Conception et caractérisation de détecteurs de puissance en technologie BiCMOS 55 nm pour les applications 5G et THz

Design and characterization of power detectors in 55-nm BiCMOS technology for 5G and THz applications

• Auteur / Autrice : Issa Alaji
• Direction : Christophe Gaquière, Guillaume Ducournau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 05/11/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Christophe Lethien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Djamel Allal, Daniel Gloria, Jean-François Villemazet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Schreus, Eric Kerhervé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Internet des objets

Ondes millimétriques

BiCMOS

Circuits intégrés monolithiques hyperfréquence

Détecteurs de microondes

Mots clés libres

Détecteurs de puissance hyperfréquence

Technologie 5G

5G and IoT sensors

BiCMOS integrated circuits

Frequency compensated power detector

Millimeter waves

Tunable power detector

Zero bias power detector

Résumé

Les détecteurs de puissance sont les blocs clés pour établir la mesure de puissance. Par conséquent, ils sont considérés parmi les circuits les plus importants dans de nombreuses applications micro-ondes et ondes millimétriques (telles que les systèmes de télécommunication, les équipements médicaux, les systèmes radar, etc.). Dans ce contexte, ce manuscrit présente la conception, la caractérisation et l'analyse théorique de différents détecteurs de puissance basés sur la technologie BiCMOS 55-nm de STMicroelectronics, dans différentes bandes de fréquences, et cela pour plusieurs applications. Pour les applications 5G dans la bande (35-55) GHz, des détecteurs ajustables sont conçus pour être utilisés dans différentes domaines, surtout que leurs paramètres peuvent être ajustés. En outre, plusieurs topologies de détecteurs non polarisés sont conçues pour aider à améliorer l'efficacité énergétique des équipements 5G comme IoT. Cela peut être réalisé en utilisant ces détecteurs dans des circuits d’«envelope tracking» qui réduisent la consommation d'énergie des amplificateurs de puissance. Deux détecteurs à fréquence compensée dans les bandes de fréquences (140-220) GHz et (450-600) GHz sont conçus pour fournir une valeur de sensibilité stable et élevée sur toute la bande passante d'intérêt. Ces détecteurs peuvent être utilisés pour la mesure de puissance sur puce pour augmenter l'efficacité de mesure à telles fréquences élevées. Ces détecteurs peuvent également être utilisés dans des applications THz telles que l'imagerie THz et les radars. Certains détecteurs de ce travail atteignent des performances à l’état de l’art dans plusieurs bandes de fréquences, cela grâce à leurs conceptions originales exécutées en technologie STMicroelectronics.

Power detectors are the key blocks to establish the power measurement. Therefore, they are considered among the most important circuits in many microwave and millimeter wave applications (such as communication systems, medical equipments, radar systems, etc.). In this context, this thesis presents the design, characterization and theoretical analysis of different diode based power detectors, built in 55nm-BiCMOS technology from STMicroelectronics, in different frequency bands, towards different applications. For 5G applications in the frequency band (35-55) GHz, tunable detectors are designed to be used in different applications, since their parameters can be adjusted. In addition, several topologies of zero bias detectors are designed to help improving the efficiency in the 5G and IoT devices. This can be realized by employing those detectors in envelop tracking circuits which reduce the power consumption of power amplifiers. Two frequency compensated detectors in the frequency bands (140-220) GHz and (450-600) GHz are designed providing stable and high sensitivity value over the whole frequency band of interest. These detectors can be used for on-chip power detection which helps increasing the power measurement efficiency at such high frequencies. These detectors can be also used in THz applications such as THz imaging and radars. Some detectors in this work reach the state of the art performances in several frequency bands, thanks to their original designs executed in STMicroelectronics technology.