Contribution à l`étude et à la réalisation de systèmes de

N° d’ordre : 41109
UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LILLE 1
Ecole doctorale : Sciences Pour l’Ingénieur
THÈSE
pour d’obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE LILLE 1
Spécialité : Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications
Contribution à l'étude et à la réalisation de systèmes
de communication inter puces à très haut débit
en gamme millimétrique
Présentée et soutenue publiquement par
Samuel FOULON
le 24 mai 2013 devant le jury d’examen :
Directeur de thèse
NATHALIE ROLLAND
Professeur, Université Lille 1, IEMN
Co-directeur
CHRISTOPHE LOYEZ
Chargé de recherche, CNRS, IEMN
Encadrant industriel
SEBASTIEN PRUVOST
Ingénieur, STMicroelectronics, Crolles
Président
GILLES DAMBRINE
Professeur, Université Lille 1, IEMN
Rapporteur
GENEVIEVE BAUDOIN
Professeur, Université Paris Est, ESIEE
Rapporteur
RAYMOND QUERE
Professeur, Université Limoge, XLIM
Examinateur
PIET WAMBACQ
Professeur, Université Bruxelles, IMEC
Examinateur
PIERRE VINCENT
Ingénieur, CEA-Leti, Grenoble
Invité
DENIS PACHE
Ingénieur, STMicroelectronics, Crolles
Thèse de Samuel Foulon, Lille 1, 2013
© 2013 Tous droits réservés.
http://doc.univ-lille1.fr

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Thèse de Samuel Foulon, Lille 1, 2013
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Remerciements
Je tiens tout d’abord à remercier mes encadrants : Sébastien Pruvost pour la confiance
que tu m’as accordée en me proposant ce sujet de thèse, pour tous tes conseils en matière de
design et pour avoir supporté les deadlines un peu serrées (après quelques nuits de layout, ça
l’a toujours fait!) ; Nathalie Rolland pour avoir assuré la direction, le suivi et le bon
déroulement de ma thèse ; et Christophe Loyez pour les précieuses discussions matinales sur
les systèmes de communication, ta disponibilité et ton soutien lors des mesures des circuits.
Je tiens aussi à remercier particulièrement Denis Pache, toujours prêt à m’accorder du temps
pour répondre à mes questions d’électronique. Je salue ta jovialité et ta grande compétence
technique !
Mes remerciements vont également à Geneviève Baudoin et Raymond Quéré pour
avoir accepté d’être les rapporteurs de ma thèse, Pierre Vincent et Piet Wambacq pour avoir
examiné mon travail et Gilles Dambrine pour avoir présidé le jury.
Un grand merci à l’équipe caractérisation de l’IEMN dirigée par Damien Ducatteau :
Sylvie Lepilliet et Vanessa Avramovic qui m’ont beaucoup appris sur la caractérisation en
gamme millimétrique, loin d’être évidente, et avec qui de nombreux problèmes liés aux bancs
de mesures ont été résolus.
Merci aussi à Caroline Arnaud pour m’avoir permis d’emprunter de nombreuses
pointes et coupleurs à ST avant chaque campagne de mesures à l’IEMN. Et merci à Marcel
Coly et Julien Morelle pour nous avoir épaulé lors d’une semaine de mesures à ST.
Je remercie Stéphane Le Tual pour avoir dirigé mon CV de stagiaire vers les bonnes
personnes et pour son œil avisé à propos de la caractérisation multi-gigabits.
Merci à Andreia Cathelin pour ses conseils pertinents lors de la soumission des
papiers.
Je remercie Hervé Legall avec qui j’ai pu avoir de nombreuses discussions à propos
de la testabilité industrielle des circuits.
Merci également à Pascale Maillet-Contoz, côté ST, et à Claudie Flament, côté
IEMN, pour m’avoir aidé dans les démarches administratives lors de mes déplacements.
Je remercie aussi l’ensemble des personnes de l’équipe CSAM de l’IRCICA qui
m’ont accueilli dans le Nord durant les 5 premiers mois de ma thèse : Charles Anssens,
Thomas Avilès, Alexandre Beck, Ahmed Ben-Abdeselam, Benoit Bensahla-Tani (pour les
discussions autour d’une Angelus !), Alexandre Boé, Yoan Bourlier, Guillaume Desruelles,
Omar El-Jouaidi, Redha Kassi (Ce midi, piscine ?!?), Aymeric Pastre (le nordiste sigeanais),
Tristan Sarrazin (pour le coup de mains sur les antennes).
Je remercie l’ensemble des personnes que j’ai pu côtoyer de près ou de loin à ST
Crolles qui ont pu m’aider techniquement ou contribuer à créer un environnement de travail
plus qu’agréable : Eric André, Christophe Arricastres (« il vaut mieux être locataire ! »),
Malal Bathily, Frédéric Bailleul, Nicole Bertholet, Jean-Pierre Blanc, Mounir Boulemnakher,
Renald Boulestin (A quand une sortie vélo ?), Laurent Chabert, David Chamla, Fulvien
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Colmagro, Christian Corre, Thomas Coulot, Sébastien Dedieu, Thierry Di Gilio, Frédéric
Duez, Frederic Freton, Luc Garcia, Patrice Garcia, Christophe Garnier, Frédéric Hasbani,
Marc Houdebine, Jae-Sik Jang, Julien Kieffer, Sébastien Lefèbvre, Franck Montaudon, Eoin
Ohannaidh, Frédéric Paillardet, Raphaël Paulin, Bruno Pellat, Vincent Pinon, Gérald Provins,
Laurence Moquillon, Stéphane Razafimandimby, Eric Remond, Fabien Robert, Florence
Rodriguez, Emmanuel Rouat, Jocelyn Roux, Florent Sibille, Mathilde Sié, Hani Sherry,
Thomas Souvignet (« l’insecte ! »), Séverin Trochut, Sarah Verhaeren. Sans oublier les
personnes avec qui de nombreux Rooibos ont été bus : Laurent Bastères (« courir permet de
manger plus de desserts »), Benoit Butaye, Valérie Danelon, Julien Goulier (« Alors, elle
avance cette thèse? »), Bruno Grelaud (le coach du trail, « un petit tour dans les coteaux, sans
forcer !?! »), Christophe Grundrich (« le Sappey, the place to be ! »), Thierry Lapergue,
Thomas Quemerais, Philipp Ritter (« le VTT, c’est zuper ! »).
Enfin je remercie Thierry Divel pour m’avoir intégré dans son service, et pour
m’avoir laissé un peu de temps pour finaliser le manuscrit et préparer la soutenance.
Je remercie mes parents qui m’ont toujours soutenu dans mes choix. Une pensée aussi
pour mes frères et mes amis qui m’ont supporté surtout durant la période de rédaction.
Et enfin, un grand merci à mon moineau qui m’a encouragé et supporté tout au long
de la thèse et surtout lors de la rédaction où quelques soirées et week-ends ont été sabotés,
nous allons maintenant pouvoir nous rattraper…
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Sommaire
I.1 Introduction ................................................................................................................ 11
I.2 Problématique ............................................................................................................ 12
I.2.1 Liaisons inter-puces haut débit .......................................................................... 12
I.2.2 Test des puces sans contact ................................................................................ 13
I.2.3 Conclusion ......................................................................................................... 15
I.3 Communication inter puce ........................................................................................ 16
I.3.1 Couplage capacitif ............................................................................................. 16
I.3.2 Couplage inductif ............................................................................................... 17
I.3.3 Couplage électromagnétique .............................................................................. 18
I.3.4 Conclusion ......................................................................................................... 20
I.4 Architecture ................................................................................................................ 21
I.4.1 Choix de la modulation ...................................................................................... 21
I.4.1.1 Principe de la modulation ........................................................................... 21
I.4.1.2 Architecture à transmission d’OL............................................................... 23
I.4.1.2.1 Self-hétérodyne ....................................................................................... 23
I.4.1.2.2 Self-homodyne ........................................................................................ 24
I.4.1.3 Conclusion sur le choix de la modulation .................................................. 27
I.4.2 Choix de la bande de fréquence ......................................................................... 27
I.4.3 Présentation du système de communication OOK............................................. 28
I.4.4 Bilan de liaison et estimation des performances des blocs constituant le système
d’émission-réception haut débit en gamme de fréquence millimétrique. ......................... 29
I.5 Conclusion .................................................................................................................. 31
II.1 Choix de la technologie .............................................................................................. 33
II.2 Technologie BiCMOS 0.13µm SiGe :C .................................................................... 35
II.2.1 Présentation de la technologie ........................................................................... 35
II.2.2 Performances des transistors bipolaires ............................................................. 36
II.2.2.1 Caractéristique statiques ............................................................................. 36
II.2.2.2 Caractéristique petit signal ......................................................................... 37
II.2.3 Composants passifs ............................................................................................ 38
II.2.3.1 Plots ............................................................................................................ 39
II.2.3.2 Lignes de transmission ............................................................................... 40
II.2.3.3 Capacité ...................................................................................................... 41
REMERCIEMENTS .................................................................................................. 3
INTRODUCTION GENERALE ................................................................................... 9
CHAPITRE I : CONTEXTE ET ARCHITECTURE PROPOSEE .................................. 11
CHAPITRE II : COMPOSANTS ACTIFS ET PASSIFS DE LA TECHNOLOGIE ET
METHODOLOGIE DE CONCEPTION ...................................................................... 33
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