Soutenance mémoire
Lignes de transmission
Présentation des lignes, choix du type de ligne
Le choix de l’utilisation de structure de propagation dans les circuits intégrés est lié au rapport entre la longueur d’onde des signaux utilisés et la longueur des connections à réaliser.
Dans les technologies intégrées CMOS, cette permittivité diélectrique est de l’ordre de 4, ce qui donne pour des fréquences de 20 GHz et 60 GHz des longueurs d’onde respectives de 7.5 mm et 2.5 mm. On considère que les effets de la propagation des signaux ne sont plus négligeables lorsque la connexion est plus longue qu’un vingtième de la longueur d’onde. Ainsi, à 20 GHz et 60 GHz, pour toute connexion de plus de 375 µm et 125 µm, respectivement, on doit considérer la propagation des ondes dans la connexion.
Pour maitriser cette propagation (minimiser les pertes), il convient de guider l’onde, ce qui correspond à favoriser un mode de propagation particulier. Le mode qui permet de minimiser les pertes est le mode transverse électromagnétique (TEM) car il est non-dispersif et sans fréquence de coupure [1]. Lorsque l’onde se propage en mode TEM, le champ électrique, le champ magnétique, et le vecteur d’onde sont perpendiculaires entre eux. Deux familles de lignes de transmissions permettent d’obtenir un mode de propagation TEM dans les technologies CMOS : les lignes microruban et les lignes coplanaires. Les lignes micro-ruban sont composées d’un ruban conducteur ainsi que d’un plan de masse inférieur. Les lignes coplanaires sont composées d’un ruban conducteur intercalé entre deux plans de masse.
Dans les technologies CMOS, la structure diélectrique n’est pas homogène (structure diélectrique multicouche et air) et les pertes ne sont pas totalement négligeables, ce qui implique l’apparition d’une composante longitudinale des champs électrique et magnétique. Le mode de propagation n’est donc pas totalement TEM. Cependant, ces composantes sont suffisamment faibles pour qu’on les néglige. Ce mode est alors appelé quasi-TEM [2]. Une caractéristique des technologies CMOS/BiCMOS utilisées (CMOS 40 nm, BiCMOS 55 nm) est la faible résistivité du substrat (typiquement 12 Ω ∙ cm). Le mode de propagation dépend de la fréquence et de la résistivité du substrat [3], [4]. Ainsi, aux fréquences millimétriques, la propagation du mode TEM n’est pas garantie dans la ligne coplanaire. Dans les lignes micro-ruban le substrat de faible résistivité est écranté par le plan de masse, donc celui-ci n’influence pas le mode de propagation. C’est la raison pour laquelle les lignes micro-ruban sur film mince ont été choisies dans ce travail.
Structure des lignes de transmission TFMS
Dans les technologies intégrées, les lignes micro-ruban sont appelées TFMS (pour « Thin-Film MicroStrip » ou ligne micro ruban sur couche mince).
Cette ligne est composée d’un ruban conducteur et d’un plan de masse. Le ruban conducteur baigne dans un milieu diélectrique composé d’une quarantaine de couches d’oxyde de silicium (???2) et de nitrure de silicium (??3?4). Deux topologies sont disponibles dans la technologie CMOS 40 nm, avec le ruban conducteur situé sur les couches métalliques M6 ou M7 , l’utilisation de la couche M6 permettant de réaliser de faibles impédances caractéristiques. La technologie BiCMOS 55 nm offre un niveau de métal supplémentaire M8 , permettant ainsi d’atteindre des impédances caractéristiques plus élevées pour une même largeur de ruban, ou bien d’obtenir un ruban plus large (et donc des pertes moindres) pour la même impédance caractéristique.
Modélisation des lignes de transmission TFMS
Choix du type de modélisation
Trois principales familles de modélisation existent pour les lignes de transmission : analytique, phénoménologique et tabulée. La modélisation analytique se base sur le comportement physico-électrique de la ligne. Il existe des modèles analytiques pour les lignes de transmissions TFMS, paramétrés en fonction des caractéristiques géométriques ainsi que des propriétés des matériaux [5],[6]. En théorie ce type de modélisation est très réaliste et prédictif car il tient compte des phénomènes physiques qui régissent la propagation dans la ligne. En pratique ils sont limités par la complexité et le nombre des phénomènes physiques qui sous-tendent le fonctionnement de la ligne.
La modélisation phénoménologique consiste à produire un schéma équivalent simplifié de la ligne de transmission et y associer des équations empiriques relatant du comportement des éléments du schéma équivalent en fonction des paramètres géométriques, topologiques et de la fréquence. Les paramètres des équations empiriques sont ajustés pour que le comportement électrique du modèle s’approche des résultats de mesure et/ou de simulation électromagnétique. Le réalisme de cette modélisation dépend de la complexité du schéma équivalent utilisé, ainsi que de la précision avec laquelle la valeur des paramètres est établie. Cette modélisation ne produit pas de modèles prédictifs, et une nouvelle extraction des paramètres est nécessaire à chaque changement de l’architecture de la ligne (changement de topologie, de technologie).
La modélisation tabulée se base sur des résultats de mesure et/ou de simulation électromagnétique en fonction de plusieurs paramètres (la fréquence, la largeur du ruban conducteur, etc) qui sont enregistrés dans une table. La précision de ce modèle dépend de la fourchette de simulation de chaque paramètre ainsi que du pas de mesure/simulation. Ce modèle n’est pas prédictif et son utilisation en dehors des cas simulés nécessite des techniques d’extrapolation qui sont peu efficaces aujourd’hui dans les simulateurs électriques.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Composants en technologie CMOS pour la conception en gamme de fréquences millimétriques
I.1. Introduction
I.2. Lignes de transmission
I.2.1. Présentation des lignes, choix du type de ligne
I.2.2. Structure des lignes de transmission TFMS
I.2.3. Modélisation des lignes de transmission TFMS
I.3. Transistors MOS
I.3.1. Modèle petit signal
I.3.2. Modèle non-linéaire
I.4. Conclusion
Chapitre II Les oscillateurs en bande millimétrique
II.1. Introduction
II.2. Présentation des oscillateurs
II.2.1. Aspects historiques et définition
II.2.2. Fonctions réalisées à base d’oscillateurs
II.2.3. Grandeurs caractéristiques
II.3. Mise en équation des oscillateurs et état de l’art théorique
II.3.1. Mise en équation des oscilateurs
II.3.2. Etat de l’art des théories
II.4. Contribution à la modélisation des oscillations
II.4.1. Démarrage des oscillations
II.4.2. Passage de l’oscillation forcée à l’oscillation libre
II.4.3. Oscillateur à allumage périodique
II.4.4. Etude de l’injection d’un TORP dans un oscillateur
II.5. Conclusion
Chapitre III Synthèse de fréquence dans la bande millimétrique
III.1. Introduction
III.2. Présentation des circuits de synthèse de fréquence
III.2.1. La synthèse de fréquence dans les systèmes de télécommunication millimétriques
III.2.2. Grandeurs caractéristiques des circuits de synthèse de fréquence
III.2.3. Topologies des circuits de synthèse de fréquence
III.3. Etat de l’art synthèses de fréquence CMOS dans la bande millimétrique
III.3.1. Etat de l’art des synthèses de fréquence à 60 GHz
III.3.2. Etat de l’art du bruit de phase des PLL de 2 à 60 GHz
III.3.3. Limitation des multiplicateurs réels
III.4. Une architecture de synthèse de fréquence innovante
III.4.1. Présentation de la synthèse de fréquence innovante
III.4.2. Réglage de la fonctionnalité de la synthèse de fréquence
III.4.3. Performances de la synthèse de fréquence
III.4.4. Configurations spécifiques
III.5. Conclusion
Chapitre IV. Intégration de la synthèse de fréquence en technologies CMOS 40 nm et BiCMOS 55 nm
IV.1. Introduction
IV.2. Première intégration : synthèse des centre de canaux du standard IEEE 802.15.3c
IV.2.1. Cahier des charges
IV.2.2. Schéma de principe, spécification des blocs
IV.2.3. Méthode de conception
IV.2.4. Résultats obtenus
IV.3. Seconde intégration : Synthèse de fréquence fixe à 17,5 GHz
IV.3.1. Cahier des charges
IV.3.2. Schéma de principe, spécification des blocs
IV.3.3. Méthode de conception
IV.3.4. Résultats obtenus
IV.4. Synthèse des résultats ; comparaison avec l’état de l’art
IV.4.1. Première intégration : synthèse des centre de canaux du standard IEEE 802.15.3c
IV.4.2. Seconde intégration : synthèse de fréquence fixe à 17,5 GHz
IV.5. Conclusion
Conclusion générale
