Academic literature on the topic 'Amplificateurs faible bruit – Conception'

Le test en production des circuits intégrés analogiques RF (Radio Fréquences) est coûteux aussi bien en ressources (équipement spécifique) qu'en temps. Afin de réduire le coût du test, des techniques de DfT (Design for Test) et d'auto test (BIST, Built-in-Self-Test) sont envisagées bien qu'actuellement inutilisées par l'industrie du semi-conducteur. Dans cette thèse, nous concevons et évaluons une technique d'auto test pour un amplificateur faible bruit (LNA, Low Noise Amplifier) RF. Cette technique utilise des capteurs intégrés pour la mesure du courant de consommation et de la tension en sortie du circuit à tester. Ces capteurs fournissent en sortie un signal basse fréquence. La qualité de la technique de BIST est évaluée en fonction des métriques de test qui tiennent compte des déviations du process et de la présence de fautes catastrophiques et paramétriques. Pour obtenir une estimation des métriques de test avec une précision de parts-par-million, un premier échantillonnage du circuit à tester est obtenu par simulation électrique Monte Carlo. Par la suite, un modèle statistique de la densité de probabilité conjointe des performances et des mesures de test du circuit est obtenu. Finalement, l'échantillonnage de ce modèle statistique nous permet la génération d'un million de circuits. Cette population est alors utilisée pour la fixation des limites de test des capteurs et le calcul des métriques. La technique d'auto test a été validée sur un LNA en technologie BiCMOS 0. 25m, utilisant différents modèles statistiques. Une validation au niveau layout a été faite afin d'obtenir des résultats aussi proches que possible lors d'un test en production d'une population de circuits
Production testing of Radio Frequency (RF) integrated circuits is costly due to the high cost of the test equipment and the long test times. In order to reduce this cost, DfT (Design-for-Test) and BIST (Built-in Self-Test) techniques are currently under research. However, these techniques are not yet considered by the Semiconductors Industry since their test quality is not fully demonstrated. In this thesis, the design and the evaluation of a BIST technique for RF Low Noise Amplifiers (LNAs) is considered. The BIST technique uses integrated sensors for measuring current consumption and output power of the LNA. The output of theses sensors are DC or low frequency signals that can be treated with low-cost test equipment. The BIST quality is evaluated using test metrics that consider device process deviations, catastrophic and parametric faults. To obtain an estimate of test metrics with an accuracy of ppm (parts-per-million), a first sample of the LNA is obtained by Monte Carlo electrical simulation. Next, a statistical model of the joint probability density function of LNA performances and test measures is obtained. Finally, a million synthetic instances of the LNA is generated by sampling the statistical model. This large sample is used to set the test limits of the embedded sensors and for computing test metrics. The BIST technique has been validated for a ST Microelectronics 0. 25 ¸tm BiCMOS LNA using different statistical models. The validation of the technique at the layout level has also been considered in order to get results as close as possible to the production test of a real LNA population

Ce mémoire et articulé autour de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous décrivons les différentes structures de transormateurs planaires et emplilés, ainsi que les mécanismes de pertes d'énergie dans ces derniers. Nous introduisons un plan de masse en dessous de la structure du transformateur pour réduire ses pertes. Dans le deuxième chapitre, nous présentons un modèle électrique large bande pour les transformateurs intégrés avec plan de masse. Les éléments du modèle sont dérivés des paramètres géométriques du transformateur et des caractéristiques de la technologie silicium utilisée. Dans le troisième chapitre, nous présentons une nouvelle méthodologie de conception des transformateurs intégrés. Enfin, dans le quatrième chapitre, nous présentons une nouvelle technique d'adaptation large bande basé sur des transofrmateurs intégrés. Avec cette technique, nous implémentons deux amplificateurs faible bruit dédiés aux applications WLAN et UWB.

La mise à l’échelle des technologies CMOS s’accompagne d’une réduction des tensions d’alimentation qui dégrade fortement la fonctionnalité des circuits RF. L’effet de substrat, conventionnellement considéré comme un effet parasite du transistor MOS, est ici exploité pour proposer des topologies de circuits capables de supporter un fonctionnement sous faible tension d’alimentation. Cette thématique est l’objet principale de ma thèse que j’ai débuté en Septembre 2007, supportée par une bourse MENRT. La pré-polarisation a permis de réduire de 1.2 V à 0.5 V la tension d’alimentation d’une structure cascode en technologie CMOS 0.13 µm. Une méthodologie de conception sous contrainte de faible consommation en puissance a été ensuite validée par les mesures. Il a été également démontré que la linéarité de circuits RF peut être optimisée par l’application d’une tension appropriée sur le substrat du transistor principal MOS. Le démonstrateur, un LNA, utilise un DAC pour l’ajustement de cette tension. Il accède ainsi au concept des circuits à contrôle numérique ou « digitally enhanced »
Abstract

Le travail de cette thèse porte sur un amplificateur faible bruit radiofréquence, entièrement intégré en technologie CMOS 0,25 micromètres, fonctionnant dans la gamme ISM (2,4-2,4835Ghz), sous une alimentation de 1,5V. Le LNA (Low Noise Amplifier) est un des blocs critiques des récepteurs radiofréquences. Sa fonction étant d'amplifier le signal provenant de l'antenne, il doit avoir un gain suffisamment élevé, un facteur de bruit le plus faible possible et pouvoir limiter au mieux la distorsion d'intermodulation. D'autre part celui-ci doit présenter obligatoirement une impédance de 50 Ohms afin d'assurer l'adaptation d'impédance avec l'antenne. L'entrée d'un amplificateur à transistors MOS étant par nature capacitive, il est nécessaire d'utiliser des inductances qui permettent avec le dimensionnement adéquat des transistors MOS, d'accorder le circuit d'entrée de l'amplificateur et d'annuler la partie imaginaire de l'impédance d'entrée. Celle-ci est alors réelle et avec un choix approprié de la transconductance du transistor d'entrée, on peut rendre l'impédance d'entrée égale à 50 Ohms. Dans le cas présent, les inductances d'accord sont spirales et intégrées au circuit.

Le travail présenté dans cette thèse est centré sur l'étude du bruit hyperfréquence lorsque les composants et circuits actifs sont soumis à de forts signaux. Ceci peut être le cas des amplificateurs faible bruit utilisés dans les récepteurs large bande qui seront désensibilisés. Les mélangeurs et les oscillateurs sont aussi à considérer. La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation d'un modèle comportemental permettant de prévoir notamment l'interaction entre un signal sinusoïdal et un bruit blanc. Le modèle théorique est confronté avec des mesures effectuées pour différentes conditions de fonctionnement et l'accord obtenu est satisfaisant. Plusieurs amplificateurs sont ainsi comparés et le modèle comportemental est utilisé pour étudier leur bruit propre. La seconde partie aborde les techniques de mesure développées au cours de nos travaux pour mesurer le facteur de bruit et les paramètres de bruit de dispositifs micro-ondes en présence d'un fort signal. Nous proposons ensuite une méthode originale permettant de déterminer les quatre paramètres de bruit de transistors et d'amplificateurs fonctionnant en régime non-linéaire. Les résultats obtenus sont comparés de manière indirecte avec des mesures de bruit de phase résiduel. La dernière partie concerne la conception d'amplificateurs faible bruit en régime de fonctionnement non-linéaire. Différents transistors bipolaires sur silicium ont ainsi été caractérisés et un facteur de mérite a été trouvé de manière à choisir le meilleur composant en terme de facteur de bruit et de linéarité. Finalement les résultats de simulation démontrent l'intérêt de concevoir des circuits faible bruit qui fonctionnent en régime fortement non-linéaire
This work deals with the study on high frequency noise when components and active circuits are working under large signal conditions. It could be the case for broadband receivers fitted with low noise amplifiers, which are desensitized by blocking signals. Mixers and oscillators are also under consideration. Firstly, a behavioural modelling is described and allows us to point out the interaction of white noise with a sinusoidal signal. The theoretical model is compared to several conditions of operation, and we obtained satisfying agreements. Many amplifiers are tested and compared; at least, the behavioural modelling is used to study their additive noise. The second part is dedicated to measurement techniques we have developed for this work. We are capable to measure noise figure and noise parameters of microwave active devices functioning with strong power signals. We also propose an original method which provides the four noise parameters of discrete components or amplifiers working under large signal condition. The results we have found are indirectly compared to residual phase noise measurements. After all, the last part affects the design of low noise amplifiers working under nonlinear condition. Various silicon bipolar transistors have been characterized, and a figure of merit have been set in order to find the best component taking into account noise figure and linearity. Finally, simulations and experimental results demonstrate the interest of designing circuits working under strong nonlinear regime

Les technologies à grande bande interdite font l'objet d'un engouement croissant depuis plus d'une décennie, en raison de leurs aptitudes naturelles pour réaliser des fonctions électroniques opérant à forte puissance, à forte température et à haute fréquence. Parmi ces technologies, celle basée sur l'hétérostructure AlGaN/GaN est la plus mature à l'heure actuelle en hyperfréquence. L'utilisation d'une hétérojonction InAlN/GaN est une solution attractive pour augmenter les fréquences de fonctionnement de ces dispositifs et réaliser ainsi des circuits fonctionnant aux ondes millimétriques. La première partie de notre travail est consacrée à l'étude électrique des différentes déclinaisons technologiques InAlN/GaN développées à III-V Lab. Celle-ci a permis de mettre en évidence les différents mécanismes de conduction du courant de grille grâce à une analyse du courant de fuite et à des mesures C(V) de la jonction Schottky. Des mesures en petit-signal ont mis en évidence la dispersion fréquentielle de la conductance de sortie et de la transconductance extrinsèques jusqu'aux fréquences de 1 GHz. Nous avons ainsi proposé des modèles analytiques large-bande afin de prendre en compte ces phénomènes de dispersion lors de la conception des circuits. Une deuxième partie a consisté en l'étude du bruit de fond dans les transistors InAlN/GaN. Les caractérisations et modélisations du bruit basse-fréquence ont mis en évidence et confirmé les mécanismes de piégeage/dépiégeage observés lors de l'étude électrique. L'étude du bruit en haute fréquence a permis d'évaluer les évolutions technologiques de cette filière et de connaitre les conditions optimales en bruit pour la conception des LNAs. Dans la dernière partie, des amplificateurs faible bruit hybrides ont été réalisés à partir de ces dispositifs reportés en flip-chip sur des alumines afin de démontrer les potentialités de cette technologie en bande Ka. Des amplificateurs à un étage ont été conçus, notamment pour des tests de robustesse, et présentent un gain de 5 dB et un facteur de bruit de 3. 1 dB à 29. 5 GHz. Les simulations effectuées sur des amplificateurs 3 étages indiquent des performances intéressantes en termes de gain (20 dB) et de facteur de bruit (3 dB) comparées à celles obtenues dans la littérature sur des composants à base de GaN
The high bandgap technologies are being increasingly popular for over a decade because of their natural ability to perform electronic functions operating at high power, high temperature and high frequency. Among these technologies, one based on the heterostructure AlGaN / GaN is most mature currently at microwave frequencies. The use of a heterojunction InAlN / GaN is an attractive solution to increase the operation frequency of these devices and thus to realize circuits operating at millimeter waves. The first part of our work is devoted to the study of various InAlN/GaN technology developed by III-V Lab. It helped to highlight the different gate current conduction mechanisms through an analysis of the leakage current and the C-V measurements of the Schottky junction. Measures in small-signal showed the frequency dispersion of the output conductance and the extrinsic transconductance until 1 GHz. We have proposed broadband analytical models to take into account the dispersion phenomena during the circuit design. A second part consisted of the study of the background noise in the InAlN / GaN transistors. The low-frequency noise characterizations and modeling revealed and confirmed trapping / detrapping mechanisms observed in the electrical study. The study of highfrequency noise has assessed the technological developments of this sector and to know the optimal conditions for the design of LNAs. In the last part, hybrid low noise amplifiers have been made from these devices deferred flip-chip on alumina to demonstrate the potential of this technology in Ka-band. Single stage amplifiers have been designed especially for stress testing, and have a gain of 5. 6 dB and a noise figure of 3. 1 dB at 29. 5 GHz. The simulations carried out on 3 stages amplifiers indicate interesting performances in terms of gain (20 dB) and noise figure (3 dB) compared to those obtained in the literature on the GaN based devices

L'engouement récent pour l'Internet des Objets comme pour les communications satellites entraine des besoins forts en systèmes de communication radio-fréquence (RF) performants. Afin de répondre aux contraintes du marché de masse, ces systèmes doivent être toujours moins encombrants et permettre de maitriser leur consommation de puissance. Ils doivent également être capable d'adresser plusieurs standards de communications et d'ajuster leur performances aux besoins de leur environnement, toujours afin de réduire leur taille et leur consommation. Actuellement, beaucoup de travaux se concentrent sur le développement d'amplificateurs faible-bruits (LNA), le bloc le plus critique des récepteurs RF. L'objectif est donc de concevoir des récepteurs multi-mode et multi-standard. Pour cela, les LNA nécessitent des flots de conception capables de s'adapter aux différentes technologies et topologies afin de répondre à des cahiers des charges très diverses. Cette thèse a donc pour objectif le développement de méthodologies de conception simple et précise pour l'implémentation d'amplificateurs faible bruit.La première méthodologie présentée est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie COTS pour des applications spatiales. Ce LNA présente une adaptation large-bande pour adresser plusieurs standards. Il a été conçu pour faire partie d'un récepteur RF dédié aux nano-satellites. Ce dernier a donc fait l'objet d'une étude préliminaire afin de déterminer le cahier des charges à partir des normes des standards visés.La seconde méthodologie est dédiée à l'implémentation de LNA en technologie CMOS pour n'importe quelle type d'applications. Cette méthodologie est d'abord présentée au travers de topologies simples, puis appliquée à un LNA sans inductances à forte linéarité. Cette méthodologie permet notamment de comparer les topologies mais également les technologies CMOS, même les plus avancées telle que la 28 nm FDSOI.Enfin le LNA sans inductances est rendu reconfigurable pour adresser plusieurs standards tout en gardant le dimensionnement optimum obtenu par la méthodologie présentée précédemment. En effet les tailles et polarisation de chaque transistor sont contrôlées numériquement afin d'adapter les performances du LNA à un standard donné. De plus, l'étude de filtres de type N-path combinés au LNA proposé permet d'étendre encore la linéarité du circuit
The recent enthusiasm for the Internet of Objects as well as for satellite communications leads to the need for high-performance radio-frequency (RF) communication systems. In order to meet the constraints of the mass market, these systems must be compact and be as low power as possible. Beside, they are expected to address multiple communication standards and to adjust their performance to the environment, still in order to reduce the size and the power consumption. Currently, many works focus on the development of low-noise amplifiers (LNA), the most critical block of RF receivers. To address this purpose, the goal is to design multi-mode and multi-standard receivers. Hence, LNAs require design flows that can adapt to the different technologies and topologies in order to meet any given set of specifications. This thesis aims at the development of simple and accurate design methodologies for the implementation of low-noise amplifiers.The first proposed methodology is dedicated to the implementation of a LNA in COTS technology for spatial applications. This LNA offers a broadband matching to address several standards. It is designed to be part of an RF receiver for nano-satellites. Thus, the latter is first studied in order to determine the specifications based on the standards of the targeted applications.The second methodology is dedicated to the implementation of LNAs in CMOS technology for any kind of applications. This methodology is first illustrated with basic topologies and then applied to an highly linear inductorless LNA. The design methodology also enables a fair comparison between the topologies and also CMOS technologies, even the most advanced ones such as the 28 nm FDSOI.Finally, reconfigurability is added to the inductorless LNA, to address several standards while retaining the optimum sizing given by the previously introduced methodology. Indeed, the size and polarization of each transistor are digitally controlled in order to adjust the LNA's performance to a given standard. Furthermore, the study of N-path filters combined with the proposed LNA is explored to improve the linearity of the circuit

Les amplificateurs cryotechniques faible bruit a base de transistors a haute mobilite electronique trouvent des applications a bord de satellites ou sondes spatiales dans tout systeme dont l'antenne de reception ne voit pas la terre: radioastronomie, sciences de l'univers, liaisons inter-satellites. Ce memoire comprend donc une premiere partie consacree a la physique et au fonctionnnement, en particulier a basse temperature, des transistors a haute mobilite electronique (hemt). Dans la seconde partie, nous traitons de la caracterisation aux temperatures cryogeniques, tant en parametres s qu'en parametres de bruit des composants hemt en puce. Une methode originale permettant de s'affranchir du gradient thermique que supportent les cables de liaison, basee sur la mesure d'un transistor a effet de champ non polarise monte en grille commune, est presentee. Des differents resultats experimentaux sont ensuite extraites les evolutions des elements du schema equivalent et des sources de bruit du transistor en fonction de la temperature et de la polarisation. Enfin, nous abordons la conception et la realisation de l'amplificateur cryotechnique. Apres avoir selectionne le composant et la technologie les mieux adaptes au fonctionnement en basse temperature, nous donnons les elements necessaires a la determination d'une topologie optimale d'amplificateur faible bruit. Les resultats de simulation obtenus sur les differents amplificateurs realises au moyen de logiciel d'aide au developpement de circuits micro-ondes sont presentes, avant d'analyser les resultats experimentaux releves a la temperature de l'azote liquide