Méthodologie de CAO innovante pour la conception de MMICs prenant en compte les pertes des éléments réactifs des technologies intégrées

Sujets de thèse 2013

Intitulé de la thèse
Méthodologie de CAO innovante pour la conception de MMICs prenant en
compte les pertes des éléments réactifs des technologies intégrées
Publication du sujet sur le site de l’ABG : OUI
Nature du financement : Financement organisme (CNRS, DGA, ESA, CNES, ADEME, …)
Domaine de compétences principal (pour l’ABG) : Informatique, électronique
Domaine de compétences secondaire (pour l’ABG) : Sciences pour l’Ingénieur
Spécialité de doctorat : Electronique des hautes fréquences, Photonique et Systèmes

Lieu de travail
XLIM LIMOGES
Date Limite de candidature : 30/06/2013
Laboratoire d’accueil : XLIM/C2S2

Présentation de l’équipe de recherche
Le projet scientifique du département C²S² couvre les thématiques liées d’une part à la conception du frontal analogique des systèmes radio fréquences et micro-ondes (amplification de puissance, génération et la synthèse de fréquence, fonctions faible bruit et le filtrage adaptatif intégrés). Dans le domaine de la conception du frontal RF& microondes, nous nous attachons plus particulièrement aux enjeux liés à la conception des blocs fonctionnels analogiques. Cette conception repose sur la mise au point d’architectures optimum de circuits, sur les nouvelles technologies de composants, et sur le développement plus performants du composant au système.
Le département est organisé en 7 projets scientifiques:
• Amplification de puissance linéaire à haute efficacité énergétique
• Instrumentation avancée
• Emetteurs-Récepteurs intégrés agiles et large bande
• Modélisation des composants et circuits à l’échelle nanométrique
• Simulation des circuits et systèmes électroniques complexes
• Optimisation de la couche physique des réseaux de communications sans fils et optiques
• Réseaux et systèmes de communications pour l’E-santé

Résumé de la thèse en français
Dans le domaine des fréquences radio et des microondes, le problème des méthodes de conception et de
synthèse des circuits passifs d’adaptation associés aux composants actifs, pour satisfaire aux
spécifications des systèmes et sous systèmes analogiques, a été largement traité dans la littérature
scientifique. Toutefois, en dépit de l’abondance de ces travaux, les outils qu’ils ont conduit à développer
ne sont pas adaptés aux besoins des concepteurs de circuits intégrés (de type AsGa, Silicium ou GAN)
car elles relèvent de méthodes de synthèse idéales avec des éléments d’adaptation sans pertes. Or les
éléments réactifs réels des technologies intégrées, notamment les selfs inductances, sont des éléments à
pertes caractérisés par des coefficients de qualité faibles, compris entre 2 et 5 pour les radiofréquences.
Le sujet de thèse proposé a pour objectif de développer une méthodologie de CAO innovante pour
conception d’amplificateur RF et microonde faible bruit réalisé en technologie intégrée.

Résumé de la thèse en anglais
Dans le domaine des fréquences radio et des microondes, le problème des méthodes de conception et de
synthèse des circuits passifs d’adaptation associés aux composants actifs, pour satisfaire aux
spécifications des systèmes et sous systèmes analogiques, a été largement traité dans la littérature
scientifique. Toutefois, en dépit de l’abondance de ces travaux, les outils qu’ils ont conduit à développer
ne sont pas adaptés aux besoins des concepteurs de circuits intégrés (de type AsGa, Silicium ou GAN)
car elles relèvent de méthodes de synthèse idéales avec des éléments d’adaptation sans pertes. Or les
éléments réactifs réels des technologies intégrées, notamment les selfs inductances, sont des éléments à
pertes caractérisés par des coefficients de qualité faibles, compris entre 2 et 5 pour les radiofréquences.
Le sujet de thèse proposé a pour objectif de développer une méthodologie de CAO innovante pour
conception d’amplificateur RF et microonde faible bruit réalisé en technologie intégrée.

Description complète du sujet de thèse
Dans le domaine des fréquences radio et des microondes, le problème des méthodes de conception et de synthèse des circuits passifs d’adaptation associés aux composants actifs, pour satisfaire aux spécifications des systèmes et sous systèmes analogiques, a été largement traité dans la littérature scientifique. Toutefois, en dépit de l’abondance de ces travaux, les outils qu’ils ont conduit à développer ne sont pas adaptés aux besoins des concepteurs de circuits intégrés (de type AsGa, Silicium ou GAN) car elles relèvent de méthodes de synthèse idéales avec des éléments d’adaptation sans pertes. Or les éléments réactifs réels des technologies intégrées, notamment les selfs inductances, sont des éléments à pertes caractérisés par des coefficients de qualité faibles, compris entre 2 et 5 pour les radiofréquences. Le sujet de thèse proposé a pour objectif de développer une méthodologie de CAO innovante pour conception d’amplificateur RF et microonde faible bruit réalisé en technologie intégrée.

Bilan bibliographique et état de l’art:
Pour la fonction amplification faible bruit, des techniques théoriques de synthèses ont été développées et intégrées dans les logiciels de CAO, comme la méthode de synthèse des fréquences réelles 1]. Les différentes rétroactions pouvant être exercées sur le transistor ont été évaluées et mises à profit, notamment pour améliorer les performances en bruit ou la stabilité des amplificateurs conçus [2]. De même de nombreux travaux ont été conduits, et sont toujours développés, pour optimiser les circuits étudiés sur la base de fonctions multi critères (gain, bruit, adaptation etc.…) avec pour objectif final une intégration dans les logiciels de CAO [3] [4].
L’analyse bibliographique et le bilan de l’état de l’art montre qu’en dépit de la somme des travaux publiés, ce sujet scientifique reste un thème de recherche majeur pour les raisons suivantes:
• Les technologies intégrées actuelles et futures (AsGa, CMOS, etc.), de réalisation des fonctions hautes fréquences analogiques ne comportent pas d’éléments passifs à faibles pertes [5][6]. Or les méthodes utilisées actuellement, notamment dans les logiciels de CAO, sont des méthodes de synthèse sans pertes.
• De nouvelles applications et de nouvelles fonctionnalités sont visées, parmi lesquelles: Des amplificateurs faible bruit assurant de façon complémentaire une fonction de filtrage [5][6]; des amplificateurs accordables [7]; des amplificateurs compensés en temps de propagation de groupe [8].
• De nouvelles techniques de synthèses sont développées comme les méthodes d’adaptation active, et surtout les méthodes de synthèse de filtres à pertes [11]. C’est cette méthode originale qu’il est proposé de développer dans ce projet de recherche.

Programme de recherche proposé:
Le programme de recherche se situe dans le prolongement des travaux développés dans le cadre du contrat CNES (Développement et transfert de méthodologies de conception innovantes – Utilisation et développement d’outils de synthèse graphique pour la conception d’amplificateurs filtrant intégrés faible bruit) et du programme INTAS conduit en collaboration avec l’Université de TOMSK [12] [13] [14].
Les axes scientifiques de recherche à développer dans la cadre de la thèse sont les suivants dans le cas d’une application LNA puis mélangeur:
• Définition et choix du transistor optimal: L’objectif dans cette partie est de développer une méthode statistique pour définir les dimensions géométriques (nombre de doigts, largeur et longueur), et les tensions de polarisation du transistor [13].
• Définition des rétroactions à exercer sur le transistor (parallèle, série) pour satisfaire aux spécifications multi critères de l’amplificateur faible bruit. Les objectifs étant l’adaptation simultanée en gain et en bruit, la stabilité inconditionnelle, le contrôle de la bande de fonctionnement, l’optimisation des distorsions non linéaires, la consommation [15].
• Mise en œuvre de la méthode de synthèse des circuits à pertes pour synthétiser les réseaux d’adaptation des rétroactions et des quadripôles d’entrée et de sortie [11].
• Validation de la méthode CAO de synthèse par la conception, le dessin, et la mesure, de LNA(s) réalisé(s) en technologie monolithique et satisfaisant à des applications spatiales définies par le CNES et THALES ALIENA SPACE.
• Extension de la méthode à l’application mélangeur.

Les travaux de développement de la méthode de synthèse CAO seront développés au sein du laboratoire XLIM (Université de LIMOGES – UMR CNRS6172), sous l’encadrement de Stéphane BILA (CR CNRS) et de Bernard JARRY (Professeur). Les conceptions de circuits intégrés seront faites en utilisant les procédés technologiques intégrés de type AsGa, notamment disponibles par l’intermédiaire de l’organisme CMP [8], ou ceux définis par le CNES et l’organisme de cofinancement, sur la base de spécifications de circuits intégrés établies par le CNES pour des applications spatiales.

Objectifs scientifiques de la thèse
Le sujet de thèse proposé a pour objectif de développer une méthodologie de CAO innovante pour conception d’amplificateur RF et microonde faible bruit réalisé en technologie intégrée.

Compétences à l’issue de la thèse
Conception simulation et caractérisation des circuits intégrés analogiques RF et microondes

Mots clés (séparés par des virgules)
circuits intégrés analogiques RF et microondes
Conditions restrictive de candidature (nationalité, âge, …) : OUI

Directeur de thèse
Bernard JARRY
Adresse mail du directeur de thèse : [bernard.jarry@xlim.fr

Téléphone Directeur de thèse : 05 55 45 77 46

Co-directeur de thèse
Stéphane BILA stephane.bila@xlim.fr Julien LINTIGNAT julien.lintignat@xlim.fr
Adresse mail du co-directeur de thèse : stephane.bila@xlim.fr
Téléphone co-Directeur de thèse : 05 55 45 73 76
Cofinancement LABEX SigmaLIM demandé : NON
Thématique LABEX concernée : Thème 3: Fonctions et systèmes
Thèse pour Action transverse : NON

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