Développement de cellules élémentaires radiofréquences faible consommation en technologie FDSOI pour des applications liées à l'internet des objets

Design of ultra low power RF cells in FDSOI technology for internet of things

• Auteur / Autrice : Jing Liu
• Direction : Sylvain Bourdel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 15/10/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Allard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Estelle Lauga-Larroze, Frédéric Hameau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean Gaubert, Thierry Parra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Technologie silicium sur isolant

Radiofréquences

Mots clés libres

Rf

Ultra faible connsommation

Fdsoi

Rf

Ultra low power

Fdsoi

Résumé

Les applications sans fil sont presque par définition des appareils alimentés par des batteries. La consommation d’énergie est donc une préoccupation majeure pour la conception des LNAs. Il existe toujours des compromis pour satisfaire le facteur de faible bruit, un gain raisonnable, une linéarité élevée, une faible consommation et un faible coût.L’objectif de ce travail est de concevoir un amplificateur faible bruit LNA en technologie CMOS 28 nm FDSOI fournit par STMicroelectronics en mettant en œuvre la méthode de conception en gm/ID et la technique RFPG (RF power gating). La partie principale de cette conception est de réaliser des LNAs avec une très faible consommation sans dégrader les performances.Dans un premier temps, la conception du LNA est basée sur la méthodologie gm/ID et sur les caractéristiques de la technologie de 28nm FDSOI. Pour ces technologies avancées, des travaux récents montrent que des bons compromis entre les performances et la consommation d’énergie peuvent être obtenus dans les régions d'inversions modérées ou faibles. Dans ce travail, nous présentons une méthode complète pour dimensionner les LNA à la topologie de capacité feedback. Cette topologie a été choisie pour sa compacité puisqu'une seule inductance est utilisée (dans le réseau d'adaptation d'entrée). Cette conception présentée permet d’atteindre certaines performances données NF (Noise Figure) et Glna (gain en tension) avec une consommation d’énergie minimale et une faible valeur d’inductance afin de mieux contrôler le coût du LNA. Cette conception LNA à faible consommation repose sur une approche gm/ID adaptée à la conception RF dans des technologies avancées comme FDSOI. Cette méthode permet également de dimensionner tous les composants pour atteindre un Glna et de NF donné, en maximisant le rapport gm/ID afin de minimiser la consommation d’énergie. De plus, même si la linéarité n’est pas considérée comme une contrainte de conception, cette méthode a des bonnes performances IIP3 car elle tend à réduire le facteur de qualité en entrée, ce qui entraîne une non-linéarité élevée. Cette méthode proposée permet également d'avoir une faible valeur d'inductance d'entrée pour l'adaptation. Cette inductance peut être remplacée des bonding.Dans un deuxième temps, un LNA avec la technique RFPG est présenté. Sur la base du premier LNA, un LNA RFPG est conçu avec pour principale caractéristiques sa très faible consommation (allumer et éteindre rapidement le LNA). Le principe de RFPG consiste à utiliser des blocs RF tels que LNA ou Mixer pendant le temps des symboles. Cette approche est basée sur l'observation que, dans le cas d'un bon canal de propagation, il n'est pas nécessaire de collecter toute l'énergie du symbole. Avec cette technique, il est possible d'adapter les performances du récepteur à la qualité du canal et ainsi d'adapter la consommation d'énergie.Avec la méthode gm/ID, la technique RFPG sur la technologie avancée FDSOI, la consommation de LNA peut être largement réduit en gardant les bonnes performances.Mots-clés: Amplificateur faible bruit; capacitive feedback; faible consommation; gm/ID; RFPG(RF power gating); 28nm FDSOI

Wireless applications are almost by definition battery powered devices. Power consumption is therefore a major concern for the LNA design. There are always compromises to satisfy the low noise factor, reasonable gain, high linearity, low power and low cost.The objective of this work is to design a low noise amplifier LNA in 28 nm FDSOI technology provided by STMicroelectronics by implementing the design method of gm/ID and the RFPG (RF power gating) technique. The main part of this design is to achieve LNAs with very low power consumption without degrading performance.At first, the LNA design is based on the gm/ID methodology and the characteristics of the 28nm FDSOI technology. For such technologies, recent works show that good trade-offs between performances and consumption can be obtained in moderate or weak inversion region. In this work we present a complete method to size capacitive feedback LNAs. This topology is chosen for its compactness since only one inductor is used (in the input matching network). The presented design flow allows reaching some given performances (Noise Figure NF and voltage gain Glna) with the minimum power consumption while having a design constraint on the value of the inductor to better control the cost of the LNA. This low-power LNA conception is based on a gm/ID approach which is suitable for RF design in advanced technologies such as FDSOI. This method allows the sizing of all the components to reach a given NF and voltage gain while maximizing the gm/ID to minimize the power consumption. In addition, even if the linearity is not considered as a design constraint, this method leads to good IIP3 performances because it tends to reduce the input quality factor which causes high non-linearity. Moreover, this proposed method makes it possible to have a low input inductance value for adaptation. This inductance can also be replaced by bonding.In a second step, a LNA with the RFPG technique is presented. Based on a first LNA, a RFPG LNA is designated in very low consumption by turning on and off the LNA quickly. The principle of RFPG consists on power gating RF blocs such as LNA or Mixer during the symbol time. This approach is based on the observation that, in the case of a good propagation channel, it is not necessary to collect all the energy of the symbol. With this technique, it is possible to adapt the performance of the receiver to the quality of the channel and thus to adapt the power consumption.With the gm/ID method, the RFPG technique on advanced FDSOI technology, LNA consumption can be greatly reduced in keeping good performance.Mots-clés: Low noise amplifier; capacitive feedback; low power; gm/ID; RFPG (RF power gating); 28nm FDSOI