Conception et réalisation de circuits de génération de fréquence en technologie FDSOI 28nm

Design and implementation of frequency generating circuits in FDSOI 28nm

• Auteur / Autrice : Alexandre Fonseca
• Direction : Philippe Lorenzini, Gilles Jacquemod
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique pour objets connectés
• Date : Soutenance le 02/12/2015
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....) - CEA - LETI - Laboratoire d'Electronique et des Technologies de l'Information
• Jury : Président / Présidente : Pascal Nouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lorenzini, Gilles Jacquemod, Pascal Nouet, Hervé Barthélemy, Yann Deval, Emeric de Foucauld, Rose-Marie Sauvage
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Barthélemy, Yann Deval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transistors en couches minces

Boucles d'asservissement de phase

Mots clés libres

PLL Fractionnaire

TDC-Less

Phase-Switching

RO

FDSOI

Fractional PLL

TDC-Less

Phase-Switching

RO

FDSOI

Résumé

Le déploiement à grande échelle de l’internet des objets nécessite le développement de systèmes de radiocommunication plus économes en énergie, dont le circuit de génération de fréquences est connu pour être particulièrement énergivore. L’objectif de ce travail de thèse est donc d’une part de développer une synthèse de fréquences très faible consommation et d’autre part de démontrer les performances de la technologie FDSOI pour des applications analogiques et radiofréquences. Dans le premier chapitre sont présentées les spécifications du standard choisi -le BLE-, les spécificités de la technologie FDSOI et l'état de l’art des architectures de transmetteurs radiofréquences à faible consommation. Nous avons retenue de cette comparaison l'architecture à division par phases. Le deuxième chapitre présente les résultats de trois types de modélisation système de l’architecture ; 1 - le fonctionnement de ses composants et les points clés à respecter pour son implémentation, 2 - le comportement en bruit de phase pour la définition des spécifications, et 3 - l’impact de l’architecture sur la génération de raies spectrales parasites. Cette étude nous a permis de fixer le cahier des charges du VCRO développé au chapitre suivant. Le troisième chapitre est consacré à la conception, la réalisation et le test de 4 topologies de VCROs en technologie FDSOI 28nm et d'un circuit de test. Les premiers résultats de mesure sont encourageants mais nécessitent d’être complétés par des mesures avec PLL fractionnaire intégrée. En effet, la sensibilité des circuits à la tension d’alimentation (pushing de l’ordre de 5 GHz/V) a rendu les mesures du bruit de phase très délicates.

The large-scale deployment of IoT requires the development of more efficient energy radio systems, within which the frequency generation circuit is known to be particularly energy-consuming. The objective of this thesis is firstly to develop a very low consumption frequency synthesis and secondly to demonstrate the performance of the FDSOI technology for analog and RF applications.In the first chapter are the specifications of the chosen standard -the BLE-, the specifications of the FDSOI technology and state of the art of low power radio frequency synthesizers architecture. We have chosen from this comparison the Fractional Phase Divider architecture. The second chapter presents the results of three types of system simulations of the PLL; 1 - the operation of its components and the key points to be respected for its implementation, 2 - the phase noise behavior for the definition of specifications, and 3 - the impact of architecture on the generation of spurious. This study allowed us to set the specifications of VCROs developed in the next chapter. The third chapter is dedicated to the design, implementation and testing of four topologies of VCROs and a test circuit in FDSOI 28nm technology. The first measurement results are encouraging but they need to be complemented by an integrated fractional PLL measurement. Indeed, the sensitivity of the circuits to the supply voltage (pushing of about 5 GHz/V) made measurements of phase noise very delicate. The measured consumption is less than 0.8 mA and the surface of the circuits is of the order of 600 µm².In the fourth and final chapter we present the implementation at circuit-level of a phase synchronization PLL.