Proposition de sujet

Proposition / Sujet de thèse 2014
ED 548 Mer et Sciences
Laboratoire de Recherche :
Laboratoire IM2NP, Site Toulon
Titre :
Gestion de la consommation et du contrôle digital au cœur des cellules
analogiques : Application à la mise en œuvre d’une interface intégrée CMOS
pour capteurs communicants très basse énergie.
Directeur de thèse :
NOM : Barthélemy
PRENOM : Hervé
Responsable de l’équipe Conception de Circuits Intégrés (CCI)
http://www.im2np.fr/recherche/equipes/conception.html
Contact : [email protected]
Visa du Directeur de Laboratoire
Date : 7 Mars 2014
R. Bouchakour
Signature du Directeur de Thèse
proposé
H. Barthélemy
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Gestion de la consommation et du contrôle digital au cœur des
cellules analogiques : Application à la mise en œuvre d’une interface
intégrée CMOS pour capteurs communicants très basse énergie.
RESUME
Le sujet de thèse proposé concerne la mise en
œuvre et la réalisation d’une nouvelle interface
analogique CMOS pour capteurs autonomes
communicants très basse consommation. Après une
étude bibliographique et de l’état de l’art, le
candidat devra s’attacher à modifier la structure de
plusieurs cellules analogiques fondamentales afin
de pouvoir piloter numériquement leurs
paramètres fonctionnels, en particulier les gains et
la consommation. Le candidat travaillera ensuite à
la synthèse et à la conception intégrée d’une
interface permettant de récupérer l’information
d’un capteur à variation d’impédance tout en
limitant le bruit en 1/f par une technique de
montée en fréquence.
Domaine : Conception de circuits intégrés
analogiques et mixtes.
Financement demandé : Allocation Ministère
Lieu : Toulon
Lab. : IM2NP Equipe CCI / site USTV
Mots clés 1 : Instrumentation, Analogique, circuit
intégré, silicium, capteur, amplificateur de mesure,
CMOS, faible consommation, faible énergie
Mots clés 2 : Surveillance et étude
de
l’environnement (TERREMER), Réseaux de capteurs
sans-fil, Building/Home Automation (DOMOTIQUE),
Surveillance de procédés industriels, Monitoring
dans le domaine médical (BIOMEDICAL).
SUJET : Une des révolutions technologiques
actuelles concerne le développement et la mise en
oeuvre
d’objets
électroniques
pouvant
s’autoalimenter en utilisant l’énergie issue de leur
environnement (mer, rivières, fleuves, vent, solaire,
champs électromagnétiques). Cependant, dans la
plupart des cas, l’énergie est extrêmement faible ou
limite le débit de données. Pour répondre aux
besoins, l’équipe conception de circuits intégrés
(CCI) de
l’institut IM2NP c’est spécialisé dans l’étude et le
développement de circuits intégrés analogiques
CMOS très basse consommation. Elle collabore
aujourd’hui avec de nombreuses entreprises dans
ce domaine (Inside Contacless, Insight SIP, INVIA,
STMicroélectronics, …).
L’équipe effectue des recherches afin d’optimiser
les systèmes de communication et de mesure
(capteur) afin de proposer un traitement de
l’information à faible coût et à faible énergie
consommée.
Les interfaces analogiques sont très sensibles aux
variations des paramètres technologiques, i.e.
variation de la température ou non reproductibilité
du procédé de fabrication par exemple. Il est
généralement nécessaire de réaliser une calibration
du système (mesure, fréquence de fonctionnement,
amplitude ect …). Dans le cadre des systèmes
embarqués, la mise en veille, sans consommer, des
cellules analogiques est nécessaire, afin d’assurer la
longévité de la source d’énergie. Un des objectifs de
recherche du candidat consistera à considérer le
contrôle digital au cœur des circuits analogiques qui
compose le système. Il sera possible de contrôler
numériquement de façon simple:
i)
ii)
iii)
la mise en veille total de l’interface
analogique
Le contrôle numérique des gains (filtres
et oscillateurs)
Le contrôle numérique des fréquences
de fonctionnement
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iv)
La calibration par contrôle et
algorithme numériques (application à la
radiofréquence et aux systèmes de
mesure)
Sur ce sujet des publications récentes ont
démontrés les performances analogiques et le
contrôle numérique de l’inverseur CMOS en termes
de fréquence de fonctionnement, de linéarité et de
travail sous faible tension d’alimentation [1-14].
L’inverseur CMOS (utilisé principalement dans le
domaine du numérique) lorsqu’il est équilibré et
polarisé, simule une source de courant contrôlé en
tension, plus généralement appelé Amplificateur de
Transconductance (AMT). Dans le cadre des travaux
de recherche, le doctorant devra proposer des
filtres et des oscillateurs agiles ainsi que des
amplificateurs large bande applicable à la mesure et
à la transmission d’information [11,13]. Cette
conception s’effectuera dans le contexte d’une
nouvelle architecture dédiée à la mesure et la
transmission de données pour capteurs autonomes.
Ce travail permettra à terme le dépôt d’un ou
plusieurs brevets.
[2]
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[11]
Le candidat commencera ses travaux par une étude
bibliographique et par un état de l’art. Il devra
ensuite proposer des solutions pertinentes
permettant de contrôler numériquement la
transconductance et la consommation des
amplificateurs analogiques. Il poursuivra ses travaux
par l’étude et à la mise en œuvre du système
d’instrumentation autonome et communicant.
Après fabrication, le candidat réalisera une
campagne de mesure afin de valider ses travaux.
Les derniers mois de thèse seront principalement
consacrés la rédaction du mémoire de thèse et à la
dissémination des résultats.
[12]
[13]
B. Nauta : “A CMOS transconductance-C filter technique
for very high frequencies”, IEEE Journal of Solid-State
Circuits, 27, 142–153.
H. Barthélemy, M. Fillaud, S. Bourdel, J. Gaubert :
“CMOS inverters based positive type second generation
current conveyor”, Analog Integrated Circuits and Signal
Processing (AICSP) , Ed. Springer, vol. 50, n° 2, February
2007, pp. 141-146.
H. Barthélemy, S. Bourdel, J. Gaubert, M. Battista :
“CMOS inverters based high frequency voltage controlled
sinusoidal oscillator”, 14th IEEE International Conference
on Circuits and Systems (ICECS), 2007, pp. 490-493.
H. Barthélemy, S. Meillere, G. Gaubert, N. Dehaese, S.
Bourdel, “OTA based on CMOS inverter and application in
the design of tunable bandpass filter”, Analog Integrated
Circuits and Signal Processing, vol. 57, 2008, pp. 169–178
S. Vlassis, “0.5V CMOS inverters-based tunable
transconductor”, Analog Integrated Circuits and Signal
Processing, vol. 72, issue 1, 2012, pp. 289–292
O. Schmitz, S.K. Hampel, F. Beichert, M. Tiebout : “Active
inductance for very high frequency based on CMOS
inverters”, US patent n° 2010/0039192 A1, Feb. 18, 2010.
P. Andreani, S. Mattisson : “On the Use of Nauta’s
Transconductor in Low-Frequency CMOS gm C Bandpass
Filters”, IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. 37, n°
2, 2002, pp. 114-123.
K. Komoriyama, E. Yoshida, M. Yashiki, H. Tanimoto : “A
Very Wideband Fully Balanced Active RC Polyphase Filter
Based on CMOS Inverters in 0.18 pm CMOS Technology”,
2007 Symposium on V/LSI Circuits Digest of Technical
Papers, 10-2, 2007, pp. 98-99
G. Bas, H. Barthélemy : “Negative Gain Transconductance
amplifier circuit”, US Patent n° 7,342,458 B2, Mar. 11,
2008.
S. Meillere, W. Rahajandraibe, P. Pannier, R. Bouchakour,
P. Masson, G. Jacquemod : “Emetteur Recepteur RFID a
13,56 MHZ” 11èmes journées pédagogiques du CNFM,
Saint Malo - Palais du Grand Large - 22 au 24 novembre
2010, www.cnfm.fr.
H. Barthélemy, S. Bourdel, J. Gaubert, S. Meillère :
“OOK/NCP-FSK Modulator based on Coupled OpenClosed-Loop VCOs”, Proceeding of the European
Conference on Circuits Theory and Design (ECCTD),
2007, pp. 380-383.
M. Witold, K., Stanisław, J. Jacek, K. Wojciech : “Fast
Low Voltage Analog Four-Quadrant Multipliers Based on
CMOS Inverters”, International Journal of Electronics and
Telecommunications, 2010, Vol. 56, n° 4, Pages 381–386
PRE-REQUIS : Master 2 ou équivalent ; très bonne
maitrise de la conception de circuits analogiques et
de la physique du composant (Diode, BJT & MOS).
Bonne maitrise de l’outil d’aide à la conception
CADENCE DF II (DRC, LVS, Extraction..) des langages
de type SPICE et de l’environnement Unix.
Références
[1]
B. Nauta, E. Seevinck : “Linear CMOS transconductance
element for VHF filters”, Electronics Letter, 1989, 25, 448–
450.
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Hervé Barthélemy received the PhD degree in
Electronics from the University of Paris XI Orsay in
1996. From 1996 to 2000 he was an Assistant
Professor at the Institut Supérieur d’Electronique de la
Méditerranée (ISEM) in Toulon, France. In 2000 he
joined the University of Provence where he became
Full Professor in 2005. In September 2007, Professor H.
Barthélemy joined the University of Sud-Toulon-Var,
France. Since 2005 he has been the managing director
of the Integrated Circuits Design Team at the Institut of
Matériaux Microélectronique and Nanosciences de
Provence (IM2NP). Hervé Barthélemy regularly serves as expert for the French
National Research Agency. He is the author or co-author of a number of
publications in international journals and conference proceeding. He has served
as track-chair for the IEEE NEWCAS, MIDWEST and ICECS conferences and
was also the technical program co-chair of NEWCAS in 2011. Between 2011
and 2013, he was an associated editor of the IEEE Trans. Circuits and Systems
II journal (TCAS II). Herve Barthélemy is the General chair of the next IEEE
ICECS 2014 international conference. His research interests are about analog
signal processing, CMOS-RF, instrumentation and wireless sensors.
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