Literatura académica sobre el tema "Circuits électroniques – Bruit – Mesure"

Les étudiants en conception de circuits intégrés analogiques doivent maîtriser le fonctionnement du transistor MOS. Ceci passe par une compréhension approfondie des modèles compacts des transistors utilisés pour dimensionner et simuler les circuits, et demande un fort investissement en physique du semi-conducteur. Afin de motiver les étudiants du Master Systèmes Microélectroniques de l’Université de Strasbourg, leur cours de modélisation des composants est relié à leur stage de fabrication de transistors NMOS au Centre Interuniversitaire de Micro-Electronique et Nanotechnologies de Grenoble en leur proposant de modéliser et simuler par éléments finis les transistors qu’ils ont fabriqués. Le cours théorique établit le modèle compact et les travaux pratiques permettent de simuler les caractéristiques I-V des transistors à partir desquelles les étudiants extraient les paramètres électriques du modèle. En parallèle, les étudiants caractérisent les transistors qu’ils ont fabriqués et en déduisent par mesure les paramètres électriques qui sont comparés aux paramètres extraits des simulations. Dans cet article, nous décrivons le déroulé des enseignements que nous avons mis en place, depuis la fabrication jusqu’à l’extraction des paramètres afin de montrer la cohérence d’ensemble qui est un vrai atout pour motiver les étudiants à s’investir en physique du semi-conducteur et modélisation des composants électroniques intégrés.

Ce travail a pour objectif la conception et la realisation d'un adaptateur electronique programmable miniature destine aux mesures sous pointes de facteurs de bruit d'elements ou de circuits actifs microondes par la methode dite des impedances multiples. La topologie de cet adaptateur est basee sur le principe de commutation de stubs au moyen de diodes p. I. N. Une analyse comparative du bruit thermique et du bruit de grenaille a permis de minimiser ce dernier et d'aboutir ainsi a une configuration optimale de l'adaptateur. Cette etude s'est concretisee par la realisation d'un adaptateur electronique et d'une alimentation programmable pour polariser les diodes. Afin de valider notre systeme, des mesures de facteur de bruit d'un tec en puce et d'un amplificateur en technologie mmic disponibles a l'ircom ont ete menees a bien a l'aide d'une station de test sous pointes

Le fonctionnement de la tetrode mos est analyse suivant les quatre modes de polarisation possibles. De la mesure des caracteristiques courant-tension, des conductances et transconductances est deduit le schema equivalent basse frequence utilise lors de la caracterisation en bruit de fond. Celle-ci porte sur l'etude theorique et experimentale du bruit du canal et du facteur de bruit en fonction de la frequence et de la polarisation. Les resultats sont interpretes compte tenu du comportement au premier ordre du composant. On en deduit l'optimisation du fonctionnement correspondant a un gain maximum et a un facteur de bruit minimum

Le travail de cette thèse a été réalisé dans le cadre d’un contrat CIFFRE entre le laboratoire GREYC et l’entreprise Inphynix. L’objectif est l’étude et le développement de magnétomètres à hautes performances à base bobines de capture, et des conditionneurs associés, avec une perspective de mesure mixte des champs électrique E et magnétique H. Le cahier de charge du magnétomètre exige une grande bande passante, une grande dynamique et un faible encombrement. L’étude analytique, numérique et expérimentale de bobines de captures compactes dédiées à la magnétométrie a été réalisée. La résolution spatiale pour des bobines de différentes formes géométriques a été étudiée. Des conditionneurs différentiels amplificateur de courant ou à transconductance optimisés pour ce type d’utilisation ont été étudiés et modélisés en particulier pour la composante différentielle du signal et en bruit. Un magnétomètre original à base de deux bobines différentielles, couplées et fonctionnant en mode flux, connectées à un amplificateur à transimpédance a été développé. Les avantages d’utilisation des bobines couplés par rapport à deux bobines de captures séparées ont été démontrés : un volume réduit, une meilleure résolution spatiale, une amélioration des performances en bruit et une amélioration d’un facteur deux de la fréquence de coupure basse. La structure d’un capteur de champ mixte E-H original et son conditionneur ont été définis. Mot clés : Bobine de capture, Magnétomètre, Amplificateur à transimpédance, Amplificateur de courant différentiel, Résolution spatiale, Sonde mixte champ électrique –champ magnétique
This PhD thesis was carried out in the framework of a contract CIFRE between the GREYC laboratory and the company Inphynix. The objective is the study and development of high performance magnetometers, based on search coils and associated transimpedance amplifier with a perspective of simultaneous measurement of both Electric E and Magnetic H fields. The magnetometer specifications were a high bandwidth, a high dynamic range and a small volume occupancy. A theoretical and experimental study of compact search coils dedicated were performed. The spatial resolution for search coils with different geometrical forms was studied. Differential current amplifiers and transimpedance amplifiers optimized for this application were studied especially for differential signal mode transfer and noise. An original differential search coil based magnetometer, made of coupled coils, operating in flux mode and connected to a differential transimpedance amplifier has been developed. It was shown that this structure is better than two separated coils in terms of volume occupancy, spatial resolution, noise and low cut-off frequency. The structure of an original mixed E-H field sensor and its amplifier has been defined. Key words: Search coil sensor, Magnetometer, Transimpedance amplifier, Differentiel current amplifier, Spatial resolution, mixed E-H field sensor

Le travail présenté dans cette thèse est centré sur l'étude du bruit hyperfréquence lorsque les composants et circuits actifs sont soumis à de forts signaux. Ceci peut être le cas des amplificateurs faible bruit utilisés dans les récepteurs large bande qui seront désensibilisés. Les mélangeurs et les oscillateurs sont aussi à considérer. La première partie de cette thèse est consacrée à la présentation d'un modèle comportemental permettant de prévoir notamment l'interaction entre un signal sinusoïdal et un bruit blanc. Le modèle théorique est confronté avec des mesures effectuées pour différentes conditions de fonctionnement et l'accord obtenu est satisfaisant. Plusieurs amplificateurs sont ainsi comparés et le modèle comportemental est utilisé pour étudier leur bruit propre. La seconde partie aborde les techniques de mesure développées au cours de nos travaux pour mesurer le facteur de bruit et les paramètres de bruit de dispositifs micro-ondes en présence d'un fort signal. Nous proposons ensuite une méthode originale permettant de déterminer les quatre paramètres de bruit de transistors et d'amplificateurs fonctionnant en régime non-linéaire. Les résultats obtenus sont comparés de manière indirecte avec des mesures de bruit de phase résiduel. La dernière partie concerne la conception d'amplificateurs faible bruit en régime de fonctionnement non-linéaire. Différents transistors bipolaires sur silicium ont ainsi été caractérisés et un facteur de mérite a été trouvé de manière à choisir le meilleur composant en terme de facteur de bruit et de linéarité. Finalement les résultats de simulation démontrent l'intérêt de concevoir des circuits faible bruit qui fonctionnent en régime fortement non-linéaire
This work deals with the study on high frequency noise when components and active circuits are working under large signal conditions. It could be the case for broadband receivers fitted with low noise amplifiers, which are desensitized by blocking signals. Mixers and oscillators are also under consideration. Firstly, a behavioural modelling is described and allows us to point out the interaction of white noise with a sinusoidal signal. The theoretical model is compared to several conditions of operation, and we obtained satisfying agreements. Many amplifiers are tested and compared; at least, the behavioural modelling is used to study their additive noise. The second part is dedicated to measurement techniques we have developed for this work. We are capable to measure noise figure and noise parameters of microwave active devices functioning with strong power signals. We also propose an original method which provides the four noise parameters of discrete components or amplifiers working under large signal condition. The results we have found are indirectly compared to residual phase noise measurements. After all, the last part affects the design of low noise amplifiers working under nonlinear condition. Various silicon bipolar transistors have been characterized, and a figure of merit have been set in order to find the best component taking into account noise figure and linearity. Finally, simulations and experimental results demonstrate the interest of designing circuits working under strong nonlinear regime

Cette thèse présente tout d'abord le travail effectué sur la modélisation non-linéaire et en bruit d'amplificateurs micro-ondes appliquée à la conception d'oscillateurs à très haute pureté spectrale. Les composants actifs faisant l'objet d'une caractérisation en bruit en régime nonlin éaire et d'une optimisation en bruit de phase, sont des transistors SiGe. Le but de ce travail est principalement de comprendre comment modéliser le bruit dans ces transistors en fonctionnement non-linéaire afin de calculer de fa¸con précise le niveau de bruit de phase des amplificateurs utilisés dans une boucle d'oscillation. Cette modélisation fine nous permet de concevoir un amplificateur en bande X présentant une performance en bruit de phase très intéressante pour une application d'oscillateur. De plus, la topologie utilisée pour cet amplificateur est des plus simples car n'utilisant que deux transistors en cascade. Nous obtenons ainsi un très bon compromis gain/bruit de phase. Un autre problème concerne l'application de ces mêmes techniques de caractérisation et de modélisation aux résonateurs FBAR et SMR. Ces résonateurs sont utilisés depuis peu pour la réalisation de sources hyperfréquences intégrées de grande qualité. Ils apportent cependant leur propre contribution de bruit au système, et doivent faire l'objet d'une approche de modélisation non-linéaire et en bruit. Ce manuscrit de thèse présente tout d'abord les différentes techniques de mesure de bruit des composants actifs, qu'il s'agisse de transistors ou encore de résonateurs intégrés. Il décrit ensuite des techniques de modélisation de composants en régime non-linéaire, incluant les sources de bruit. La conception et l'optimisation d'un amplificateur à faible bruit de phase est ensuite détaillée. Cet amplificateur en technologie hybride présente une excellente performance en bruit de phase pour une consommation réduite. Enfin, les techniques de mesures et de modélisation précédemment décrites sont appliquées aux résonat eurs SMR et FBAR afin d'extraire leur contributions en bruit, ainsi qu'un modèle non-linéaire et en bruit de ces composants. Ce travail démontre ainsi la faisabilité d'une modélisation fine du bruit en régime nonlin éaire. Celle-ci peut être très utile pour concevoir et optimiser des circuits destinés à être intégrés dans des sources stables ou ultrastables, que ce soit pour des applications tempsfr équence pour lesquelles une très haute pureté spectrale est nécessaire, ou pour des applications MMIC où la pureté spectrale et le fort niveau d'intégration doivent être obtenu simultanément.

L'effet magnéto-impédant géant (MIG) traduit la forte variation de l'impédance d'un conducteur ferromagnétique soumis à une variation de champ magnétique externe. L'objectif de ce travail de thèse est l'optimisation des performances en bruit d'un magnétomètre à MIG. Ces dernières limitent ultimement le plus petit champ magnétique mesurable. Ainsi, nous présentons l'étude des propriétés physiques du matériau permettant d'évaluer la sensibilité propre de l'élément sensible à l'aide d'un modèle simpli fié. L'originalité de cette étude réside dans la prise en compte de la sensibilité exprimée en V/T, liée à l'amplitude d'excitation optimale, comme critère de performance. A fin d'accroître encore cette sensibilité, les dispositifs MIG sont associés à une bobine de capture. La réponse en champ du quadripôle ainsi constitué est modélisée. La capacité parasite de la bobine, identifi ée comme un facteur limitant, implique alors une fréquence d'excitation optimale propre à chaque élément sensible. Finalement, une modélisation globale des performances en bruit, intégrant de plus le conditionnement électronique, est développée. Celle-ci permet de prédire et d'analyser les performances en fonction des conditions de mise en oeuvre, notamment vis-à-vis du type de démodulation. Ces résultats valident l'intérêt de la structure quadripôle et apportent un éclairage important sur le choix du point de fonctionnement en champ statique du capteur. Ce travail permet alors de réaliser un magnétomètre optimisé. Il affi che des performances très honorables avec un niveau de bruit équivalent en champ inférieur à 1 pT/sqrt(Hz) en zone de bruit blanc.

Les technologies silicium avancées, telles que le BiCMOS B55X de STMicroelectronics, visant des fréquences de coupure fT/fmax supérieures à 400 GHz, permettent le développement de circuits dans la gamme 140-220 GHz (bande G). Pour valider ces technologies, les méthodes de caractérisation micro-ondes pour les mesures sur tranche (on-wafer) sont essentielles pour extraire les figures de mérite des transistors, des circuits passifs et des parasites associés. Cependant, les circuits à large bande, tels que les sources de bruit (NS), les récepteurs de bruit et les syntoniseurs d'impédance à ces fréquences sont très peu disponibles sur le marché. Des recherches antérieures ont démontré qu'il est possible d'intégrer directement des fonctions de mesure sur tranche en technologie BiCMOS B55, mais cette approche in-situ ou d'auto-test intégré (BIST, built-in self test) présente des limitations, notamment en termes de surface de silicium et parce que l'instrumentation BIST intégrée ne peut pas être utilisée pour une autre technologie.Cette thèse élargit l'applicabilité de l'instrumentation de mesure au-delà du procédé B55X et vise à réduire les coûts de test en évoluant du BIST aux sondes intelligentes. Cette nouvelle approche se concentre sur l'intégration des fonctions de mesure dans un système compact placé aussi près que possible des sondes de mesure pour des mesures ex-situ.S'appuyant sur des résultats de thèse précédents, la première source de bruit (NS) packagée, basée sur la technologie SiGe BiCMOS 55-nm, a été développée et caractérisée dans deux configurations distinctes. Dans une première approche, les mesures de bruit sur wafer ont permis d'extraire un niveau de rapport de bruit en excès (ENRav) de 37 dB dans la gamme 140-170 GHz. Dans une approche alternative, la NS a été encapsulée dans un boîtier de type split-block avec une terminaison à bride WR5.1 pour une connexion aux sondes passives commerciales, atteignant un niveau ENRav allant jusqu'à 25 dB dans la gamme 140-220 GHz, ce qui correspond à une réduction de 12 dB de l'ENR par rapport aux mesures sur tranche.Pour améliorer ces travaux, un des résultats clés de cette thèse est le développement de sondes Ground-Signal-Ground (GSG) pour les mesures sur tranche, fabriquées par micro-usinage laser femtoseconde avec une résolution comprise entre 5 et 10 µm. Ces sondes, fabriquées à partir d'un substrat de verre Schott AF32 d'une épaisseur de 100 µm et recouvert d'une feuille de nickel de 10 µm, démontrent une durabilité mécanique et des performances électriques améliorées. Alors que les sondes fabriquées à partir d'un substrat de verre sans couche de nickel atteignent la rupture mécanique pour une force de contact de 196 mN, les tests d'atterrissage ont révélé que les sondes en nickel-verre résistaient jusqu'à 667 mN. De plus, ces sondes ont démontré une résistance DC électrique de contact très faible atteignant 0,05 Ω pour une force d'appui supérieure à 6 mN.En outre, cette recherche introduit une nouvelle technologie de substrat qui embarque une puce intégrant une source de bruit amplifiée en technologie B55X sur un interposeur en verre pour réduire les pertes diélectriques et de transition de mode de propagation. Grâce au micro-usinage laser femtoseconde, les interconnexions sont structurées avec précision, permettant l'intégration de la puce NS sur le même substrat que celui utilisé pour fabriquer les pointes de sonde coplanaires, avec l'avantage de simplifier le chemin de propagation du signal. Ce système a atteint un niveau ENRav ajustable jusqu'à 29 dB dans la gamme 140-170 GHz, avec une adaptation d'impédance de sortie meilleure que -12 dB sur l'ensemble de la bande de fréquences.Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour des sondes actives millimétriques, rentables et évolutives, pour les mesures sur tranche
Advanced silicon technologies, such as BiCMOS B55X from STMicroelectronics, which target fT/fmax cutoff frequencies above 400 GHz, are enabling the development of silicon circuits in the 140-220 GHz range (G-band). To validate these technologies, microwave characterization methods for on-wafer measurements are essential to extract the figures of merit of transistors, passive circuitry and associated parasitics. However, broadband circuits like noise sources (NS), noise receivers and impedance tuners at these frequencies are very incompletely covered by the market offer. Previous research demonstrated that embedding measurement functions directly onto silicon in BiCMOS B55 technology is possible, but this in-situ approach or built-in self-test (BIST) has certain limitations, particularly in terms of the silicon surface allocated to the test circuits alone and also because embedded BIST instrumentation cannot be used for another technology.This thesis broadens the applicability of measurement instrumentation beyond the B55X process and aims to reduce testing costs by transitioning from BIST to smart probes. This new approach focuses on integrating measurement functions into compact systems placed as close as possible to the measurement probes for ex-situ measurements.Building on earlier research achievement as part of a previous thesis, the first-ever packaged NS based on SiGe BiCMOS 55-nm technology was developed and characterized in two distinct configurations. In a first flavor, on-wafer noise measurements yielded an extracted excess noise ratio (ENRav) level of 37 dB in the 140-170 GHz. In an alternative approach, the NS was packaged in a split-block with a WR5.1 flange termination for connection to commercial passive probes, achieving an ENRav level of up to 25 dB in 140-220 GHz corresponding to a 12 dB ENR reduction when compared to the on-wafer measurements.To improve on this work, a key achievement of the present thesis is the development of Ground-Signal-Ground (GSG) probes for on-wafer measurements fabricated using femtosecond laser micromachining with a resolution between 5-10 µm. These probes made from 100 µm thick Schott AF32 glass substrate bonded to a 10 µm thick nickel sheet, demonstrate improved mechanical durability and electrical performance. Nickel was chosen for the tip contacts due to its mechanical hardness and superior electrical properties, which minimize contact resistance and extend probe lifespan. Mechanical testing revealed that while glass-only probes failed at a contact force of 196 mN, the nickel-glass probes withstood forces up to 667 mN. Additionally, these probes achieved low-resistance electrical contacts (0.05 Ω above 6 mN), as verified through four-wire measurements on a single contact point.Furthermore, this research introduces a novel substrate technology that integrates an amplified NS B55X chip onto a glass interposer to reduce dielectric and transition losses. Using femtosecond laser micromachining, the interconnects are precisely structured, allowing the integration of the NS chip on the same substrate used to manufacture the coplanar probing tips, with the advantage of simplifying the signal propagation path. This system achieved a tunable ENRav level of up to 29 dB in the 140-170 GHz range, with constant output impedance matching better than -12 dB across the entire frequency band. This innovation allows for the integration of the GSG probes with the NS to perform on-wafer noise measurements.This research opens new possibilities for cost-effective, scalable millimeter-wave active probes for on-wafer measurements. Their adaptable design makes them suitable for diverse applications, advancing circuit characterization and high-frequency semiconductor testing

L'accroissement du nombre d'applications dans le domaine des ondes millimetriques, necessite l'etablissement d'outils de simulation precis et fiables. Par consequent, le principal objectif de ce travail est l'etablissement de modeles lineaires incluant le bruit hyperfrequence des h. E. M. T. De longueur de grille largement sub-micronique valides jusqu'aux ondes millimetriques. Ceci a necessite le developpement de bancs de mesures de parametres s et de facteur de bruit sous pointes. La premiere partie traite de la mesure de bruit de la gamme d'ondes centimetriques jusqu'aux millimetriques. Les principaux aspects de cette partie, concernent la mesure de bruit en gamme d'ondes millimetriques ainsi qu'une nouvelle methode de caracterisation en bruit des transistors a effet de champs. Le deuxieme chapitre traite de la representation petit signal des hemt. Les principales conclusions de ce travail montrent qu'il est possible d'obtenir les parametres s et de bruit avec une precision acceptable en gamme d'ondes millimetriques a partir de modeles simples etablis a partir de caracterisations a de plus basses frequences. Cette partie s'attache aussi a la comparaison des deux approches en gamme d'ondes millimetriques. La troisieme partie considere les modeles de bruit pour la conception de circuits faible bruit en gamme d'ondes millimetriques. Nous montrerons donc un nouveau modele de bruit pour les hemt et un modele complet pour la realisation de circuits a base de hemts. Ce travail montre qu'on peut realiser une modelisation precise en gamme d'ondes millimetriques des parametres de bruit et des parametres s a partir de mesures effectuees en gamme d'ondes centimetriques.

Le point central de cette thèse est la physique du bruit: la transformée de Fourier de la function de correlation temporelle courant-courant. Nous examinons des situations dans lesquelles le bruit généré par un circuit mésoscopique donné affecte le comportement d'un autre circuit mésoscopique. Dans une première partie, la source de bruit est inconnue, et le circuit mésoscopique qui lui est couplé de manière capacitive se comporte comme un détecteur de bruit à haute fréquence. Dans notre cas, le détecteur est constitué d'une jonction métal normal-supraconducteur, où le transport électronique est du au transfert de
quasiparticules, ou, de manière plus intéressante, est du à la réflexion d'Andreev. La théorie du blocage de Coulomb dynamique est utilisée pour calculer le courant continu qui passe dans le circuit de détection, procurant ainsi une information sur le bruit à haute fréquence. Dans la deuxième partie de cette thèse, la source de bruit est connue : elle provient d'une barre de Hall avec un contact ponctuel, dont les caractéristiques de courant-tension et de bruit sont bien établies dans le régime de l'effet Hall
quantique fractionnaire. Un point quantique connecté à des bornes source et drain, qui est placé au voisinage du
contact ponctuel, acquière une largeur de raie finie lorsque le courant fluctue, et se comporte comme un
détecteur de bruit de charge. Nous calculons le taux de déphasage du point quantique dans le régime de
faible et de fort rétrodiffusion, tout en décrivant l'effet de l'écrantage faible ou fort de l'interaction
Coulombienne entre la barre de Hall et le point quantique.