Développements de capacités variables en technologie silicium pour les applications RF et mmW

par Romain Debroucke

Thèse de doctorat en Microélectronique, acoustique et télécommunication

Sous la direction de Christophe Gaquière et de Daniel Gloria.

Soutenue le 07-11-2011

à Lille 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'Ingénieur (Lille) , en partenariat avec STMicroelectronics (entreprise) .


  • Résumé

    La multiplication des normes et des standards de communications permet de nos jours d’élargir l'éventail des services pour chaque consommateur. Si cette prolifération des normes est un plus non négligeable pour les utilisateurs, elle engendre une complexité accrue des systèmes d’émission/réception que ce soit en RF (3G, 4G), ou en mmW (W-HDMI, imagerie, radar, capteurs). Ces systèmes Tx/Rx doivent être capables de nos jours de supporter plusieurs bandes de fréquence (téléphonie tri-bandes), ou de générer des fonctions agiles, on parle alors de systèmes reconfigurables. C’est dans ce contexte que se placent ces travaux de thèse dont l’objectif est d’aborder la problématique du développement de capacités variables aux fréquences radios et millimétriques.Le premier chapitre intitulé “Emergence du besoin de capacités non linéaires haute performance en technologie silicium” identifie les limitations de l’offre usuelle de capacités variables à STMicroelectronics. Le second chapitre « Caractérisation de capacité à l’échelle attoFarad : Le Challenge de la mesure haute impédance » discutera de la problématique de la caractérisation de très faibles capacités, dites attoFarad, utilisées majoritairement dans les oscillateurs à commande digital (D.C.O.). Ces capacités sont de nos jours difficilement modélisables étant donnés les problèmes de caractérisation qu’elles posent avec les solutions standards. Nous discuterons d’une nouvelle méthode de caractérisation haute fréquence permettant l’extraction de capacité de 50aF de 1 à 10GHz.Le troisième chapitre intitulé « De l’analogique au digital, développements de capacités variables jusqu’aux fréquences millimétriques en technologie CMOS et BiCMOS » s’intéressera à l’amélioration des facteurs de mérite de la capacité variable ;(rapport de capacité, fréquence maximale d’utilisation …) ; à travers l’optimisation de solution existante et la conception de nouvelles architectures digitales.Enfin, le dernier chapitre « L’évaluation des performances aux travers des circuits millimétriques référents» exposera quant à lui, la conception, la réalisation et la caractérisation de deux fonctions accordables, un déphaseur et un générateur d’impédance en bande mmW.En conclusion, l’ensemble de ces travaux de thèse fournit de nouvelles solutions pour la conception de circuits RF et mmW. Ils ont permis d’élargir l’offre de capacités variables disponible chez STMicroelectronics en technologies avancées mais aussi d’investiguer et de valider un nouveau concept de caractérisation indispensable à ces développements.

  • Titre traduit

    Tunable capacitances developments in silicon technologies for RF and mmW applications


  • Résumé

    Multiplication of standards and communication protocols allows nowadays a wider range of services for each consumer. If this multiplication of standards is more significant for users, it creates an increased complexity of Rx/Tx communication modules both in RF (3G, 4G), or mmW (W-HDMI, imaging, radar, sensors ) range. These systems Rx/Tx must be able nowadays to support multiple frequency bands (tri-band mobilephone as an example), or agile functions generation, it is called reconfigurable systems. In this context, that this thesis work taking place which aims to address the challenge of high performances tunable capacitances development in RF and mmW range. The first chapter entitled "Emergence of the need for high performances non linear capacitances in silicon technology" identifies the limitations of usual tunable capacitances offer at STMicroelectronics. The second chapter " AttoFarad capacitance characterization: The Challenge of high impedance measurement" discuss the problem of characterization of very small capacity, called attoFarad, used mainly in digital controlled oscillator (DCO). Nowadays these aF capacitance are very difficult to modelize regarding problems of standard measurement methods. We will discuss of a new method for high frequency characteriziation with a relative precision of 50aF 1 to 10GHz. The third chapter entitled "From analog to digital, developments of tunable capacitances up to millimeter frequencies in CMOS and BiCMOS technologies," will focus on figures of merit improvements of the capacitance (tuning ration, resonant frequency, linear law...) through optimization of existing solution (MOS varactor) and the design of new digital architectures. The final chapter "Performances evaluation through referent mmW circuits " exhibit, the design, realization and characterization of two agile functions, a phase shifter and a in-situ tuner, both in the mmW range. To conclude, all these thesis work provide new solutions for the design of RF and mmW circuits. They have extended the tunable capacitances offer at STMicroelectronics in advanced technologie nodes but also to investigate and validate a new concept of characterization necessary for all of these developments.

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