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THÈSE PRÉSENTÉE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX ÉC

THÈSE PRÉSENTÉE POUR OBTENIR LE GRADE DE DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE BORDEAUX ÉCOLE DOCTORALE DES SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE Par François FADHUILE-CREPY MÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION DE CIRCUITS ANALOGIQUES POUR DES APPLICATIONS RADIOFRÉQUENCE À FAIBLE CONSOMMATION DE PUISSANCE Sous la direction de : Thierry TARIS Co-directeur : Yann DEVAL Soutenue le : 6 janvier 2015 Devant la commission d’examen formée de : M. KERHERVE Eric Professeur IMS Bordeaux Président M. BARTHELEMY Hervé Professeur IM2NP Toulon-Marseille Rapporteur M. MORCHE Dominique HDR CEA-LETI - Grenoble Rapporteur M. TARIS Thierry Professeur IMS Bordeaux Directeur de thèse M. DEVAL Yann Professeur IMS Bordeaux Co-directeur de thèse M. ENZ C. Christian Professeur EPFL Neuchâtel Encadrant M. BELOT Didier HDR STMicroelectronics, Crolles Encadrant M. BEGUERET Jean-Baptiste Professeur IMS Bordeaux Examinateur Titre : MÉTHODOLOGIE DE CONCEPTION DE CIRCUITS ANALOGIQUES POUR DES APPLICATIONS RADIOFRÉQUENCE À FAIBLE CONSOMMATION DE PUISSANCE Résumé : Les travaux de thèse présentés se situent dans le contexte de la conception de circuits intégrés en technologie CMOS avancée pour des applications radiofréquence à très faible consommation de puissance. Les circuits sont conçus à travers deux concepts. Le premier est l'utilisation du coefficient d'inversion qui permet de normaliser le transistor en fonction de sa taille et de sa technologie, ceci permet une analyse rapide pour différentes performances visées ou différentes technologies. La deuxième approche est d'utiliser un facteur de mérite pour trouver la polarisation la plus adéquate d'un circuit en fonction de ses performances. Ces deux principes ont été utilisés pour définir des méthodes de conception efficaces pour deux blocs radiofréquence : l'amplificateur faible bruit et l'oscillateur. Mots clés : Méthode de conception, Analogique, Radiofréquence, Faible consommation, Amplificateur faible bruit, Oscillateur LC _____________________________________________________________________________ Title : DESIGN METHODOLOGY FOR LOW POWER RF ANALOG CIRCUITS Abstract : Thesis work are presented in the context of the integrated circuits design in advanced CMOS technology for ultra low power RF applications. The circuits are designed around two concepts. The first is the use of the inversion coefficient to normalize the transistor as a function of its size and its technology, this allows a quick analysis for different performances or different technologies. The second approach is to use a figure of merit to find the most appropriate polarization of a circuit based on its performance. These two principles were used to define effective design methods for two RF blocks: low noise amplifier and oscillator. Key words : Design methodology, Analog, RF , Low power, Low noise amplifier (LNA), LC oscillator (VCO). _____________________________________________________________________________ Unité de recherche [Laboratoire d'Intégration du Matériau au Système, UMR 5218, 351 Cours de la Libération 33405 Talence] "Il faut tenir à une résolution parce qu'elle est bonne, et non parce qu'on l'a prise" François de La Rochefoucauld, 1613-1680 Remerciements La réalisation d'une thèse se fait aussi par la rencontre de nombreuses personnes qui ont participé à la bonne humeur et le succès de travaux, je tiens ainsi remercier toutes ces personnes. Ces travaux ont été effectués au cours d'une thèse CIFRE entre laboratoire IMS de l'université de Bordeaux et l'entreprise STMicroelectronics à Crolles, en collaboration avec l'EPFL (Suisse). Dans ce contexte, je souhaite à remercier le Professeur Pascal FOUILLAT et son successeur le Professeur Claude PELLET, directeur du laboratoire IMS, pour m'avoir accueilli au sein de l'établissement et permis la réalisation de ces travaux. Je tiens à dire un GRAND MERCI à mon directeur de thèse le Professeur Thierry TARIS qui m'a toujours accordé la plus grande confiance dans tout ce que j'ai pu entreprendre, pour les nombreuses discussions scientifiques que nous avons réalisé, et pour le sérieux et la grande rigueur qu'il a porté dans mes travaux jusqu'au bout. Je remercie également sa famille pour sa gentillesse. Je souhaite également dire un GRAND MERCI à mon co-directeur le Professeur Yann DEVAL, pour sa grande expertise qu'il a su me faire partager sur de nombreux sujets avant et pendant ma thèse et pour sa bonne humeur pendant et en dehors du travail. Je remercie également sa famille pour sa gentillesse. Je remercie également mon responsable de STMicroelectronics Monsieur Didier BELOT pour les moyens qu'il a mis à disposition pour le bon déroulement de ces travaux et la confiance qu'il nous a accordé pour la réalisation de nos recherches. Pour finir avec mes responsables, je tiens à remercier énormément le Professeur Christian ENZ de l'EPFL pour l'accueil qu'il a su me fournir dans ses locaux, pour la grande expertise qu'il a su m'enseigner sur les modèles et les circuits et sa sympathie. J'adresse mes sincères remerciements aux rapporteurs de ma thèse pour leurs remarques qui ont amélioré la qualité du manuscrit, Monsieur Dominique MORCHE (HDR) du CEA-LEITI à Grenoble et le Professeur Hervé BARTHELEMY de l'université IM2NP Toulon et Marseille. Je remercie également le Professeur Jean Baptiste BEGUERET, chef du groupe conception de l'université de Bordeaux, pour son soutien , son savoir et sa très bonne humeur que j'avais grand plaisir de côtoyer tous les jours. Je remercie aussi le Docteur François RIVET pour tout ce qui a su m'enseigner durant mes stages, sa confiance qui m'a encouragé et donné plaisir à travailler dans la recherche, sa sympathie et sa bonne humeur m'a fait aussi passer de bons moments inoubliables. Je souhaite également remercier les différentes membres des équipes que j'ai pu côtoyer durant ma thèse: tout le groupe conception auquel j'ai eu beaucoup d'affection pendant ces cinq années de séjour. Tout d'abord le Professeur Eric KERHERVE chef de l'équipe CSH où j'ai fini ma thèse et membre de mon jury de thèse. La doctoresse Nathalie DELTIMPLE et sa petite famille. Magalie DE MATOS pour sa bonne humeur et tout l'aide qu'elle m'a donné. Olivier MAZOUFFRE pour tout son aide, son expertise et sa bonne humeur :). Christine BOGDAN pour sa gentillesse. Je remercie également Isabelle FAVRE pour sa bonne humeur et les nombreuses heures passés en salle blanche pour m'aider au micro-cablage. Puisque l'histoire fait partie de nous, je remercie aussi les anciens de l'IMS que j'ai côtoyé : Nicolas REGIMBAL (merci pour ta confiance quand j'ai travaillé pour toi et ton support que tu m'as fourni), Yoann ABIVEN (pour ta précieuse aide et ta sympathie), André MARIANO ("je ne veux pas des problèmes mais des solutions" merci pour cette phrase que je n'oublierai jamais), Hassene KRAIMIA 8 (merci pour ton soutient aux moments où j'en avais besoin), Quentin BEREAUD, Yohann LUQUE ("tu parles trop!"), Andrée FOUQUE, Cedrik MAJEK, Romaric TOUPE, Sofiane ALOUI, Nejdat DEMIREL, Raffaele SEVERINO, Paolo LUCCHI ("pizza kebab canard !"), Yohan PICCIN, Dean KAROLAK ("moi tout casser !"), Sophie DREAN, Bernardo LEITE, Youssef BOUTAID, Victor DUPUY (pour tout ton aide et ta sympathie), Olivier MOLL, Jérémy MICHAUD, Jean-Etienne LORIVAL, Oskar HOLSTENSSON, Mario WEISZ, Heider MARCONI, Marcos LAJOVIC CARNEIRO,... Puisque hier c'est le passé et aujourd'hui c'est un présent, je remercie aussi les différentes doctorants résistants : Dwight CABRERA SALAS, Mathieu VALLET, Nicolas MARTIN, Yoan VEYRAC, David POLGE, Manuel POTEREAU, Mouna BEN MABROUK, Aurélien LARIE (ancien doctorant), Boris MORET, Jérémie PRADES, Raphael GUILLAUME, Raphael RODER, Ayat CHHAIBI, Mickael POCHERON, Antoine RENAUD, Maxime BARRIERE, Farida, Tayeb, Marcelo, Daniel, Guillaume BERHAULT, Nicola VERRASCINA, Rosario D'ESPISITO (et Sara), Fabien MESQUITA (et Emmanuelle), Camilo COELHO (et Vanessa), Florent TORRES, Romain BERGES,... Une spéciale dédicace à Gabrielle GUITTON qui a su me supporter comme son responsable de stage ;) Bon courage à vous tous pour cette fin de thèse. Mais aussi tous les autres membres du laboratoire IMS avec lesquels j'ai passé de bon moment, Simone DANG VAN que je remercie énormément pour sa gentillesse et son aide, le très gentil Didier GEOFFROY, Arnaud CURUCHET, Dominique DALLET, l'équipe modèle : Thomas ZIMMER, Cristell MANEUX, Sébastien FREGONES, l'administration : Nathalie, Sophie, Valérie, Mireille, le service informatique : Régis, Patrick, Jean-Emmanuel et Alexa, et l'équipe EDMINA : Laurent, Yannick, Yves, Isabelle, Bruno, Zahia, Richard et Simon. Pour finir avec l'IMS, je remercie les membres de la branche IEEE Student de Bordeaux pour le travail qu'on a effectué ensemble et l'équipe organisatrice des JNRDM 2015 de Bordeaux pour le super truc qui se prépare. Je remercie également les différents membre de l'EPFL qui m'ont accueilli dans ce beau pays qu'est la Suisse : Anurag MANGLA (sa très grande expertise qu'il a bien voulu partager avec moi et sa bonne humeur), Maria-Anna CHALKIADAKI (pour leur gentillesse et son savoir, et merci à son mari Antonios), Lucian BARBUT pour sa gentillesse, Farzan JAZAYERI (pour les bons moments de rigolade et le funny volley), Wladek GRABINSKI et Jean-Michel SALLESE (pour les belles conversations à table et leurs gentillesse), et tous les autres que j'ai pu croiser. Je remercie aussi très fort mes amis qui m'ont suivi et supportés durant ces années : Maura et Marco, Marie et Julien et Lilie, Marion Mathieu et Ethan, Adrien, Sébastien, Vincent, Stéphane, Philipe, Charles Edouard, Bertrand, Anne Chloé et Ceff. Nos amis de famille : Leroy, Criquebec, Aziza, Lajus, Perronton, Pagezy, Lecam, Pointeau,... Ma famille sans qui je ne serais pas là aujourd'hui : ma mère Corinne, Adélaïde et Xavier, Damien, Charlotte, Mathieu, Nicolas, Myriam, Gérard et Jacqueline, uploads/Philosophie/ fadhuile-crepy-francois-2015.pdf