Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Front-end électronique“

Afin de réaliser un appareil innovant pour la mesure de gaz polluants, la société SVS@CAP s’est associée avec le laboratoire de physique corpusculaire en 2009 pour la création du projet EREBUS. Ce projet a pour but la réalisation d’un ensemble de dispositifs sans fil permettant d’effectuer une surveillance de la concentration de gaz polluants. L’autonomie et la compacité d’un tel dispositif étant essentielles, la problématique principale porte sur la réduction de la consommation. A partir d’une première étude menée sur les différentes technologies existantes, les capteurs électrochimiques ont été identifiés comme les moins consommateurs d’énergie. Pour chacun des gaz cibles, un modèle électrique du capteur associé a été déterminé. A partir de ces modèles, une architecture dédiée et épurée a pu être déduite. Pour atteindre et même dépasser les objectifs de consommation, les efforts ont aussi été portés sur un dimensionnement avec la méthode gm/id. La réalisation de cette électronique intégrée a permis d’atteindre une consommation de l’ordre du μW pour chaque voie de mesure. Enfin, pour compléter la chaîne de lecture, plusieurs architectures de convertisseurs ont été étudiées et réalisées pour fonctionner à des fréquences déchantillonnage proches du Hz. Les consommations obtenues pour les convertisseurs sont limitées avec comme ordre de grandeur la centaine de nW
In order to realize an innovative product for pollutants in the atmosphere, SVS@CAP company started in 2009 the EUREBUS project in collaboration with the "Laboratoire de Physique Corpusculaire". The aim of this project is to design a wireless equipement to measure gas concentrations. The key issues of this project are concerning the autonomy as well as the small size of the product. In consequence an integrated and low power electronics remains essential. From a first study of the existing technologies to detect gaz concentrations, electrochemical sensors were selected because of their low power consumption. For each of the target gas, an electrical model was determined. From those models, a specific architecture was designed. A special effort was made on the energy consumption thanks to the use of the gm/id methodology which was necessary to achieve and exceed the specifications. The final order of the power consumption of the front-end developped and realized is around the μW. Finally, in order to complete the chain of acquisition, some architectures of analog to digital converter were studied, developped and realized with sample frequencies close to the Hz. The power consumptions of the converters developped are limited to the order of the hundreds of nW

L‘objectif de la thèse est la conception d’un front-end analogique RF large bande pour récepteurs cellulaires multistandard multi-mode. La principale limitation des récepteurs actuels par rapport à cet objectif est la nécessité d’un filtre SAW externe afin de protéger le LNA et le mélangeur des bloqueurs hors bande. Nous proposons dans cette thèse une technique de contre-réaction positive, basée sur la transposition de fréquences, qui permet un filtrage RF sélectif dès l’entrée du récepteur. Cette architecture diminue les contraintes de linéarité dès l’entrée du LNA. Ce filtrage est en plus reconfigurable en fréquence et en largeur de bande. Un circuit expérimental a été réalisé en technologie CMOS 65nm. La contre-réaction permet une amélioration de 17dB de l’IIP3 hors bande de l’amplificateur faible bruit. La fréquence centrale est accordable de 1,3GHz à 2,85GHz ; la consommation est de 30 mW pour un facteur de bruit maximal de 6,5dB
The aim of this thesis is the design of a wide-band RF analogue front-end for a cellular multi-standard and multiband receiver. The main limitation of receivers today is the need of external SAW filters to protect the LNA and mixer from out-of-band interferers. In this thesis we propose a new technique of positive feed-back which transposes the filters transfer function in RF. Thus, a selective RF filter is created in the LNA input to improve non-linearity performances of the receiver. This RF filter is also configurable in bandwidth and center frequency. An experimental prototype has been made in 65nm CMOS technology. The positive feed-back improves the LNA out-of-band IIP3 by 17dB. The center frequency is configurable from 1.3GHZ to 2.85GHz. Power consumption is of 30mW, while maximal NF is of 6.5dB

Afin de réaliser un appareil innovant pour la mesure de gaz polluants, la société SVS@CAP s'est associée avec le laboratoire de physique corpusculaire en 2009 pour la création du projet EREBUS. Ce projet a pour but la réalisation d'un ensemble de dispositifs sans fil permettant d'effectuer une surveillance de la concentration de gaz polluants. L'autonomie et la compacité d'un tel dispositif étant essentielles, la problématique principale porte sur la réduction de la consommation. A partir d'une première étude menée sur les différentes technologies existantes, les capteurs électrochimiques ont été identifiés comme les moins consommateurs d'énergie. Pour chacun des gaz cibles, un modèle électrique du capteur associé a été déterminé. A partir de ces modèles, une architecture dédiée et épurée a pu être déduite. Pour atteindre et même dépasser les objectifs de consommation, les efforts ont aussi été portés sur un dimensionnement avec la méthode gm/id. La réalisation de cette électronique intégrée a permis d'atteindre une consommation de l'ordre du microwatt pour chaque voie de mesure. Enfin, pour compléter la chaîne de lecture, plusieurs architectures de convertisseurs ont été étudiées et réalisées pour fonctionner à des fréquences d'échantillonnage proches du Hz. Les consommations obtenues pour les convertisseurs sont limitées avec comme ordre de grandeur la centaine de nW.

Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) est conçu comme l’expérience de rayons cosmiques de prochaine génération pour observer les particules hautement énergétiques au-dessus de 10²⁰ eV. Le projet est mené par RIKEN et soutenu par une collaboration de plus de 200 membres provenant de 13 pays. Cet observatoire, sous la forme d'un télescope fluorescent, sera arrimé à la Station Spatiale internationale (ISS) pour un lancement prévu en 2017. En observant les gerbes atmosphériques produites dans la troposphère, à une altitude de 400 km, cet observatoire de rayons cosmique offrira une grande surface de détection, qui est au moins 100 fois supérieur que le plus grand détecteur de rayons cosmiques jamais construit. La surface focale de JEM-EUSO sera équipée d'environ 5000 unités de photomultiplicateur multianode 8x8 pixels (MAPMT). Un circuit intégré (ASIC), connu sous le nom SPACIROC, a été proposé pour la lecture du MAPMT. Cet ASIC de 64 voies propose des fonctionnalités comme le comptage de photons, la mesure des charges et le transfert de données à haute vitesse. Par-dessus tout, cet ASIC doit peu consommé afin de respecter la contrainte de puissance de JEM-EUSO. Réalisé en utilisant la technologie AMS Silicium-Germanium (SiGe) 0,35 µm, cet ASIC intègre 64 canaux de comptage de photons rapides (Photon Counting). La résolution de temps pour le comptage de photons est de 30 ns, ce qui permettra d’atteindre la valeur maximale comptage qui est de l'ordre de 10⁷ photons / s. Le système de mesure de charge est basé sur le Time-Over-Threshold qui offre 8 canaux de mesure. Chaque canal de mesure est une somme des 8 pixels du MAPMT et il est prévu que ce système est capable de mesurer jusqu'à 200 pC. La partie numérique fonctionne en continu et gère la conversion des données de chaque voie des blocs de Photon Counting et Time-Over-Threshold. Les données numériques sont transmises par l'intermédiaire de liaisons parallèles dédiées et ces opérations sont effectuées pendant une fenêtre de communication ou « Gate Time Unit » (GTU) de fréquence 400 kHz. Le taux de transfert des données d’ASIC avoisine les 200 Mbps ou 576 bits / GTU. La dissipation de puissance est strictement inférieure à 1 mW par canal ou 64 mW pour l'ASIC. Le premier prototype de SPACIROC a été envoyé pour fabrication en Mars 2010 au Centre Multi Projet (CMP). Des puces nues et packagés ont été reçues en Octobre 2010, ce qui a débuté la phase de caractérisation de cet ASIC. Après une phase de test réussie, des puces SPACIROC ont été intégrés dans l'électronique frontale d'un instrument pour détecter les sursauts gamma - Ultra Fast Flash Observatoire (UFFO) qui va être lancé en 2013. Vers la fin de l'année 2012, des cartes électroniques frontales conçues autour des puces SPACIROC ont été fabriqués pour le projet EUSO-Balloon. Ce projet de vol en ballon stratosphérique à une altitude de 40 km servira comme le démonstrateur technologique et l'ingénierie d'un instrument miniaturisé JEM-EUSO. La deuxième génération de cet ASIC a été envoyée à la fonderie en Décembre 2011. Ce second prototype, SPACIROC2, a été testé à partir de mai 2012. Les principales améliorations sont les suivantes: la consommation d'énergie a été revue à la baisse, ainsi que l'amélioration de la résolution temporelle de Photon Counting et l'extension de la gamme dynamique pour le module Time-Over-Threshold. Les mesures en cours ont montré que SPACIROC2 présente un bon comportement général et apporte des améliorations par rapport à son prédécesseur
Extreme Universe Space Observatory on Japanese Experiment Module (JEM-EUSO) is conceived as the next generation cosmic rays experiment for observing the highly energetic particles above 5.10¹⁹ eV. The project is lead by RIKEN and supported by an active collaboration of more than 200 members from 13 countries. This observatory, in the shape of a wide field-of-view UV telescope, will be attached to the International Space Station (ISS) for a planned launch in 2017. Observing the Air Showers generated in troposphere from an altitude of 400 km, this space based cosmic rays experiment will offer a very large instantaneous detection surface, which is at least 100 times bigger than the largest land based cosmic rays observatory. The detection surface of JEM-EUSO will be equipped with around 5000 units of 8x8 pixels Multianode Photomultiplier (MAPMT). A radiation hardened mixed signal application-specific integrated circuit (ASIC), known as SPACIROC, has been proposed for reading out the MAPMT. This ASIC features 64-channel analog inputs, fast photon counting capabilities, charge measurements and high-speed data transfer. Above all, the power dissipation of this ASIC is required to be very low in order to comply with the strict power budget of JEM-EUSO. By taking the advantages of high speed AMS 0.35 µm Silicon-Germanium (SiGe) process, this ASIC integrates 64 fast Photon Counting channels. The photon counting time resolution is 30 ns, which allows the theoretical counting rate in the order of 10⁷ photons/s. The charge measurement system is based on Time-Over-Threshold which offers 8 measurement channels. Each measurement channel is composed of 8 pixels of the MAPMT and it is expected that this system will measure up to 200 pC. The digital part is then required to operate continuously and handles data conversion of each Photon Counting and Time-Over-Threshold channel. For the first version of this ASIC, one channel measurement channel for the dynode is also available. The digital data are transmitted via dedicated parallel communication links and within the defined Gate Time Unit (GTU) of 400 kHz frequency. The ASIC data output rate is in the vicinity of 200 Mbps or 576 bits/GTU. The power dissipation is kept strictly below 1 mW per channel or 64 mW for the ASIC. The first prototype of SPACIROC was sent for tapeout in March 2010 through Centre Multi Projet (CMP) prototyping services. The packaged ASICs and bare dies have been received in October 2010 which marked the characterization phase of this chip. After successful testing phase, SPACIROC chips were integrated into the front-end electronics of an instrument pathfinder for detecting the gamma ray bursts – Ultra Fast Flash Observatory (UFFO) which is foreseen to be launched in 2013. Towards the end of 2012, front-end board designed around SPACIROC chips have been fabricated for the EUSO-Balloon project. This balloon borne project will serve as a technical and engineering demonstrator of a fully miniaturized JEM-EUSO instrument which will be flown to the stratosphere at the altitude of 40 km. The second tapeout of this ASIC was done in December 2011. This second prototype, SPACIROC2, was tested from May 2012. The main improvements are as follows: lower power consumption due to better power management, enhancement in Photon Counting time resolution and extension the Time-Over-Threshold maximum input rate. The ongoing tests have shown that SPACIROC2 exhibits a good overall behavior and improvement compared to its predecessor

L’évolution des différentes générations de systèmes de télécommunications cellulaires a entraîné une complexité du frontal des terminaux mobiles caractérisés notamment par la multiplication des chaînes RF qui le constituent. Chaque chaîne est dédiée à un standard, ce qui n’est pas optimale ni du point de vue du coût, ni de l’encombrement. Afin d’optimiser les performances et la consommation du transmetteur radiofréquence, l’approche retenue dans cette thèse consiste à concevoir de façon globale différents blocs afin de partager les contraintes. Dans cette thèse, l’approche globale de la co-conception est organisée en deux sous études. Celles-ci sont destinées à terme à être intégrées dans un même frontal RF entièrement configurable.La première étude aborde la problématique de la conception conjointe entre une antenne et un amplificateur de puissance (PA) qui sont traditionnellement conçus séparément. Nous avons tout d’abord déterminé les spécifications de l’antenne permettant de maximiser le transfert d’énergie entre ces deux blocs. Ensuite, nous avons conçu l’antenne en partageant les contraintes d’impédance à la fois dans la bande utile et aux harmoniques entre cette dernière et le PA afin de relâcher les spécifications sur le réseau d’adaptation d’impédance. Cette approche permet de maintenir la linéarité du PA à des niveaux de puissances supérieures par rapport au cas où l’antenne est adaptée sur 50 Ω.La seconde étude s’intéresse à la conception conjointe d’antennes et de composants agiles. Nous avons réparti l’effort de miniaturisation et les pertes ohmiques associées entre la structure d’antenne et le composant agile (capacité commutable numériquement). Les développements présentés se sont appuyés sur des simulations électromagnétiques, des modélisations, des caractérisations système (linéarité et temps de commutation) et des mesures en rayonnement (efficacité) de prototypes d’antennes miniatures dans les bandes basses 4G. Nos études ont abouti à la conception d’une antenne fente reconfigurable fonctionnant sur la bande instantanée maximale autorisée par la 4G. Pour une intégration sur smartphone, l’élément rayonnant n’occupe que 18 x 3 mm2 de surface soit λ_0/30×λ_0/180 à 560 MHz. La fréquence de résonance de l’antenne varie entre 560 MHz et 1.03 GHz et l’efficacité totale varie entre 50% et 4%. Un banc de mesure de la linéarité a été implémenté afin d’évaluer la linéarité des antennes agiles. La spécification de linéarité exigée par le standard est maintenu jusqu’à une puissance de 22 dBm
The recent development of cellular communication standards has led to an increasing RF front-end complexity due to the ever increasing number of RF needed paths. Each RF path is dedicated to a frequency bands group which might not be optimal for cost and occupied space area. Consequently, in order to optimize the RF performances and energy consumption, the approach used in this thesis is to share the constraints between the PA and the antenna of the front-end: this is called co-design. In this thesis, the considered co-design approach is twofold and in near future both results should be simultaneously considered and integrated into one fully reconfigurable RF front-end design.The first study addresses the co-design of an antenna and its associated power amplifier (PA), which are traditionally designed separately. We first determine the antenna impedance specifications to maximize the tradeoff between the energy transfer and PA linearity. Then, we propose to remove the impedance matching network between antenna and PA, while demonstrating that a low impedance antenna can maintain the RF performances. Contrarily to the classical approach where the antenna is matched to 50 Ω, the proposed co-design shows the possibility to keep the linearity of the PA even for high power levels (> 20 dBm).The second study focuses on the co-design of an antenna and tunable components. We are sharing the miniaturization effort and the resistive losses between the antenna structure and the tunable capacitor (DTC). The achieved developments are based on electromagnetic simulations, modeling, system characterization (linearity and switching time) and radiation measurements (efficiency) of miniature reconfigurable antenna prototypes in the 4G low bands. The considered studies have led to the design of a frequency reconfigurable antenna addressing the maximum instantaneous available bandwidth authorized by 4G. The radiator occupies only 18 x 3 mm2 (λ0/30 x λ0/180 at 560 MHz), and thus it is extremely suitable for a possible integration onto smartphones. The antenna resonance frequency is tuned between 560 MHz and 1030 MHz and the total efficiency varies between 50% and 4%. For the first time, the impact of SOI DTC implemented on the antenna radiating structure on linearity is measured with a dedicated test bench. The linearity specified by 4G is maintained up to 22 dBm of transmitted power

Électromagnétisme, sécurité et guerre électronique sont étroitement liés depuis des décennies. Leur association rassemble des applications de surveillance radar, de neutralisation de systèmes électroniques ou de détection d’électroniques cachées. Aujourd’hui, la multiplication des EEI (Engins Explosifs Improvisés) aussi bien sur les théâtres d’opération que dans les milieux urbains conduit à la nécessité de leur détection. Les travaux de cette thèse peuvent entrer dans cette thématique et proposent une nouvelle alternative qui permet de mettre en évidence la présence de récepteurs RF cachés. Le radar non-linéaire est particulièrement adapté à la détection de dispositifs contenant des métaux et des semi-conducteurs (électroniques). Une technique populaire consiste à transmettre une seule fréquence f1 et à recevoir la seconde harmonique générée par la cible. Une autre technique, moins courante, consiste à transmettre deux fréquences, f1 et f2, et à recevoir les produits d'intermodulation d’ordre 3 (2f1 - f2 et 2f2 - f1). Un état de l’art approfondi des systèmes radars non-linéaires est effectué dans un premier chapitre avec une comparaison de leurs caractéristiques. Dans un second chapitre, un banc de test en mode conduit est développé permettant la mesure de l’IM3 réfléchi d’une cible RF. Ainsi des analyses et des ordres de grandeurs seront connus aidant au développement du radar. Dans le chapitre 3, Le démonstrateur du radar à IM3 est développé. Un large panel de systèmes RF, commerciaux ou non, susceptibles d’être trouvé dans des milieux opérationnels est mis sous test. Leur détection va permettre de valider la technique de récupération de l’IM3. Un nouveau bilan de liaison réaliste du radar IM3 est mis en place afin d’estimer la portée de détection réelle du radar, pour différentes cibles RF. Dans le dernier chapitre les travaux s’orientent sur l’identification et la classification d’une cible RF. L’étude porte sur la possibilité d’extraire tous paramètres pouvant aider à une classification (évaluation du danger) de récepteurs RF dans un milieu opérationnel. Le travail de recherche présenté dans ce manuscrit contribue à l’amélioration des techniques de détection d’électroniques cachées. Un protocole de détection a été proposé décrivant les faits et gestes du radar IM3. Il inclut un balayage en fréquence puis en puissance. Les premiers tests ont été effectués sur un Talkie-Walkie démontrant la possibilité de détecter sa bande passante via la réémission d’IM3, à plus de 2 m. La répétabilité des tests sur un panel élargi de récepteurs RF valide le protocole de détection et l’intérêt du radar IM3. Une puissance d’émission du radar IM3 de 40 dBm, à une fréquence d’IM3 de 400 MHz, peut potentiellement détecter un récepteur à 80 m. Enfin dans un dernier travail exploratoire nous avons démontré que, par l’observation de la réponse de l’IM3 réfléchi suite à un balayage en puissance, le radar IM3 peut ajouter de nouveaux critères d’identification discriminant les récepteurs détectés entre eux
Electromagnetism, security and electronic warfare have been closely linked for decades. Their association gathers applications of radar surveillance, neutralization of electronic systems or detection of hidden electronics. Today, the multiplication of IEDs (Improvised Explosive Devices) both in theatres of operation and in urban environments leads to the need for their detection. The works of this thesis can enter into this theme and propose a new alternative that allows to highlight the presence of hidden RF receivers. The nonlinear radar is particularly suitable for detecting devices containing metals and (electronic) semiconductors. A popular technique is to transmit a single frequency f1 and receive the second harmonic generated by the target. Another less common technique consists of transmitting two frequencies, f1 and f2, and receiving intermodulation products of order 3 (2f1 - f2 and 2f2 - f1). An in-depth state of the art of nonlinear radar systems is made in a first chapter with a comparison of their characteristics. In a second chapter, an inductive test bench is developed to measure the reflected IM3 of an RF target. Thus analyses and orders of magnitude will be known helping the development of radar. In chapter 3, the IM3 radar demonstrator is developed. A wide range of RF systems, commercial and non-commercial, that may be found in operational environments are being tested. Their detection will validate the IM3 recovery technique. A new realistic IM3 radar link budget is implemented to estimate the actual radar detection range for different RF targets. In the last chapter the work focuses on the identification and classification of an RF target. The study focuses on the possibility of extracting all parameters to assist in a classification (hazard assessment) of RF receptors in an operational environment. The research work presented in this manuscript contributes to the improvement of hidden electronic detection techniques. A detection protocol was proposed describing the actions of the IM3 radar. It includes a frequency scan and then a power scan. The first tests were carried out on a walkie-talkie demonstrating the possibility of detecting its bandwidth via IM3 retransmission, at more than 2 m. The repeatability of the tests on an extended panel of RF receivers validates the detection protocol and the interest of the IM3 radar. An IM3 radar transmission power of 40 dBm, at an IM3 frequency of 400 MHz, can potentially detect a receiver at 80 m. Finally in a final exploratory work, we demonstrated that by observing the IM3 response reflected following a power scan the IM3 radar can add new identification criteria that discriminate the hidden receivers detected between them

Cette thèse explore la physique des baryons beaux dans le cadre de l'expérience LHCb. L'axe de recherche considéré porte sur les désintégrations Lambda0_b –> Lambda0 V avec V un méson vecteur tel que J/Psi(mu+mu-), phi(K+K-), omega(pi+pi-pi0) ou encore le mélange rho0-omega0(pi+pi-). Ces processus offrent la possibilité de tester la symétrie CP, dans un secteur (celui des baryons) où aucune violation n'a été observée, et la symétrie T, dont les preuves de sa violation sont limitées. Parmi les autres perspectives envisageables, une mesure précise du temps de vie du Lambda0_b pourrait contribuer à la résolution du puzzle théorico-expérimental aujourd'hui observé. Un modèle phénoménologique des désintégrations Lambda0_b –> Lambda0 V a été développé, à partir duquel les rapports d'embranchement et les distributions angulaires ont été estimés. Une étude approfondie de la reconstruction et de la sélection de ces réactions par le détecteur LHCb montre que le canal Lambda0_b –> Lambda0 J/Psi est le canal phare sur le plan statistique et pureté du signal. La mesure du temps de vie du Lambda0_b est le résultat le plus rapidement accessible ; les contraintes sur les asymétries dues à la violation de CP et la violation de T nécessitent plusieurs années de prise de données, avant d'obtenir un résultat significatif. En outre, un travail instrumental a été mené sur l'électronique de lecture, dite Front-End, des canaux du détecteur de pied de gerbe de l'expérience. Cette contribution comprend la validation des cartes électroniques prototypes et la mise en place des outils requis pour la qualification des 100 cartes de production.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la modélisation des circuits analogiques et mixtes.Le travail part d’une problématique industrielle concernant les circuits électroniques utilisés dansles systèmes de forage pétrolier pour des besoins d’instrumentation et mesures. Ce travail de recherche concerne les circuits du front-end analogique que nous trouvons dans cette application industrielle. Nous examinons et nous essayons de trouver des modèles pour décrire l’effet des hautes températures sur les circuits électroniques dans un forage pétrolier. Ces circuits font partie des circuits industriels conventionnels. Ils ont généralement une température maximale de fonctionnement qui ne dépasse pas 125°C. Même si la température modifie le comportement de ces circuits, il existe des techniques d’adaptation qui permettent de compenser l’effet de la température sur ces circuits. Cependant, pour bien réussir la phase de la conception, il faut d’abord bien caractériser le comportement des différents circuits industriels utilisés en haute température. Il faut également trouver des modèles exacts qui décrivent le comportement de ces circuits en haute température. Or nous savons que la majorité des circuits industriels analogiques et mixtes sont décrits par des modèles de type SPICE. Par un choix de l’entreprise Schlumberger, notre partenaire industriel qui a financé ce travail, nous nous sommes intéressés dans notre étude à un composantspécifique présent dans la majorité des circuits analogiques et mixtes d’instrumentation :l’amplificateur opérationnel (l’AOP).Le travail commence par une étude des spécifications du circuit ainsi que le modèle SPICE.Une étude de la structure de ce modèle et sa simulation ont montré la non-précision du modèle audelàde 125°C. L’étude de validité du modèle a concerné le paramètre de la tension de décalage etle paramètre taux de rejection du mode commun. Nous avons interprété la différence des résultatsentre les mesures et la simulation de la tension de décalage. Nous avons constaté la limitation quereprésente l’approche structurelle par modélisation SPICE. Pour cette raison, nous avonssélectionné l’approche de modélisation comportementale pour les différents avantages qu’elleprésente. Ces avantages répondent à nos besoins et conviennent les mesures qui ont été effectuées.Nous avons sélectionné le langage VHDL-AMS et l’environnement Cadence ADVanceMS. Pourdéveloppé les modèles, nous avons alors énuméré les différents paramètres de performance d’unAOP. Nous avons validé la représentation de chaque paramètre par un circuit de test approprié.Dans un deuxième temps, nous avons approximé la variation de ces paramètres en température pardes équations polynomiales et exponentielles pour développer le modèle précis en HT. Le modèlea été validé par un circuit de test similaire au circuit expérimental. De bons résultats ont ététrouvés. L’erreur moyenne entre simulation VHDL-AMS et mesures n’a pas dépassé 3,11%. Dansle denier chapitre, nous avons simulé des circuits d’une chaine d’instrumentation. Nous avonssimulé l’effet de la température sur un capteur piézo-résistif (pont de Wheatstone). Trois architectures d’un amplificateur d’instrumentation ont été également modélisées e en se basant surle modèle VHD-AMS de l’AOP
This work is dealing with the modelling of analogue and mixed signal circuits. Moreprecisely, we focus on modelling the circuits of an analogue front-end which is used in down-holedrilling industry for instrumentation and measurement purposes. This research had as a goal tomodel the temperature increasing effect in the behaviour of each circuit of the considered frontend.The studied circuits belong to the family of “conventional” circuits. Most of these circuitsoperate in a temperature which does not exceed 125°C. Even if the behaviour of the circuit changesdue to an increasing of the temperature, there are some well-know techniques that enable thecompensation of such effects. However, in order to obtain a precise simulation in the design phase,it is very important to have accurate models that describe the temperature increasing effect. Asmost of the commercial circuits models are written in SPICE, it is necessary first to review theaccuracy of SPICE models in high temperature (HT). This work focus on a specific circuit: theoperational amplifier (opamp). This device is present in many instrumentation circuits. Obtainingan accurate op-amp model in HT will help us develop accurate models of these circuits byconsidering their architectural description which is based on the opamp model.The work starts with the study of the structure of the SPICE model of the considered opamp.This study enables us to confirm the non-validity of the SPICE model in HT. The validity studyconsists in comparing the SPCE simulation results of two parameters (the voltage offset and thecommon mode rejection ratio) to measurement results. Moreover, we present an interpretation tothe difference that was observed in this comparison. After comparing different modellingapproaches, we select the behavioural modelling one. The VHDL-AMS was used to develop thenew precise opamp model in HT. The simulation is performance in Cadence/ADVanceMSenvironment. The representation of each opamp parameter is validated by a specific circuit. Thismodel is developed in two steps. In the first step, we develop an opamp model in which there is noconsideration of the temperature effect. In the second step, dependence of each parameter to thetemperature is described by a polynomial or exponential function. This function is the result of thefitting process of the measurement results. These equations are inserted in the VHDL-AMS model.All parameters are again validated in each temperature. The test-circuit is the same circuit used inthe experimental test of the opamp parameters. The average error between measurement andsimulation does not exceed 3.11%. In the last chapter, we simulate some circuits of the theanalogue front-end of an acquisition system. We simulate for example the effect of the temperatureeffect on the accuracy of a Wheatstone bridge. Three architecture of an instrumentation amplifierwere also modelled and simulated in different temperature of [20°C, 220°C] in the basis of thedeveloped opamp model

Le sujet de ma thèse est la conception d’ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) mixtes durcis aux radiations pour observatoires spatiaux. La thèse se déroule dans le contexte d'un futur observatoire spatial à rayons X de l’ESA, se nomme « Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA) ». Les ASICs développés appartiennent à l'un des deux instruments scientifiques de cet observatoire, s’appelle « X-ray Integral Field Unit (X-IFU) », et sont dédiés à l'un des sous-systèmes de l'instrument X-IFU, le WFEE (Warm Front End Electronics).Le WFEE est un système électronique mixte comprenant principalement un amplificateur à bas bruit (LNA), un circuit de polarisation configurable pour SQUIDs, un buffer et un thermomètre. Par conséquent, mes travaux de thèse sont composés de deux parties: la partie numérique et la partie analogique.Mes contributions aux circuits numériques du WFEE sont présentées dans « Part III » de ma thèse. Elles comprennent la conception d'une nouvelle librairie des portes logiques numériques durcies aux radiations et la création d'un nouveau décodeur I2C avec ses schémas et layouts optimisés, en utilisant ma nouvelle librairie numérique. Les résultats représentatifs des essais de radiation sur les composants et les registres à 8-bit avec une telle conception durcie aux radiations sont également discutés dans « Part III » de ma thèse. Tous les circuits numériques dans les deux nouveaux ASICs «AwaXe_v2» et «AwaXe_v2.5» sont constitués de cette nouvelle librairie numérique durcie aux radiations, ainsi que ceux dans les futurs ASICs. Les décodeurs I2C optimisés ont prouvé un bon fonctionnement, testés avec les autres circuits intégrés dans «AwaXe_v2» et «AwaXe_v2.5».Mes contributions sur les circuits analogiques du WFEE sont présentées dans « Part IV ». Elles comprennent la conception d'un LNA, d'un buffer, d'une référence de courant et d'un convertisseur numérique-analogique (DAC). Le LNA est essentiel pour atteindre la résolution spectrale élevée sans précédent de 2,5 eV proposée par l'instrument X-IFU. Il a une conception originale, intégrée dans les ASICs v2 et v2.5. Il a été entièrement testée et a donné des résultats satisfaisants et cohérents. Ses performances ont été prouvées expérimentalement pour répondre à toutes les spécifications requises par le CNES. Fonctionnant dans la bande de fréquence de 1-5 MHz, il fournit un gain de tension super-linéaire de 85 V/V, une large bande passante de -1 dB à 17,5 MHz et une faible dérive de gain <350 ppm/K. Il réalise un très faible bruit à tension ≈ 0,8 nV/√Hz à l’entrée, ainsi qu’une faible fréquence de coupure de bruit 1/f <4 kHz, un bon PSRR et un bon CMRR. Le buffer utilise une conception similaire à celle du LNA et a besoin plus d’études dans les travaux futurs. La référence de courant a été entièrement testée avec une sortie de 1 mA. Grâce à sa conception originale, qui compense les références CTAT et PTAT, elle est capable de fournir un courant super stable, indépendant de la température, parfaite pour la polarisation de SQUID. Enfin, j'ai également développé un DAC à 8-bit pour la polarisation de SQUID. 8 DACs, une référence de courant et un bus série composent un circuit complet de la polarisation de SQUID d’un canal WFEE. Ce circuit a été intégré dans l’ASIC «AwaXe_v2.5» et a donné un bon résultat lors de la première mesure.En conclusion, ma thèse a produit deux ASICs pour le WFEE: «AwaXe_v2» et «AwaXe_v2.5». Les deux ASICs montrent de bonnes performances. En particulier, le dernier ASIC intègre tous les composants d'un canal WFEE, ce qui peut être considéré comme un prototype. Ainsi, il est un bon représentant de mes travaux de la thèse. En outre, les performances élevées du LNA et de la référence de courant aussi montrent le potentiel pour s’adapter à d’autres missions scientifiques similaires
The subject of my thesis is the development of radiation-hardened mixed-signal Application-Specific Integrated Circuits (ASICs) for space observatories. The thesis takes place in the context of a future X-ray space observatory of the European Space Agency, named Advanced Telescope for High ENergy Astrophysics (ATHENA). The ASICs developed belong to one of the two scientific instruments of the observatory, called X-ray Integral Field Unit (X-IFU) and are dedicated to one of the subsystems of the X-IFU instrument, the WFEE (Warm Front End Electronics).The WFEE is a mixed electronic system, mainly including a Low Noise Amplifier (LNA), a configurable SQUID bias, a buffer and a thermometer. Consequently, my thesis work is composed of two parts: the digital part and the analogue part.My contributions to the digital microelectronics of the WFEE are presented in Part III of my thesis. It includes the design of a new radiation-hardened digital library and the creation of a new I2C decoder with optimised schematic and layout, made of my new digital library. The representative radiation assessment results concerning the components and 8-bit registers with such radiation-hardened design are also discussed in Part III of the thesis. All the digital circuits of the two new ASICs “AwaXe_v2” and “AwaXe_v2.5” are made of this new radiation-hardened digital library, as well as those in the future ASICs. The optimised I2C decoders have been proved a good functioning along with the other circuits, integrated into the “AwaXe_v2” and “AwaXe_v2.5”.My contributions on the analogue circuits of the WFEE are presented in Part IV. It includes the design of an LNA, a buffer, a current reference and a Digital-to-Analog Converter (DAC). The LNA is critical for fulfilling the unprecedented high spectral resolution of 2.5 eV proposed by the X-IFU instrument. Its original design has been integrated into the ASICs v2 and v2.5, both fully tested and showing satisfying and coherent results. Its performance has been experimentally proved to fulfil all the specifications required by the CNES. Operating within the frequency band of 1-5 MHz, it provides a super-linear voltage gain of 85 V/V, with a large bandwidth of −1 dB up to 17.5 MHz and a low gain drift < 350 ppm/K. It realises an ultra-low voltage noise ≈ 0.8 nV/√Hz at the input, as well as a low 1/f noise corner frequency < 4 kHz, a good PSRR and CMRR. The buffer uses a similar design as the LNA and needs to be further studied in future work. The current reference has been fully tested with an output of 1 mA. Thanks to its original design compensating a CTAT and a PTAT reference, it has been proved to be capable of providing a super-stable temperature independent current, perfect for the SQUID bias. At last, I have also developed an 8-bit DAC for the SQUID bias. 8 DACs along with a current reference and a series bus compose a complete SQUID bias of one WFEE channel. This circuit has been integrated into the ASIC “AwaXe_v2.5” and showed a good result for the first measurement.In conclusion, my thesis has yielded two ASICs for the WFEE: “AwaXe_v2” and “AwaXe_v2.5”. Both ASICs show good performance. In particular, the last ASIC integrates all the components of one WFEE channel, which can be considered as a prototype. Thus, it is a good representative of my work. Moreover, the high performance of the LNA and the current reference also give them the potential to adapt with other similar scientific missions

Le travail présenté dans ce manuscrit a été effectué au sein de l’équipe de microélectronique de l’Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers (IRFU) du CEA. Il s’inscrit dans le contexte de la spectro-imagerie X et gamma pour la recherche en Astrophysique. Dans ce domaine, les futures expériences embarquées à bords de satellites nécessiteront des instruments d’imagerie à très hautes résolutions spatiales et énergétiques.La résolution spectrale d’une gamma-camera est dégradée par l’imperfection du détecteur lors de l’interaction photon-matière lui-même et par le bruit électronique. Si on ne peut réduire l’imprécision de conversion photon-charge du détecteur, on peut minimiser le bruit apporté par l’électronique de lecture. L’objectif de cette thèse est la conception d’une électronique intégrée de lecture de détecteur semi-conducteurs CdTe pixélisés pour gamma-caméra(s) compacte(s) et aboutable(s) sur 4 côtés à résolution spatiale « Fano limitée ». Les objectifs principaux de ce circuit intégré sont: un très bas bruit pour la mesure d’énergie des rayons-X, une très basse consommation, et une taille de canal de détection adaptée au pas des pixels CdTe. Pour concevoir une telle électronique, chaque paramètre contribuant au bruit doit être optimisé. L’hybridation entre l’électronique de lecture et le détecteur est également un paramètre clef qui fait généralement la résolution finale de l’instrument : en imposant une géométrie matricielle à l’ASIC adaptée au pas de 300 µm des pixels de CdTe, on peut espérer, réduire d’un facteur 10 la capacité parasite amenée par la connexion détecteur-électronique et améliorer d’autant le bruit électronique tout en conservant une densité de puissance constante. Une bonne connaissance des propriétés du détecteur nous permet alors d’extraire ses paramètres électroniques clefs pour concevoir l’architecture électronique de conversion et de filtrage optimale. Dans le cadre de cette thèse j’ai conçu deux circuits intégrés en technologies CMOS XFAB 0.18 µm. Le premier, Caterpylar, est destiné à caractériser cette nouvelle technologie, y compris en radiation, identifier un étage d’entrée pour le pixel adapté au détecteur, et valider par la mesure les résultats théoriques établis sur deux architectures de filtrage, semi gaussien et « Multi-Correlated Double Sampling » (MCDS), approchant l’efficacité du filtrage optimal et adaptées aux applications finales. Le deuxième circuit, D2R1, est un système complet, constitué de 256 canaux de lecture de détecteur CdTe, organisés dans une matrice de 16×16 pixels. Chaque canal comprend un préamplificateur de charge adapté à des pixels de 300 μm×300 μm, un opérateur de filtrage de type MCDS de profondeur programmable, d’un discriminateur auto-déclenché à bas seuil de détection programmable par canal. L’ASIC a été caractérisé sans détecteur et est en voie d’être hybridé à une matrice de CdTe très prochainement. Les résultats de caractérisations de la puce nue, en particulier en terme de produit puissance × bruit, sont excellents. La consommation de la puce est de 315 µW/ canal, la charge équivalente de bruit mesurée sur tous les canaux est de 29 électrons rms. Ces résultats valident le choix d’intégration d’un filtrage de type MCDS, qui est, à notre connaissance une première mondiale pour la lecture de détecteurs CdTe. Par ailleurs, ils nous permettent d’envisager d’excellentes résolutions spectrales de l’ensemble détecteur+ASIC, de l’ordre de 600 eV FWHM à 60 keV
The work presented in this thesis is part of a project where a new instrument is developed: a camera for hard X-rays imaging spectroscopy. It is dedicated to fundamental research for observations in astrophysics, at wavelengths which can only be observed using space-borne instruments. In this domain the spectroscopic accuracy as well as the imaging details are of high importance. This work has been realized at CEA/IRFU (Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l’Univers), which has a long-standing and successful experience in instruments for high energy physics and space physics instrumentation. The objective of this thesis is the design of the readout electronics for a pixelated CdTe detector, suitable for a stacked assembly. The principal parameters of this integrated circuit are a very low noise for reaching a good accuracy in X-ray energy measurement, very low power consumption, a critical parameter in space-borne applications, and a small dead area for the full system combining the detector and the readout electronics. In this work I have studied the limits of these three parameters in order to optimize the circuit.In terms of the spectral resolution, two categories of noise had to be distinguished to determine the final performance. The first is the Fano noise limit. related to detector interaction statistics, which cannot be eliminated. The second is the electronic noise, also unavoidable; however it can be minimized through optimization of the detection chain. Within the detector, establishing a small pixel pitch of 300 μm reduces the input capacitance and the dark current. This limits the effects of the electronic noise. Also in order to limit the input capacitance the future camera is designed as a stacked assembly of the detector with the readout ASIC. This allows to reach extremely good input parameters seen by the readout electronics: a capacitance in range of 0.3 pF - 1 pF and a dark current below 5 pA.In the frame of this thesis I have designed two ASICs. The first one, Caterpylar, is a testchip, which enables the characterization of differently dimensioned CSA circuits to choose the most suitable one for the final application. It is optimized for readout of the target CdTe detector with 300 μm pixel pitch and the corresponding input parameters. With this circuit I have also analyzed possible filtering methods, in particular the semi-Gaussian shaping and the Multi-Correlated Double Sampling (MCDS). Their comparison is preceded by the theoretical analysis of these shapers. The second ASIC D2R1 is a complete readout circuit, containing 256 channels to readout CdTe detector with the same number of pixels, arranged in 16×16 array. Each channel fits into a layout area of 300 μm × 300 μm. It is based on the MCDS processing with self-triggering capabilities. The mean electronic noise measured over all channels is 29 electrons rms when characterized without the detector. The corresponding power consumption is 315 μW⁄channel. With these results the future measurements with the detector give prospects for reaching an FWHM spectral resolution in the order of 600 eV at 60 keV