Conception et développement d’étalons pour la mesure des paramètres S en mode mixte de circuits intégrés et méthodes associées

par Thi Dao Pham

Thèse de doctorat en Sciences de l'information et de la communication

Sous la direction de Eric Bergeault.

Le président du jury était Denis Barataud.

Le jury était composé de Michel Campovecchio, Eric Kerhervé, Christophe Gaquière, Jean-Christophe Cousin, Djamel Allal.

Les rapporteurs étaient Michel Campovecchio, Eric Kerhervé.


  • Résumé

    Des circuits différentiels sont largement utilisés pour la conception de composants hyperfréquences principalement en raison de leur meilleure immunité au bruit. Ces circuits doivent être caractérisés au moyen de paramètres S en mode mixte (mode différentiel, mode commun et conversion entre les deux modes). De plus, la tendance à la miniaturisation et à l’intégration des dispositifs hyperfréquences conduit à l’utilisation de structures planaires ou coplanaires telles que les lignes micro-ruban ou les lignes coplanaires. La structure coplanaire avec les conducteurs déposés à la surface supérieure du substrat évite de réaliser des trous métallisés, et donc simplifie la fabrication et empêche l’apparition d’éléments parasites. Du point de vue de la métrologie électrique, il est nécessaire d’établir la traçabilité des mesures de paramètres S en mode mixte au Système International d’unités (SI). La méthode d’étalonnage Multimode Thru – Reflect – Line (TRL), dérivée de l’étalonnage TRL couramment utilisée pour les mesures de paramètres S de circuits asymétriques, est bien adaptée à cette problématique. En effet, l’impédance caractéristique, qui définit l’impédance de référence du système de mesure, peut être obtenue à partir des constantes de propagation déterminées lors de la procédure Multimode TRL et des capacités linéiques en DC.Nous présentons la première conception et la réalisation d’un kit d’étalonnage Multimode TRL et d’un kit de vérification à base des lignes coplanaires couplées en configuration « Ground – Signal – Ground – Signal – Ground » sur un substrat de quartz (SiO2) à faibles pertes diélectriques pour des mesures de paramètres S en mode mixte sur wafer de 1 GHz à 40 GHz. Les mesures sont effectuées à l’aide de deux méthodes : l’approche « one-tier » basée sur la procédure d’étalonnage Multimode TRL afin de déterminer et de corriger l’ensemble des erreurs systématiques ou bien l’approche « two-tier » qui fractionne la détermination et la correction des termes d’erreur en deux étapes dont la deuxième est associée à la méthode Multimode TRL. La faisabilité et la validation de ces techniques sont démontrées par des mesures d’éléments de vérification, constitués de lignes (adaptées, désadaptées et déséquilibrées) et d’atténuateurs en T, qui montrent un très bon accord entre les valeurs mesurées et simulées.La propagation des incertitudes est évaluée soit à partir du calcul des dérivées partielles à l’aide de l’outil Metas.Unclib ou bien par simulation numérique basée sur la méthode de Monte Carlo. La précision des mesures de paramètres S sous pointes dépend des sources d’influence attribuées aux mesures et aux imperfections des étalons telles que le bruit et la non-linéarité de l’analyseur de réseaux vectoriel, la stabilité des câbles, la répétabilité des mesures et la sensibilité dans la réalisation des étalons. Faute de temps, nous nous limitons à estimer la propagation d’incertitudes liées à la répétabilité de mesure des étalons et du dispositif sous test (DST) aux valeurs des paramètres S corrigés de la ligne désadaptée. Les résultats montrent que l’approche des dérivées partielles basée sur une approximation de la série de Taylor au premier ordre ne peut pas être utilisée avec précision à cause de l’influence significative de la non-linéarité des fonctions mathématiques de l’algorithme Multimode TRL. La méthode Monte Carlo s’avère alors plus précise bien qu’elle nécessite des temps de calcul très longs.

  • Titre traduit

    Design and development standards for mixed-mode S-parameters measurement of integrated circuits and associated methods


  • Résumé

    Differential circuits are widely used in the design of high frequency components mainly because of their better noise immunity. These circuits can be characterized using mixed-mode S parameters (differential- and common-mode S-parameters and cross-mode terms). Furthermore, the trend toward miniaturization and integration of microwave devices increases the need for planar or coplanar microwave integrated circuits such as micro-strip lines or coplanar waveguides. The ungrounded coplanar waveguide structure with all the conductors located on the same side of the substrate eliminates the need for via-holes, and thus simplifies manufacturing and prevents the appearance of some parasitic elements. From the viewpoint of electrical metrology, it is necessary to establish the traceability of the mixed-mode S-parameter measurements to the International System of Units (SI). The Multimode Thru-Reflect-Line (TRL) calibration method, derived from the commonly-used TRL calibration for S-parameter measurements of single-ended circuits, is particularly well suited for this purpose as the standards are traceable via dimensional measurements. The characteristic impedance, which defines the reference impedance of the measurement system, can be achieved from the propagation constants determined during the Multimode TRL calibration and the capacitances per unit length of the transmission line.We present the first design and realization of Multimode TRL calibration and verification kits using coupled coplanar lines in the "Ground - Signal - Ground - Signal - Ground" configuration on quartz (SiO2), the low-loss substrate, for on-wafer mixed-mode S-parameter measurements from 1 GHz to 40 GHz. Measurements are performed using two methods: the “one-tier” technique, based on the Multimode TRL calibration procedure, determines and corrects all systematic errors. The “two-tier” approach, in which the Multimode TRL is applied at the second-tier, is applied to measurement data that were partially corrected by the first calibration. The feasibility and the validation of the methods are demonstrated by measurements of matched, mismatched and unbalanced lines and T-attenuators showing good agreement between simulated and measured results.The propagation of uncertainty can be derived by the calculation of partial derivatives using the Metas.Unclib tool or by the numerical approach based on the Monte Carlo technique. The accuracy of on-wafer S-parameter measurements depends on sources of influence attributed to the measurements and to the imperfections of the standards such as the VNA noise and non-linearity, the cable stability, the measurement repeatability, and the sensitivity in calibration standards’ realization. We focus, first and foremost, on the propagation of uncertainties related to the repeatability of the standards and the device under test measurements to the corrected mixed-mode S-parameters of the mismatched line. The results show that the partial derivatives approach based on an approximation of the first-order Taylor series cannot be accurately used due to the significant influences of non-linear functions in the Multimode TRL algorithm. The Monte Carlo method is then more precise although it requires very long computation time.


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