Contribution à la réalisation d’amplificateurs de puissance en technologie CMOS 65 nm pour une application au standard UMTS

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Sous la direction de Eric Kerhervé
Thèse soutenue le 30 novembre 2009: Bordeaux 1
Résumé
-Amplificateurs de puissance
-Cmos
-Umts
Abstract
-Power Amplifiers
Source: http://www.theses.fr/2009BOR13894/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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N° d'ordre : 3894

THÈSE


L'UNIVERSITÉ BORDEAUX I


ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGENIEUR


Par Yohann LUQUE


POUR OBTENIR LE GRADE DE


DOCTEUR


SPÉCIALITÉ : ELECTRONIQUE


*********************


Contribution à la réalisation d’amplificateurs de puissance en
technologie CMOS 65 nm pour une application au standard UMTS


Après avis de :
MM. Eric BERGEAULT Professeur, d’Université (ENST Paris) Rapporteur
MM. Jean Michel NEBUS Professeur, d’Université (Limoge)

Devant la commission d’examen formée de :
MM. Jean Baptiste BEGUERET Professeur, d’Université (Bordeaux 1) Président
MM. Denis MASLIA Directeur d’entreprise (ACCO) Examinateur
MM. Philippe CATHELIN Industriel (STMicroelectronics)
MM. Eric KERHERVE Professeur, d’Université (IPB)
Nathalie DELTIMPLE Maître de conférences (IPB) MMe. Examinateur

*********************

- 2009 -






A mon épouse Aurélie….
















« Celui qui trouve sans chercher est celui qui a longtemps cherché sans trouver »
Gaston Bachelard
Remerciement
Ces travaux de recherche ayant été effectués au laboratoire IMS, sous la direction de
Monsieur FOUILLAT Pascal. Je tiens donc tout d’abord remercier Monsieur FOUILLAT
Pascal pour m’avoir accepté au sein du laboratoire IMS
Le sujet de ces travaux m’a été proposé par mon directeur de thèse, le professeur
KERHERVE Eric, que je remercie sincèrement pour la confiance qu’il m’a fait en me faisant
intégrer l’équipe CSH (Circuit et Système en Hyperfréquence) qu’il dirige. Je tiens à remercier
la maitre de conférence DELTIMPLE Nathalie, co-directrice de ma thèse, pour son aide ainsi
que pour son soutien tout au long de ces trois ans de travaux.
Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec STMicroelectronics. Je Remercie donc
Monsieur Dider BELOT, ingénieur R&D à ST Minatec, pour être le maillon de cette
collaboration et sa participation à mon jury de thèse.
Merci beaucoup à Monsieur Jean-Baptiste BEGUERET pour m’avoir fait l’honneur
d’être membre du jury de cette thèse.
Je tiens également à remercier les membres de l’administration : Valérie
BAROUILLET, Simone VAN DANG, Valérie CAUHAPE, Fanny DAMAS et Mireille
BERNARD. Merci aussi aux ingénieurs réseaux : Regis DEVREESE, Patrick
VILLESUZANNE et Michel ALEXELINE. Merci également aux personnels d’entretient :
Maryse CESARION, Jean FERNANDEZ et Nathalie BONNEAU. Merci à tous, pour nous
rendre chaque jour, la vie plus facile.
Je souhaite remercier tous les membres de l’équipe CHS pour leur contribution humaine
et professionnelle. Merci à Pierre JARRY, Jean-Marie PHAM, Laurent COURCELLE, Nejdat
DEMIREL, Sofiane ALOUI, Bernardo LEITE, Nicolas DELAUNAY, Kamal BARAKA,
Olivier DORIAN et Cleverson CHAVES.
Je remercie sincèrement les enseignants chercheurs de l’équipe EC2 pour leur aide
scientifique ainsi que leur sympathie : Yann DEVAL, Jean Baptiste BEGUERET, Thierry
TARIS et Hervé LAPUYADE.
Durant ces trois années de thèse, la majorité de mes travaux s’est déroulée dans la salle
ST du laboratoire, occupée principalement par les équipes CHS et EC2. Je souhaite remercier
profondément tous mes collègues de la salle ST pour leur qualité tant humaine que technique.
Cette thèse est aussi la leur. Merci particulièrement à Romaric TOUPE, Olivier MAZOUFFRE,
Cédric MAJEK et Magali DEMATOS, que je connais depuis mes débuts en Mars 2006 et qui
sont toujours présents au laboratoire. Merci pour leur aide permanente, leur écoute, leur soutien.
Merci, bien sûr, aux anciens déjà partis, nouveaux arrivés ainsi à tous les autres pas encore nommés : Birama GOUMBALLA, Mickael CIMINO, Diego ROSSONI-MATOS, Aya
MABROUKI, Chama AMEZIANE, Nicolas REGIMBAL, Raffaele SEVERINO, Luca TESTA,
Quentin BERAUD, Andrée FOUQUE et Pierre-Olivier LUCAS DE PESLOUAN.
Un grand merci à mes collègues et amis, André MARIANO et François RIVET, pour
leur soutien technique, mais aussi pour m’avoir supporté pendant ces trois ans de thèse. Leur
soutien moral a été un moteur important pour surmonter les difficultés liées à la thèse.
Je remercie mes parents pour leurs sacrifices afin de financer mes études et pour avoir
toujours cru en moi et en mon travail, malgré un parcours scolaire au début difficile. Sans eux,
arrivé jusqu’ici n’aurait pas était possible. Merci aussi à mes beaux parents pour leur soutien
indispensable à la réussite de ce projet.
A mon épouse Aurélie, à qui je dédie ce mémoire, et que je remercie infiniment pour sa
compréhension (Lors des week end au laboratoire, des semaines en conférence, ainsi que des
périodes de stress) ainsi que sa présence durant ces trois dernières années.
Tables des matières
TABLES DES MATIERES...................................................................................................................................... 9

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................................................. 1

CHAPITRE I............................................................................................................................................................. 5
I ETAT DE L’ART DES AMPLIFICATEURS DE PUISSANCE INTEGRES DESTINES AUX COMMUNICATIONS SANS FIL 5
I L’émission-réception pour les systèmes sans fil ...................................................................................... 6
II La technologie MOS sur silicium........................................................................................................... 13
III Les amplificateurs de puissance CMOS pour les communications RF.................................................. 17
IV Conclusion........................ 40

CHAPITRE II ......................................................................................................................................................... 45
II METHODOLOGIE DE CONCEPTION D’UN PA SFFDS CMOS DESTINE A L’UMTS ........................................ 45
I Détermination d’une Structure de PA.................................................................................................... 46
II Etude de la structure SFDS ................................................................................................................... 54
III Conception de l’amplificateur de puissance SFDS à deux étages destiné au W-CDMA....................... 65
IV Conclusion sur le choix de l’architecture SFDS.................................................................................... 72

CHAPITRE III........................................................................................................................................................ 75
III CONCEPTION ET MESURE D’UN PA SFFDS EN CMOS 130 NM ET 65 NM .................................................... 75
I Conception d’un PA en technologie CMOS 130 nm et CMOS 65 nm ................................................... 76
II Contraintes de routage pour un PA CMOS ........................................................................................... 89
III Mesures des PAs CMOS 130 nm et CMOS 65 nm 95
IV Conclusion sur le PA SFDS................................................................................................................. 113

CHAPITRE IV...................................................................................................................................................... 117
IV PERSPECTIVES POUR L’INTEGRATION COMPLETE D’UN PA CMOS 65 NM................................................. 117
I Conception d’un PA dédié à l’application WiFi.................................................................................. 118
II ption d’un PA SFDS avec DAT dédié à l’UMTS ....................................................................... 132
III Conclusion sur les perspectives d’intégration... 146

CONCLUSION GENERALE.............................................................................................................................. 149

GLOSSAIRE......................................................................................................................................................... 153

LISTE DES TRAVAUX PUBLIES..................................................................................................................... 157

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