Soutenance mémoire
Durant des décennies, les circuits hyperfréquences ou microondes ont été limités aux guides d’ondes. Cependant les exigences des secteurs d’activités industrielles aussi variés que l’aéronautique, le spatial, et la téléphonie mobile, ont fortement contribué au développement de circuits intégrés microondes hybrides et monolithiques (« HMIC » et « MMIC » : Hybrid and Monolithic Microwave Integrated Circuits) permettant un intégration beaucoup plus poussée, avec des performances en constante progression et un prix de revient toujours plus bas. La réalisation de systèmes intégrés, à hautes performances et de grande fiabilité, n’est pas une chose aisée. À l’étape de la conception, tout doit avoir été envisagé, aussi bien les situations relatives aux conditions extrêmes d’utilisation (température, vibrations, …), que les inévitables dispersions technologiques. La répétabilité entre donc en compte lors de la réalisation de systèmes intégrés hyperfréquences.
Le marché de la microélectronique est en perpétuelle évolution et concerne fortement les applications grand public. Les volumes de production sont de plus en plus importants et il est impératif d’assurer une fiabilité satisfaisante pour un prix abordable. Les circuits en microélectronique nécessitent donc de développer des techniques de test efficaces et les moins coûteuses possible, qui sont en passe de devenir un enjeu fondamental aujourd’hui. Ces facteurs influent directement sur le prix de fabrication du système. Les industriels, cherchant les performances optimales à un prix de revient minimal, ne peuvent plus se permettre de voir leurs investissements servir majoritairement aux tests des parties analogiques et mixtes comme c’est souvent le cas aujourd’hui. En effet, le coût de test est dû principalement à l’utilisation d’équipements particulièrement onéreux, surtout quand les systèmes à caractériser travaillent en gamme microonde.
Le marché des télécommunications grandissant et les performances s’améliorant, de nouvelles gammes de fréquences sont utilisées, entraînant notamment l’émergence des systèmes de communications sans fil multistandard. Les spécifications système, notamment en ce qui concerne la pureté spectrale du signal présent en sortie de l’inévitable synthétiseur de fréquence, deviennent alors véritablement draconiennes. C’est ce critère essentiel de pureté spectrale qui va définir de manière indirecte les largeurs de canaux de transmission. L’élément du synthétiseur de fréquence déterminant majoritairement la pureté spectrale du signal de sortie d’une chaîne de transmission est l’oscillateur contrôlé en tension (« VCO » : Voltage Controlled Oscillator), que l’on caractérisera alors principalement par son bruit de phase.
Présentation des systèmes de mesures
La pression du marché étant permanente, les délais de conception de circuits sont de plus en plus courts et il apparaît donc essentiel de connaître rapidement les limites qu’il est possible d’atteindre avec une technologie donnée pour une consommation du circuit fixée. Tout d’abord, afin de mieux comprendre l’importance du bruit de phase dans les systèmes de communications sans fil, nous allons brièvement définir les principales caractéristiques du bruit de phase dans les circuits hyperfréquences. Puis, une description des différentes techniques de caractérisation en laboratoire de ce phénomène pour les sources microondes et les quadripôles hautes-fréquences sera présentée.
Les circuits hyperfréquences
Les systèmes de télécommunications sont plus compliqués qu’ils n’y paraissent, car une majorité possède des circuits microondes. La plupart des non-spécialistes qui utilisent leur téléphone portable ne se doutent probablement pas que des milliers de chercheurs et d’ingénieurs ont travaillé depuis une centaine d’années pour réaliser une technologie sans fil abordable. La technologie sans fil est apparue en 1901. Guglielmo Marconi réalisa avec succès la transmission d’un signal radio au dessus de l’océan Atlantique. Les conséquences et les perspectives de cette démonstration furent immédiates. Il était alors possible d’envisager de remplacer le télégraphe. Cette application a d’abord été utilisée dans le domaine militaire pour créer des communications radio, puis elle est apparue dans le domaine public pour faire naître par exemple la télévision [1].
L’histoire du transistor remonte en 1929, par la réalisation du premier transistor à pointes dans le laboratoire Bell’s Lab. Plus tard le transistor à jonctions a été inventé dans le même laboratoire, par W. Shockley, en avril 1950. L’invention du transistor, additionnée au développement de la théorie de Shannon et à la conception des premiers systèmes de télécommunications portables (dans les locaux du « Bell Laboratories »), a ouvert la voie de la conception des premiers téléphones portables. Pourquoi tant d’études sont-elles menées dans le domaine des télécommunications sans fil ? Tout simplement parce que le marché est énorme et ne cesse de croître. Chaque année, des personnes se mettent à utiliser ce système de communication de façon quotidienne. Les industriels veulent donc augmenter encore et toujours les performances de leurs produits tout en baissant le coût. En effet, aujourd’hui le but des chercheurs est de réduire la consommation et le prix des téléphones portables de 30% chaque année. Mais les circuits microondes présents dans les systèmes de télécommunications ne sont pas seulement présents dans les téléphones portables, ils se développent également dans d’autres objets quotidiens, par exemple dans les ordinateurs qui communiquent en Wi-Fi ou encore dans les manettes de consoles nouvelle génération communiquant en Bluetooth. Les circuits hyperfréquences permettent par exemple de se positionner dans l’espace grâce au système de positionnement GPS (Global Positioning System). La miniaturisation des technologies permet de réduire les coûts de fabrication et l’encombrement des fonctions réalisées. Elle accroît leurs performances en embarquant de plus en plus de systèmes intelligents. À titre d’exemple, on peut citer le cas de la téléphonie mobile, dont les circuits intégrés comportent des fonctions de traitement numérique des signaux, de la mémoire, et des fonctions hyperfréquences. La tendance générale est de favoriser la miniaturisation et de rassembler, sur une même puce (« SoC » : System On Chip) ou dans un même boîtier (« SiP » : System In Package), tous les circuits composant un système complet. La téléphonie mobile illustre bien cette tendance. Les nouvelles générations de composants, en plus d’être multimodes et multibandes (GPRS, EDGE, UMTS, WLAN) [2], sont devenues de véritables stations multimédias. Leur lecteur de fichiers numériques (MP3 et MP4), leur tuner TNT, leurs mémoires à hautes capacités de stockage, font que les nouveaux systèmes de télécommunications mobiles se veulent être « communicants » avec leur environnement. Cela est possible via le bluetooth, le Wi-Fi ou encore l’internet reçu au travers des nouveaux réseaux haut-débits fournis par les opérateurs téléphoniques [3]. À l’opposé, on trouve une demande pour des circuits de faibles dimensions, à bas coût, comme par exemple les étiquettes radiofréquences (« RFID » : Radio Frequency IDentification). Cette technologie permet d’identifier un objet, d’en suivre le cheminement et d’en connaître les caractéristiques à distance grâce à une étiquette émettant des ondes radio, attachée ou incorporée à l’objet [5]. La technologie RFID permet la lecture des étiquettes même sans ligne de vue directe et peut traverser de fines couches de matériaux (peinture, tissu, etc.). Actuellement, les systèmes électroniques contiennent généralement plus d’un million de transistors, avec seulement une fraction de composants hyperfréquences, le reste étant des circuits analogiques ou numériques utilisés pour traiter les informations en basse-fréquence, comme le DSP (Digital Signal Processing).
Bruit de phase
Intérêt de mesurer le bruit de phase
Pour juger de l’importance du bruit de phase dans les systèmes de télécommunications, nous allons présenter un cas où celui-ci est critique en venant perturber le bon fonctionnement du circuit. Cet exemple concerne le domaine des télécommunications (Satellite, GPS, WLAN, téléphonie mobile, etc.). Mais donnons tout d’abord, une explication générale sur l’importance de pouvoir caractériser de façon précise le bruit. En effet, dans tous les domaines de l’électronique, la mesure de bruit est de plus en plus essentielle pour caractériser un signal :
– C’est le bruit qui limite la portée et la résolution d’un radar [6] ;
– C’est le bruit qui dégrade la qualité d’une image télévision [7, 8] ;
– C’est le bruit qui limite la précision du positionnement d’un satellite [9, 10] ;
– C’est le bruit qui dégrade la qualité des transmissions de données [11] ;
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Table des matières
Introduction générale
1 Présentation des systèmes de mesures
1.1 Les circuits hyperfréquences
1.2 Bruit de phase
1.2.1 Intérêt de mesurer le bruit de phase
1.2.2 Représentation du bruit de phase
1.3 État de l’art des mesures de bruit de phase
1.3.1 Caractérisation du bruit de phase des sources hyperfréquences
1.3.2 Caractérisation du bruit de phase des quadripôles hyperfréquences
1.4 Les systèmes de mesures intégrés
1.4.1 Les « Built-In Self-Test » dans les circuits numériques
1.4.2 Les mesures intégrées dans les circuits analogiques
1.4.3 Étude des coûts
1.5 Notre rôle dans le projet européen IST-MOBILIS
1.5.1 Présentation du projet MOBILIS
1.5.2 Élaboration de la synthèse de fréquence
1.5.3 Conception de bancs de caractérisations de résonateurs BAW
Bibliographie
2 Caractérisation discrète des résonateurs BAW
2.1 La technologie « BAW » (Bulk Acoustic Wave)
2.1.1 Les différentes structures de résonateurs BAW
2.1.2 Circuits intégrés hyperfréquences utilisant des résonateurs BAW
2.2 Caractérisation des résonateurs BAW
2.2.1 Caractérisation en puissance
2.2.2 Caractérisation en bruit de phase des FBAR
2.3 Dimensionnement du banc de mesure de bruit de phase
2.3.1 Modélisation et méthode de simulation du banc de mesure intégré
2.3.2 Simulation du banc de mesure à un résonateur
2.3.3 Simulation du banc de mesure à deux résonateurs
2.3.4 Conclusion
2.4 Les différentes configurations intégrées du banc de mesure
2.4.1 Caractérisation du bruit de phase de sources hyperfréquences
2.4.2 Caractérisation du bruit de phase de quadripôles hyperfréquences
2.4.3 Conclusion
Bibliographie
3 Conception d’un banc de mesure de bruit de phase intégré
3.1 Justification de la technologie utilisée
3.1.1 Étude du bruit dans les transistors bipolaires
3.1.2 Étude du bruit dans les transistors MOS
3.1.3 Dimensionnement des transistors bipolaires
3.2 Conception de la source de référence
3.2.1 Oscillateur contrôlé en tension
3.2.2 Synthèse de fréquence du projet MOBILIS : PLL
3.3 Conception du déphaseur et du diviseur de puissance
3.3.1 Réalisation d’un déphaseur à diodes
3.3.2 Réalisation du diviseur de puissance
3.3.3 Réalisation d’un coupleur/déphaseur actif
3.3.4 Conclusion
3.4 Conception des résonateurs BAW
3.4.1 Réalisation des résonateurs BAW
3.4.2 Découpe des résonateurs
3.5 Conception du mélangeur utilisé comme détecteur de phase
3.5.1 Fonctionnement d’un détecteur de phase
3.5.2 Mélangeur passif
3.5.3 Mélangeur actif
3.6 Conception de l’amplificateur basse-fréquence faible bruit
3.6.1 Analyse du bruit et conception d’amplificateur très faible bruit
3.6.2 Implémentation du circuit et mesures des performances
3.6.3 Conclusion
3.7 Test du banc de mesure de bruit de phase
3.7.1 Association Mélangeur/Amplificateur
3.7.2 Assemblage du banc de mesure de bruit de phase
3.7.3 Assemblages des puces BiCMOS avec les résonateurs BAW
3.8 Conclusion
Bibliographie
Conclusion générale
