L’objectif de ce travail est d’aborder la conception de réseaux d’adaptation d’impédance accordable (RAA) dans deux contextes bien distincts en radiofréquences : le RAA en faible signal et le RAA en fort signal.Concernant les aspects faible signal, des critères de performance de RAA ont été établis et étudiés. Une nouvelle expression générale de l’efficacité d’un RAA a été développée. Elle permet de prédire le rendement d’un RAA à partir des facteurs de qualité des composants dont on dispose dans une technologie donnée et du rapport de transformation à réaliser. Des abaques de couverture d’impédances en fonction des pertes d’insertion ont été calculés. Ils mettent en évidence les régions de couverture où le RAA apporte une amélioration à la performance du système, pour diverses topologies de RAA.Un démonstrateur sur PCB a été réalisé. Il est constitué de deux RAA, qui assurent l’adaptation simultanée d’un amplificateur de puissance sur une large plage d’impédances, comprises dans un cercle de l’abaque de Smith d’équation VSWR < 5 :1. La zone de couverture a été mesurée et présentée en fonction des pertes d’insertion, qui mettent en évidence les régions où les RAA contribuent à l’amélioration de la performance de l’amplificateur et celles où les pertes d’insertion du RAA n’arrivent pas à compenser le gain du à la réduction des coefficients de réflexion.Dans une seconde partie, la conception de RAA en fort signal a été traitée. L’objectif a été de présenter à la sortie d’un amplificateur de puissance les impédances qui optimisent son efficacité pour chaque puissance de travail. Un démonstrateur en technologie CMOS SOI 130 nm a été conçu et simulé. Il consiste en un amplificateur de puissance pour le standard WCDMA, fonctionnant à 900 MHz, et un RA accordable par des varactors MOS, capable de générer les impédances optimales correspondant à des puissances de sortie comprises entre 20 et 30 dBm. Les résultats ont mis en évidence le bénéfice apporté par l’insertion d’un RA accordable par rapport à un RA fixe. / The aim of this research was the design of tunable matching networks, in two different contexts: the TMN at low and high signals.Performance criteria of TMN were studied. A general expression has been developed that estimates the TMN efficiency in function of the quality factor of the components used. The impedance coverage of different RAA topologies was plotted in function of the insertion losses.For the small signal, we designed a prototype in PCB, composed by two TMN, which ensure the simultaneous matching of a power amplifier in a wide range of impedances, included in a circle of the Smith chart VSWR < 5: 1. The coverage area was measured and presented in function of the insertion losses, emphasizing the areas where the TMN contribute to improve the amplifier performance and those where insertion losses of the TMN are not able to compensate gain with the reduction of the reflection coefficients.Subsequently, we discussed the design of TMN for the large signal. The objective is to present at the output of a power amplifier, the impedances that optimize efficiency for each power of operation. A 130 nm SOI prototype was designed and simulated, consisting of a power amplifier for WCDMA standard, 900 MHz, and a MN tunable by MOS varactors able to produce the optimal impedances corresponding to an output power between 20 and 30 dBm. The results showed the benefit provided by inserting a tunable MN compared to a fixed one.

Cette thèse présente une étude de faisabilité d'un récepteur faible coût et faible consommation pour l'extension du standard DVS-S à la mobilité. L'objectif de ce projet est de proposer de solutions pour lever les verrous technologiques quant à la réalisation d'un tel système en technologie CMOS 65 nm. Ce manuscrit de thèse articulé autour de quatre chapitres décrit toutes les étapes depuis la définition des spécifications du réseau d'antennes et de la chaîne de réception jusqu'à la présentation de leurs performances, en passant par l'étude de leurs architectures et de la conception des différents blocs. Suite à l'étude au niveau système et au bilan de liaison, le démonstrateur envisagé est constitué d'un réseau d'antennes (huit sous-réseaux de huit antennes microruban) suivi de la mise en parallèle de huit chemins unitaires pour satisfaire les exigences (Gain, facteur de bruit, rapport signal-à-bruit...) de l'application visée. Ce travail a abouti à la démonstration de la faisabilité d'une architecture innovante. Par ailleurs, nous avons aussi démontré sa non-application pour le standard DVB-S en raison des limitations en bruit de la technologie CMOS. Cependant des pistes existent pour améliorer le rapport signal-à-bruit du démonstrateur, à savoir l'utilisation d'un LNA (Low Noise Amplifier) avec une technologie compétitive en bruit et/ou d'un traitement du signal après la démodulation en bande par un processeur analogique. / This work focuses on the faisability of a low cost and low power receiver in order to extend the DVB-S standard to mobility. The objective of this project is to suggest solutions to overcome technological bottlenecks fot the realization of such a demonstrator with 65 nm CMOS technology. This report composed of four chapters, describes all steps from the specification definition to the performances of the antenna array and the receiver through the architecture study and the different blocks design. [...]

The presented dissertation thesis deals with modular design of analog circuits in CMOS technology. The goal of the work is to design a set of modular microelectronic building blocks and realize the selected modern active circuits, working primarily in current mode. Nevertheless, the modular approach can be used for design of generally known classical elements, e.g. opamps, as well. As a part of the work, the development of the totally new highly versatile active circuit CCTA has been done, including detailed analysis of utilization and introduction of the most interesting applications. This circuit CCTA, together with relative, already theoretically treated circuit CDTA, has been realized here for the first time, in two different topologies. Final circuits were tested. On the basis of measurement results the library of behavioral models for PSpice was created, including exemplary simulations of the selected applications. Based on the obtained knowledge the brief comparison of voltage mode circuits and current mode circuits was done.

L’objectif des travaux menés dans le cadre de cette thèse est le déploiement d’un dispositif médical embarqué et portable assurant l’acquisition et la transmission du signal biomédical électrocardiogramme. Il doit intégrer des techniques de traitement avancées et un étage de communication radio. A la quête de nouvelles idées non encore explorées par la communauté scientifique, nous proposons dans notre travail d’appliquer une acquisition compressée intelligente par exploitation du caractère parcimonieux du signal électrocardiogramme à l’aide d’un convertisseur analogique-numérique à échantillonnage non-uniforme. / The objective of this thesis is the deployment of an embedded and portable medical device for acquisition and transmission of the biomedical electrocardiogram signal. The device incorporates advanced processing techniques and a radio communication module. In search of new ideas not yet explored by the scientific community, we propose in our work to apply an intelligent compressed acquisition by exploiting the sparsity character of the electrocardiogram using a non-uniform sampling analog-to-digital converter.

Avec la prolifération des appareils électroniques portables et mobiles communicants, il est recommandé de pouvoir échanger des données rapidement et commodément entre les appareils. Avec la pénurie de bande passante et la congestion dans le spectre des fréquences faibles, la technologie de communication à ondes millimétriques (Mm-wave) est considérée comme l'une des technologies clés du futur pour permettre des applications sans fil à débit élevé grâce à son large spectre abondant. Les nœuds de technologie CMOS avancés sont dotés de ft et fmax plus élevés qui permettent une utilisation peu coûteuse et généralisée de ce spectre. Cependant, de nombreux défis associés à la conception de circuits et de systèmes RF millimétriques en utilisant des technologies CMOS avancées ont été identifiés. L’amplificateur de puissance (PA) a été identifié comme étant le bloc le plus difficile à concevoir dans un émetteur-récepteur intégré RF millimétrique. Le concept au niveau du système de l’architecture basse puissance est d’abord étudié et des blocs clés tels que l’antenne 60 GHz et le modulateur OOK dans la technologie CMOS 130nm ont été présentés. Cette thèse explore également les défis de conception de l’amplificateur de puissance à ondes millimétriques dans la technolgie 28nm UTBB-FDSOI. Trois conceptions différentes d’amplificateur de puissance de 60 GHz ont été démontrées dans 28nm LVT FDSOI : 1) Un PA cascode à deux étages, 2) Un PA différentiel à deux étages à base de transformateur, 3) Un PA différentiel à deux étages à puissance combinée. Les performances simulées, y compris la prise en compte des parasites principaux de disposition ont été présentées. Les travaux futurs incluront l’intégration sur puce avec le PA. / With the proliferation of portable and mobile electronic devices, there is a strong need to exchange data quickly and conveniently between devices encouraging to overcome challenges in bandwidth shortages and congestion in the lower frequencies spectrum. Millimeter-wave (Mm-wave) technology is considered as one of the future key technologies to enable high data rates wireless applications due to its large abundant spectrum. Advanced CMOS technology nodes comes with high ft and fmax, enable low cost and widespread use of this spectrum. However, many associated challenges ranging from device, circuit and system perspectives for the implementation of a highly integrated mm-wave transceiver especially the power amplifier (PA) which identified to be the most challenging RF block to be designed. The system level concept of low power architecture is firstly studied and key blocks such as 60 GHz antenna and OOK modulateur in 130nm CMOS technology were presented. This thesis also explores the design challenges of mm-wave power amplifier in 28nm UTBB-FDSOI technology. Three different designs of 60 GHz power amplifier were demonstrated in 28nm LVT FDSOI : 1) A two-stage cascode PA, 2) A two-stage differential PA with low-km TMN, 3) A power combined two-stage differential PA with low-km TMN. The simulated performance including the consideration of key layout parasitics were presented. Future work will include for on-chip integration with the PA.

Ce travail s’inscrit dans un projet consistant à développer un prototype de capteur RF autonome et intelligent permettant la réalisation d’un réseau de capteurs sans fil dans un environnement industriel. Cette thèse traite de l’étude, la conception et la réalisation de la partie radiofréquence de la chaîne d’émission sans fils du capteur RF dans la bande ISM 863-870 MHz en technologie CMOS AMS 0.35µm. Cette chaîne inclut toutes les fonctions depuis l’oscillateur local jusqu’à l’amplificateur de puissance. L’émetteur occupe une surface de 0.22mm² et consomme environ 27mA sous une tension d’alimentation de 3.3V. De nombreux principes innovants ont été mis en œuvre et validés. Tous ces principes peuvent être facilement transposés à d’autres standards de communication et dans d’autres bandes de fréquences. Les résultats de simulations du dessin des masques vérifient complètement les spécifications et confirment les simulations. Une caractérisation expérimentale partielle valide les nouvelles architectures proposées. / This work joins in a project consisting in developing prototype of an autonomous and smart RF sensor allowing the realization of a wireless sensor network in an industrial environment. This thesis deals with the study, the design and the realization of the radio-frequency part of the transmitter using the 863-870 MHz ISM band and the CMOS AMS 0.35µm technology. This transmitter includes all the functions from the local oscillator to the power amplifier. The integrated circuit occupies a surface of 0.22mm² and consumes approximately 27mA under a supply voltage of 3.3V. Numerous innovative principles were implemented and validated. All these principles can be easily transposed into other standards of communication and in other frequency bands. The results of the post-layout simulation completely satisfy the specifications and confirm the simulations. Partial experimental characterization validates new architectures proposed.

Les objectifs de la thèse concernent l’optimisation du rendement énergétique, la minimisation de l’empreinte et du coût de l’alimentation en tension d’amplificateurs audio pour l’application casque des plateformes mobiles. Après une présentation du contexte des plateformes mobiles et des caractéristiques principales des amplificateurs audio dédiés, l’introduction conclut sur la nécessité d’une alimentation en tensions bipolaires, symétriques et donne les spécifications principales d’une telle alimentation en énergie électrique. Le chapitre d’état de l’art présente dans un premier temps les architeture les plus compétitves permettant de générer deux tensions symétriques. Une figure de mérite englobe le rendement énergétique, l’empreinte sur la plateforme et le coût en composants passifs externes de chacune des solutions présentées. Une architecture de convertisseur utilisant une seule inductance pour obtenir des tensions régulées symétriques se révelle etre un candidat interessant pour l’alimentation des amplificateurs dédiés aux casques audio. Cette architecture à été démontrée mais cependant loin des spécifications de l’application casque audio. Basée sur cette architecture, le chapitre troisième présente un étage de puissance et ses modes de conduction correspondant aux spécifications de l’application casque audio. Des détails concernent en particulier la conception des interrupteurs ainsi que la stratégie d’asservissement et de régulation. Des premières estimations de rendement sont évaluées dans les pires cas de fonctionnement. Très tôt dans le déroulement de la thèse, il y a eu une opportunité de tester l’étage de puissance en technologie CMOS 130nm. Le chapitre 4 présente l’implémentation du convertisseur sur un circuit de test. Le convertisseur est embarqué notamment à côté d’un amplificateur audio dédié, autorisant des tests plus proches de la réalité d’usage. Les campagnes de mesures ont concerné les aspects fonctionnels et les valeurs de rendement. Les résultats sont encourageants mais confirment les éléments non optimaux du dispositif. Dans l’idée d’un second silicium, le chapitre cinquième décrit plus théoriquement l’approche d’asservissement et de régulation et met en évidence des cas critiques, peu probables mais concrets, liés à l’évaluation sur des profils de charge réelle du convertisseur. Des simulations permettent de transformer un flux audio en courbe de courant absorbé par l’amplificateur audio, c’est-à-dire la charge réelle vue par le convertisseur de tensions symétriques. Le chapitre sixième décrit des améliorations à propos des modes de conduction, à savoir l’introduction des modes discontinu ou d’élimination d’impulsion (pulse skipping). Malheureusement une crise économique a barré l’accès à un silicium de validation finale. Le manuscrit est conclu par un rappel des résultats principaux et des perspectives. Les travaux ont fait l’objet de publications à des conférences internationales. / The objectives of this thesis were the optimization of the power efficiency and the minimization of the footprint area and cost of the integrated power supply of headset audio amplifiers on mobile platforms (fig. 1). The thesis took place in the Analog System Design group at ST Ericsson in strong collaboration with Ampere laboratory at INSA de Lyon. The french agency ANRT provided part of the project funding. The first chapter presents the current mobile platform context as well as the main characteristics of audio amplifiers driving headphones. This chapter concludes giving the need of a symmetrical power supply for the headset audio amplifiers and giving a set of electrical specifications for this power supply. The second chapter presents the state-of-the-art in terms of symmetrical power supply architectures able to fit the previously given characteristics and specifications. A set of key parameters based on the power efficiency, the relative silicon area, the relative external bill of material, the number of Input/Output pins and the external passive components area, is employed to benchmark all existing architectures to supply such audio amplifiers. This benchmark reveals the novel Single Inductor Bipolar Output (SIBO) converter as very promising. The similar existing circuits are also detailed and pros and cons of each one of them are discussed to define the most suited architecture. The third chapter proposes a dedicated power stage architecture and related conduction schemes. The design of the power stage is described as well as its dedicated control strategy. Some ideal efficiency estimations are given. The fourth chapter presents the realization of a first prototype, designed in a 130 nm ST Microelectronics CMOS process to be an early demonstrator of the architecture in chapter 3. Measurements on efficiency, control and transient performances are presented and discussed. This circuit embedded on the same die as an audio amplifier proves its effectiveness in supplying such a circuit. The fifth chapter presents a theoretical analysis of the feedback control of this SIBO converter. Mathematical linear model of the converter is derived to obtain its transfer function matrix, then the feedback structure design is defined thanks to dedicated mathematical tools. A set of classical PID controllers is proposed and validated with piecewise linear model while playing different audio popular songs. The sixth chapter describes the design of improvements of the first test chip as well as simulation results about these improvements. The main improvements presented in this chapter are a Discontinuous Conduction Mode (DCM) as well as a Pulse Skipping Mode (PSM). No silicon result can be presented here due to a budget restriction that impacted the course of the thesis. The final chapter is a discussion about the proposed solutions and some perspectives to the present work.

La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l'information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d'assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s'avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l'internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l'intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l'impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d'architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique.

The presented dissertation thesis deals with a novel structure of delta-sigma () modulator which compensates influence of higher harmonic distortion and therefore it is possible to achieve high resolution up to 16 bits. This novel proposed structure combines advantages of one bit quantizer modulators with mutli-bit modulators. The novel second order structure is presented, correct function is verified in MATLAB simulation enviroment and requirements for partial block are studied. The second part of the work deals with design of converter with novel structure of modulator using switched capacitor technique utilizing ONSemi I3T25 technology. Advantages and disadvantages of the novel structure are evaluated and novel structure is compared with common structures of modulators.

L’objectif de cette thèse est de développer un détecteur innovant de particules chargées, dénommé 3D Silicon Coincidence Avalanche Detector (3D-SiCAD), réalisable en technologie silicium CMOS standard avec des techniques d’intégration 3D. Son principe de fonctionnement est basé sur la détection en "coïncidence" entre deux diodes à avalanche en mode "Geiger" alignées verticalement, avec la finalité d’atteindre un niveau de bruit bien inférieur à celui de capteurs à avalanche standards, tout en gardant les avantages liés à l’utilisation de technologies CMOS; notamment la grande variété d’offres technologiques disponibles sur le marché, la possibilité d’intégrer dans un seul circuit un système complexe de détection, la facilité de migrer et mettre à jour le design vers une technologie CMOS plus moderne, et le faible de coût de fabrication. Le détecteur développé dans ce travail se révèle particulièrement adapté au domaine de la physique des particules de haute énergie ainsi qu’à la physique médicale - hadron thérapie, où des performances exigeantes sont demandées en termes de résistance aux rayonnements ionisants, "material budget", vitesse, bruit et résolution spatiale. Dans ce travail, un prototype a été conçu et fabriqué en technologie HV-CMOS 0,35µm, en utilisant un assemblage 3D de type "flip-chip" avec pour finalité de démontrer la faisabilité d’un tel détecteur. La caractérisation du prototype a finalement montré que le dispositif développé permet de détecter des particules chargées avec une excellente efficacité de détection, et que le mode "coïncidence" réduit considérablement le niveau de bruit. Ces résultats très prometteurs mettent en perspective la réalisation d’un système complet de détection CMOS basé sur ce nouveau concept. / The objective of this work is to develop a novel position sensitive charged particle detector referred to as "3D Silicon Coincidence Avalanche Detector" (3D-SiCAD). The working principle of this novel device relies on a "time-coincidence" mode detection between a pair of vertically aligned Geiger-mode avalanche diodes, with the aim of achieving negligible noise levels with respect to detectors based on conventional avalanche diodes, such as Silicon Photo-Multipliers (SiPM), and, at the same time, providing single charged particle detection capability thanks to the high charge multiplication gain, inherent of the Geiger-mode operation. A 3D-SiCAD could be particularly suitable for nuclear physics applications, in the field of High Energy Physics experiments and emerging Medical Physics applications such as hadron-therapy and Proton Computed Tomography whose future developments demand unprecedented figures in terms of material budget, noise, spatial resolution, radiation hardness, power consumption and cost-effectiveness. In this work, a 3D-SiCAD demonstrator has been successfully developed and fabricated in the Austria Micro-Systems High-Voltage 0.35 μm CMOS technology by adopting a “flip-chip” approach for the 3D-assembling. The characterization results allowed demonstrating the feasibility of this novel device and validating the expected performances in terms of excellent particle detection efficiency and noise rejection capability with respect to background counts.