Conception de circuits Radiofréquence auto-ajustés pour optimiser l'efficacité énergétique des applications

Design of self-adjusting Radiofrequency circuits to optimize the energy efficiency of applications

• Auteur / Autrice : Catalin Andrei Dobrin
• Direction : Manuel José Barragan asian, Sylvain Bourdel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nano électronique et Nano technologies
• Date : Inscription en doctorat le 13/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture des systèmes intégrés
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : RMS - Reliable RF and Mixed-signal Systems (Manuel BARRAGAN)

Mots clés

Mots clés libres

Circuits Radiofréquence (RF)

Optimisation de l'efficacité énergétique

Circuits auto-ajustés

Radio frequency circuits (RF)

Energy efficiency optimization

Self-adjusting circuits

Résumé

La conception de circuits dans les technologies microélectroniques se caractérise par le besoin d'appréhender la notion de variabilité. Les composants disponibles sur les technologies intégrées soufrent, en effet, de tolérances (en particulier quand on compare des dispositifs sur des wafers différents) relâchées. Ces variations des paramètres des composants se traduisent inévitablement par des variations de performances des circuits. Si cette variabilité des performances a longtemps été gérée en prenant des marges, cette approche n'est plus acceptable car elle se traduit par un gaspillage (énergétique et en surface de silicium) et donc un manque de compétitivité du produit. L'approche habituelle est de prévoir des leviers de réglage des circuits (le courant de polarisation d'un transistor, par exemple) pour positionner chaque circuit juste au niveau de la spécification. Les méthodes pour régler les circuits sont de deux types. Soit a posteriori (on mesure la performance et on cherche le réglage qui donne la bonne performance) soit a priori (exemple de la fréquence de coupure d'un filtre que l'on contrôle en faisant varier la valeur de la capacité pour avoir le bon produit RxC). La première approche qui semble la plus exhaustive, souffre de plusieurs limitations : Elle est souvent invasive (besoin de mesurer la performance) et souvent couteuse en ressources (récepteur supplémentaire pour mesurer le niveau des fréquences parasites). De plus, elle est limitée à des performances mesurables in-situ (on ne peut pas, par exemple, mesurer le NF) et difficile à appliquer quand un compromis entre plusieurs performances est en jeu (exemple linéarité et bruit). La seconde approche est limitée aux performances qui peuvent être corrélées à des paramètres mesurables. Cette corrélation peut être analytique (comme la fréquence de coupure d'un filtre) ou, pour des métriques plus complexes extraites de simulations ou de mesures. Certains travaux utilisent des techniques d'intelligence artificielle pour mettre en évidence ces corrélations. L'objectif de cette thèse est de pousser l'approche analytique sur des performances complexes. Le point de départ est la mise en équation du circuit qui permet, plus ou moins facilement de mettre en équation les performances qui nous intéressent en fonction des paramètres des composants. Le travail consistera donc à trouver un moyen d'extraire, in-situ, les paramètres des composants et à mettre en place des leviers de calibration. Il est à noter que ces travaux, orientés vers la calibration, vont aussi avoir des impacts sur les méthodes de test industriel (extraire des paramètres plutôt que de mesurer des performances complexes) ou de l'auto-test (Built In Self Test). Pour démontrer l'efficacité et la pertinence de l'approche proposée, les travaux de thèse se concluront avec des mesures d'un démonstrateur dans une technologie CMOS avancée.

The design of circuits in microelectronic technologies is characterized by the need to apprehend the notion of variability. Components available in integrated technologies suffer from tolerances, especially when comparing devices on different wafers. These variations in component parameters inevitably result in circuit performance variations. While variability in performance has traditionally been managed by incorporating margins, this approach is no longer acceptable due to its wastefulness (in terms of energy and silicon area) and consequently, a lack of product competitiveness. The usual approach is to provide adjustable circuit parameters (such as the bias current of a transistor) to position each circuit precisely at the specification level. Methods for adjusting circuits fall into two types: either a posteriori (measuring performance and finding the adjustment that yields the desired performance) or a priori (for example, adjusting the cutoff frequency of a filter by varying the capacitance to achieve the desired RxC product). The first approach, which appears to be the most comprehensive, suffers from several limitations. It is often invasive (requiring performance measurements) and resource-intensive (requiring additional receivers to measure the level of unwanted frequencies). Furthermore, it is limited to in-situ measurable performances (for example, it may not measure NF), and it is challenging to apply when a compromise between multiple performances is involved (such as linearity and noise). The second approach is limited to performances that can be correlated with measurable parameters. This correlation can be analytical (such as the cutoff frequency of a filter) or, for more complex metrics extracted from simulations or measurements, some works use artificial intelligence techniques to highlight these correlations. The objective of this thesis is to advance the analytical approach to complex performances. The starting point is the formulation of the circuit equation, which allows for the equation of the performances of interest based on component parameters. The work will involve finding a way to extract, in-situ, the parameters of the components and implementing calibration levers. It is noteworthy that these calibration-oriented works will also impact industrial test methods (extracting parameters rather than measuring complex performances) or auto-testing (Built-In Self-Test). To demonstrate the effectiveness and relevance of the proposed approach, the thesis work will conclude with measurements of a demonstrator in an advanced CMOS technology.