudiées avec des degrés de numérisation progressifs jusqu'à atteindre l'architecture « tout numérique » englobant une partie de l'amplification de puissance. Un travail approfondi sur l'étude des différents standards cellulaires mené conjointement avec l'implémentation et la simulation de ces architectures, a permis d'identifier les différents verrous technologiques et fonctionnels dans le développement d'architectures « tout numérique ». Les contraintes de pollution spectrale des raies de sur-échantillonnage sont apparues comme dimensionnantes. Pour chaque bande de chaque standard, ces contraintes ont été évaluées, afin de définir une méthode d'optimisation des fréquences de sur-échantillonnage. Cependant un filtrage externe reste nécessaire. Une deuxième étape nous a amené à identifier et concevoir une technique de filtrage passe bande reconfigurable pour les bandes cellulaires de 1710 à 1980MHz avec au moins 60MHz de largeur de bande afin d'adresser le standard LTE, et 23dB d'atténuation à 390MHz du centre de la bande pour adresser le pire cas de filtrage (bandes 1, 3 et 10 en W-CDMA). Nous avons alors conçu et implémenté un filtre reconfigurable à inductances actives, afin de garantir reconfigurabilité et très faibles pertes d'insertion. Cette thèse a donc permis à partir d'une problématique actuelle et au travers d'une démarche d'identification des limites des architectures « tout numérique », de proposer un prototype de filtre adapté. Ce filtre a été conçu en CMOS 65nm, réalisé et mesuré, les performances sont conformes aux exigences requises / This thesis addresses the technical and technological challenges in the design of “all digital” reconfigurable mobile architectures operating cellular standard bands (GSM, WCDMA, HSUPA and LTE). With the ever-changing communication needs, mobile devices must be able to address different standards from a common architecture depending on free frequency bands, data rate and spectral constraints. In order to reduce costs, consumption and to obtain a greater integration, new architectures were developed and called multi-standard allowing a single transmitter to transmit each standard instead of parallelizing several radio architectures each dedicated to a particular standard. For several years nanoscale technologies such as 90nm or 65nm CMOS have emerged, clearing the way to replace analog functional blocks by greater digital functional blocks. In this study, we identify possible changes between "analog world" and "digital world" to move the digital boundary from the baseband to power amplifier. Several architectures have been studied with progressive digitization degrees to meet "all digital" architecture, comprising part of the power amplifier. Extensive work on the study of different cellular standards conducted jointly with the implementation and simulation of these architectures, let us identified the different technological and functional locks in the development of "all digital" architectures. Oversampling spurious constraints have emerged as dimensioning. For each band of each standard, these constraints were evaluated to define an optimization method of over-sampling frequency. However an external filter is required. A second step led us to identify and design a reconfigurable bandpass filtering technique for cellular bands from 1710 to 1980MHz with at least 60MHz of bandwidth in order to address the LTE, and 23dB attenuation at 390MHz from the center of the filter to address the most constringent filtering cases (bands 1, 3 and 10 in W-CDMA). We then designed and implemented a reconfigurable filter based on active inductors to ensure reconfigurability and very low insertion loss. This thesis permit from an actual architecture system issue and through a process to identify limitations of “all digital” architectures, to propose an adapted filtering solution. This filter was designed in 65nm CMOS, implemented. Measured performance is consistent with requirements

Cette thèse porte sur les défis techniques et technologiques dans la conception des architectures mobiles d'émission " tout numérique " reconfigurables fonctionnant dans les bandes cellulaires pour les standards GSM, W-CDMA, HSUPA et LTE. Avec l'évolution constante des besoins en communication, les terminaux mobiles doivent être en mesure de couvrir différents standards à partir d'une même architecture, en fonction des bandes de fréquences libres, du débit et des contraintes spectrales. Dans un but de réduction des coûts, de consommation et d'une plus grande intégration, de nouvelles architectures dites multistandards se sont développées permettant à un seul émetteur d'adresser chaque standard au lieu de paralléliser plusieurs architectures radio chacune dédiée à un standard particulier. Depuis plusieurs années ont émergé des technologies nanométriques telles que le CMOS 90nm ou 65nm, ouvrant la voie à une plus grande numérisation des blocs fonctionnels des architectures jusqu'alors analogiques. Dans cette étude, nous identifions les évolutions possibles entre " monde analogique " et " monde numérique " permettant de déplacer la limite de la bande de base jusqu'à l'amplificateur de puissance. Plusieurs architectures ont été étudiées avec des degrés de numérisation progressifs jusqu'à atteindre l'architecture " tout numérique " englobant une partie de l'amplification de puissance. Un travail approfondi sur l'étude des différents standards cellulaires mené conjointement avec l'implémentation et la simulation de ces architectures, a permis d'identifier les différents verrous technologiques et fonctionnels dans le développement d'architectures " tout numérique ". Les contraintes de pollution spectrale des raies de sur-échantillonnage sont apparues comme dimensionnantes. Pour chaque bande de chaque standard, ces contraintes ont été évaluées, afin de définir une méthode d'optimisation des fréquences de sur-échantillonnage. Cependant un filtrage externe reste nécessaire. Une deuxième étape nous a amené à identifier et concevoir une technique de filtrage passe bande reconfigurable pour les bandes cellulaires de 1710 à 1980MHz avec au moins 60MHz de largeur de bande afin d'adresser le standard LTE, et 23dB d'atténuation à 390MHz du centre de la bande pour adresser le pire cas de filtrage (bandes 1, 3 et 10 en W-CDMA). Nous avons alors conçu et implémenté un filtre reconfigurable à inductances actives, afin de garantir reconfigurabilité et très faibles pertes d'insertion. Cette thèse a donc permis à partir d'une problématique actuelle et au travers d'une démarche d'identification des limites des architectures " tout numérique ", de proposer un prototype de filtre adapté. Ce filtre a été conçu en CMOS 65nm, réalisé et mesuré, les performances sont conformes aux exigences requises

The scope of this thesis is to propose solutions to improve the performances of the CMOS transistor only simulated inductors (TOSI) aiming RF filtering applications. We are interested in TOSI architectures because they prove better performances than the classical gm–C filters, being superior with respect to the number of transistors, power consumption, frequency capability and chip area. Furthermore, TOSI architectures have many potential applications in RF design. In the general context of the multi–standard trend followed by wireless transceivers, TOSI based RF filters may offer the possibility of implementing reconfigurable devices. However, satisfying the telecommunications requirements is not an easy task therefore high order TOSI based filters should be implemented. Consequently, using good second order TOSI cells is a matter of the utmost importance and we propose a novel quality factor tuning principle which offers an almost independent tuning of self resonant frequency and quality factor for simulated inductors. An improved TOSI architecture with increased frequency capability is also reported.

Le secteur des communications sans fil a connu un essor considérable, soutenu par l’évolution des "smartphones" et par le développement des réseaux de capteurs sans fil et de l’Internet des Objets (connu en anglais sous le nom ‘IoT’ pour Internet of Things). Les applications actuelles visent l’autonomie énergétique des objets communicants et nécessitent la conception de circuits intégrés pouvant assurer à la fois un fonctionnement à hautes performances et à moindre coût. L’une des principales fonctions des systèmes de communications radiofréquences (RF) est la génération de fréquence, assurée par l’oscillateur. De nombreux efforts de conception sont ainsi nécessaires afin d’assurer les performances requises par les nouvelles applications sans fil. Nos travaux de recherche ont pour objectif de proposer une méthode de conception d’oscillateurs agiles à faible consommation au sein des systèmes d’émission-réception RF. Le travail s’est focalisé sur l’étude et l’optimisation des éléments constitutifs d’un oscillateur LC passif en technologie CMOS et sur la proposition d’une méthode de conception. La méthode proposée peut être exploitée pour différentes structures d’oscillateurs afin d’optimiser leurs performances essentiellement en termes de consommation de puissance et de bruit de phase. Cette méthode a été appliquée pour implémenter plusieurs VCOs en technologie CMOS. Une série de mesure sous pointes a permis de valider leur fonctionnement. La suite de ce travail de thèse est consacrée à la proposition d’une nouvelle topologie d’oscillateur LC reconfigurable à base d’inductance active dédiée aux applications multistandards faible coût / The rapid growth of the Internet of Things (IoT) applications and the wireless sensor networks boosts the need for low cost and low power radiofrequency (RF) transceivers. The voltage-controlled oscillator (VCO) is an essential building block of several RF transceivers. Design tradeoffs have been very stringent in terms of power consumption, phase-noise, area and tuning range. In this context, the aim of this work is to propose a design method, aiming to optimize the VCO design and to improve its performances essentially in terms of power consumption and phase noise.The first part of this thesis sets a study of the elements of passive LC oscillators in CMOS technology. The second part presents a complete design method, aiming to optimize the LC-VCO performance regarding the phase noise and power consumption. The evaluation of the proposed method is carried out with some test-cases in full CMOS technology. Many RF LC-VCOs have been implemented and measured. The final part of this thesis presents a new tunable VCO suitable for multi-standards applications. The frequency tuning of the VCO is ensured using an active inductor based on CMOS inverters. The desired bandwidth can be selected while achieving low surface area and low power consumption.

Ce travail de thèse porte sur la conception de dispositifs filtrants accordables, c'est-à-dire pouvant commuter leurs caractéristiques d'un standard à un autre afin de réduire l’encombrement des chaines émission/réception d’un dispositif multistandard. Les filtres les plus utilisés actuellement sont des filtres acoustiques. En effet, ces filtres sont difficilement intégrables dans une technologie silicium et ils restent parmi les dispositifs passifs les plus encombrants du front-end RF. De plus, ils ne permettent pas d’avoir de bonnes performances en pertes d’insertion, en sélectivité et en accordabilité fréquentielle. De ce fait, des solutions alternatives sont à l’origine de ces travaux de thèse. Nous avons considéré tout d’abord un filtre actif qui a la possibilité de régler sa fréquence de résonnance, d’une part à la fréquence de résonnance du système Wifi et d’autre part, à la fréquence de résonnance du système Zigbee. Ensuite, une autre solution a été proposée dans le dernier chapitre qui consiste à réaliser une structure active filtrante bi-bande intégrée. Cette solution a pour avantage de récolter simultanément les données des systèmes opérant dans les deux bandes de fréquences visés. Les résultats obtenus des circuits réalisés sont validés par des simulations et de mesures. / This thesis concerns the design of tunable filter devices that can switch theirs characteristics from one standard to another in order to reduce the congestion of emission/reception chain of multi-standard systems. The most commonly used filters are acoustic filters. Indeed, these filters are difficult to be integrated in silicon technology and they remain one of the most bulky passive devices of the RF front-end. In addition, they don’t achieve good performance in insertion loss, frequency selectivity and tunability. Therefore, alternative solutions are at the origin of this thesis. An active filter is considered with the possibility of adjusting the resonance frequency: the resonant frequency of the Wifi system and the resonance frequency of the Zigbee system. Moreover, another solution is proposed in the last chapter, which consists to achieve a dual band structure of integrated active filter. This solution has the advantage to simultaneously collect data provided from the operating systems located in the two specified frequencies bands. Simulations and measurements validate the results of the realized circuits.