Etude de structures innovantes pour la réalisation d'amplificateur RF faible bruit sans inductance et à très faible consommation

par Francois Belmas

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Jean-Michel Fournier.

Soutenue le 22-03-2013

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique (équipe de recherche) .

Le président du jury était Thierry Parra.

Le jury était composé de Carlo Tinella, Frederic Hameau.

Les rapporteurs étaient Sylvain Bourdel, Yann Deval.


  • Résumé

    La dernière décennie à vu l’explosion des technologies de communication sans fils. Les normes se sont multipliées de sorte que les fonctionnalités GSM, GPS, WIFI, Bluetooth et autres cohabitent parfois au sein du même terminal. Les réseaux de capteurs (Wireless area network WSN) incluant les réseaux de capteur WPAN (Wireless Personnel Area Network) seront amenés à jouer un rôle important dans l’environnement de demain au même titre que les normes sans fils grand public que nous venons de mentionner. Le déploiement de ces capteurs à grande échelle a été rendu possible par la réduction du coût de leur fabrication via la miniaturisation des procédés de fabrication propres à la technologie CMOS. Cependant, la consommation énergétique de ces circuits doit être très réduite permettant ainsi de fonctionner dans le cas où ces mêmes capteurs sont associés à une batterie compacte embarquée de durée de vie réduite. A défaut il serait nécessaire de pouvoir se contenter de l’énergie récupérable - en quantité limité - disponible dans l'environnement direct de ces capteurs. Cette contrainte de consommation électrique réduite ainsi que la nécessité de profiter au maximum de la miniaturisation du procédé CMOS amène à considérer la conception de circuits radio sous l'angle du faible encombrement surfacique et de la consommation statique la plus faible possible. Ces contraintes sont parfois contradictoires avec les architectures classiques connues de ces circuits radio constituants les capteurs déployés.es travaux présentés dans le cadre de cette thèse s’attachent à proposer des solutions afin de répondre à ces critères de consommation et de coût. Nous nous sommes intéressés au cas des amplificateurs faible bruit (Low Noise Amplifier – LNA) et à la possibilité de réaliser ce composant critique pour le lien RF sans utiliser d’inductance intégrées tout en limitant au maximum la consommation électrique. Plusieurs solutions innovantes ont été étudiées afin de répondre à cet objectif. Ces travaux nous ont conduit à la réalisation de plusieurs prototypes de circuits en technologie CMOS 65nm et 130nm qui permettent de comprendre les limites et les avantages d’une telle approche. La première partie présentera une première approche consistant à émuler une inductance à l’aide de composants actifs et ainsi à résoudre le problème de l’encombrement propre au inductance passives. Nous verrons en quoi cette approche peut présenter des limites pratiques pour une application radio. La seconde partie présentera la réalisation d’un LNA très basse consommation et large bande qui n’utilise pas d’inductance et présentant des performances améliorées vis à vis des topologies connues de LNA à faible consommation. Nous conclurons ensuite par les perspectives ouvertes suite à ces travaux et les autres approches possibles pour répondre aux contraintes de la basse consommation et du faible coût.

  • Titre traduit

    Innovating Structures for Low Power & Inductorless RF Low Noise Amplifier (LNA).


  • Résumé

    During the past decade the intense development of wireless technologies standard such as WIFI, GSM or Bluetooth reshaped the connectivity environment of any technology customers Among those standards, Wireless Sensor Networks (WSN) and Wireless Personal Area Network (WPAN) are expected to play a key role in our future environments. The large scale spreading of such sensors has been enabled through the strong cost optimization of modern CMOS technologies. The autonomy improvement of such sensor is however a primary concern to allow any kind of remote operation within the limitation of battery life. Even though the emerging energy harvesting domain offer energy friendly environments for such sensor, the electrical autonomy remain as a tight challenge to address. Those requirements of autonomy along with the context of CMOS technology development pushes sometimes fundamental contradictions between circuit's miniaturization and decreased power consumption. In this work, we propose solutions to address simultaneously those autonomy-miniaturization requirements. The study presented here is focused on Low Noise Amplifiers (LNA) and more precisely on the specific case of inductorless design of LNA. Several innovative solutions has been proposed and realized in 65nm & 130nm CMOS technologies in order to highlight the pros and the cons of such design approach. First part of this work is focused on the design of an active inductance to address the area occupation of narrow band system using inductors. We'll explain why such approach rises fundamental limits for radio application. Second part details the design of an ultra low power broadband LNA without inductors. The proposed circuits enable significant improvement in performance tradeoffs for such low power consumption in comparison with known design techniques. We will conclude with general perspectives and other possible design approaches.


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