Méthodologie de CAO innovante pour la conception d’amplificateurs RF et microonde faible bruit prenant en compte les pertes des éléments réactifs des technologies intégrées

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 :
· 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 oeuvre 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.
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.
Références :
[1] Carlin, Yarman « The double matching problem: Analytic and real frequency solutions »
Circuits and Systems, IEEE Transactions on Volume: 30 , Issue: 1, 1983 , Page(s): 15 –28
[2] Niclas « The Exact Noise Figure of Amplifiers with Parallel Feedback and Lossy Matching
Circuits » Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on Volume: 30 , Issue:
5, 1982 , Page(s): 832 – 835
[3] Koziel, Jie Meng, Bandler, Bakr, Cheng, Q.S « Accelerated Microwave Design
Optimization With Tuning Space Mapping » Microwave Theory and Techniques, IEEE
Transactions on Volume: 57 , Issue: 2, 2009 , Page(s): 383 – 394
[4] Loshchilov « Darwin Solver — a system of evolutionary analog circuit design integrated
with Microwave Office » Microwave & Telecommunication Technology, 2009. CriMiCo
2009. 19th International Crimean Conference, 2009, Page(s): 101 – 102
[5] Armengaud, Lintignat, Barelaud, Jarry, Babak, Laporte « Design of a Ka-band MMIC
Filtering LNA with a Metamorphic HEMT Technology for a Space Application » Microwave
Conference, 2008. EuMC 2008. 38th European, 2008 , Page(s): 1358 – 1361
[6] Ching-Piao, Pei-Zong, Tian-Jian, Shyh-Jong « Analysis and Design of Two Low-Power
Ultra-Wideband CMOS Low-Noise Amplifiers With Out-Band Rejection » Microwave
Theory and Techniques, IEEE Transactions on Volume: 58 , Issue: 2, 2010, Page(s):
277 – 286
[7] Yelten, Gard « A novel design procedure for tunable low noise amplifiers »
[8] http://cmp.imag.fr/

Contact:[Bernard Jarry-> bernard.jarry@xlim.fr

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