Chapitre 6

Microelectronics
and Photonics
6
6.1 Architectures of mixed-
signal integrated circuits
and microsystems
6.2 Algorithm integration and
electronic systems
6.3 Thin film semiconductors
6.4 Superconducting thin films
and devices
6.5 Telecommunications
optoelectronic systems
and devices
6.6 Photoinduced waveguides
and optical interconnects
6.7 Optical materials for laser
beam generation
and processing
6.8 Dynamics of complex laser
structures and applications
• Identification of MEMS parameters 96
using binary observations
• Managing configuration on heterogeneous 98
Reconfigurable SWR Platforms
• Silicon heterojunction solar cells 100
• High-Tc superconducting thin film 102
deposition and optimization
• Fiber Optic High Bit Rate Transmission 104
System Evaluation Platform
• Reconfigurable waveguides 106
for all-optical routing
• Epitaxial growth of III-Nitride materials 108
for short-wavelength (200 to 400 nm)
light emitting optoelectronic devices
• Polarization dynamics in VCSEL – 110
optical switching and cryptography
94

Microélectronique
et Photonique
6
6.1 Architectures de circuits
mixtes et de micro-systèmes
6.2 Intégration d’algorithmes
et systèmes électroniques
6.3 Semi-conducteurs
en couches minces
6.4 Supra-conducteurs :
films minces et dispositifs
6.5 Etudes de composants
et systèmes optiques
pour les télécommunications
6.6 Guides photo-inscrits et
interconnexions optiques
6.7 Matériaux optiques pour la
génération et le traitement
de faisceau laser
6.8 Dynamique de structures
lasers complexes
et applications
• Identification de paramètres de MEMS 96
à partir de données binaires
• Gestion de Configuration des 98
Architectures Hétérogènes/
Reconfigurables en Radio Logicielle
• Cellules photovoltaïques 100
à hétérojonctions de silicium
• Élaboration et optimisation 102
de couches minces haute Tc
• Plate-forme d’évaluation pour systèmes 104
à transmissions optiques à très haut débit
• Guides d’onde reconfigurables 106
pour routage tout optique
•Epitaxie par MOVPE de matériaux 108
nitrures III-N pour les composants
optiques à courte longueur d’onde
(200nm-450nm)
• Dynamique de polarisation d’un 110
VCSEL – commutation optique
et cryptographie
95

Objectifs
La réduction des coûts, stratégie fondamentale de
la compétitivité, se traduit dans le secteur de l’élec-
tronique par une pression considérable tant sur les
technologies que sur les systèmes. Dans le même
temps, la mise en œuvre de nouvelles technologies
devient de plus en plus risquée en raison du niveau
d’investissements requis, tandis que la complexifi-
cation inexorable des systèmes conduit à une
exigence de plus en plus forte sur les méthodes de
conception.
Dès lors, les questions suivantes se posent à
l’industriel : comment tirer le meilleur parti des
technologies ? comment s’ouvrir à de nouvelles
applications ? comment concevoir des produits
toujours plus performants et innovants notamment
sur le plan de la rapidité, de l’encombrement,
de la robustesse vis-à-vis de perturbations, de la
consommation électrique…?
Sujets
1. Numérisation de signaux rapides
Conception d’architectures de CAN ∑∆ passe
bande, rapides, à filtres continus, pour des
applications radio-fréquences en téléphonie,
radar ou instrumentation. Recherche de solu-
tions utilisant des filtres GmC, LC intégrés et
RC passifs intégrés.
Études d’architectures originales de numérisa-
tion pour la radio logicielle (voir 5.6 « Systèmes
de numérisation »).
2. Conception de microsystèmes
Méthodes d’estimation de paramètres à partir
d’observations binaires : applications aux MEMS
et aux convertisseurs
∑∆ .
Nouveau paradigme pour la modélisation et la
simulation de problèmes couplés fortement.
Méthode de simulation déterministe des effets des
dispersions technologiques et d’autres facteurs
aléatoires sur le fonctionnement des MEMS.
3. MEMS résonants
Détermination des limites de résolution des
capteurs MEMS résonants reposant sur des
architectures mixtes à relais.
Méthode d’actionnement à la résonance robuste,
insensible aux non-linéarités typiques des MEMS.
4. Conception et réalisation de circuits
intégrés spécifiques
Conception de circuits mixtes en technologie
AsGa ou CMOS.
Aims
In the field of electronics, reduction of the costs, fun-
damental strategy of competitiveness, leads to a
considerable pressure on technologies as well as on sys-
tems. Moreover, the implementation of new techno-
logies becomes increasingly risky because of the requi-
red amount of investments, while the inevitable com-
plexification of systems leads to increasingly strong
requirements on design methods.
Consequently, the following questions arise: how to
take the best advantage from existing technologies?
how to get implicated in new applications? how to
design new, more efficient products, that are innova-
tive with respect to speed, bulk, robustness towards
perturbations, power requirements…?
Topics
1. Analog to Digital Conversion of HF
signals
Design of fast continuous bandpass ∑∆ ADCs for
radiofrequency applications (telephony, radar, instru-
mentation).
Research of solutions involving GmC filters or inte-
grated passive LC or RC filters.
Study of original ADC architectures for software radio
applications (see 5.6 “Digitization systems”).
2. Design of microsystems
Parameter estimation methods based on binary
observations: applications to MEMS and to ∑∆ con-
verters.
New paradigm for the modelling and simulation of
tightly coupled problems.
Deterministic method for simulating the impact of
fabrication process dispersions and other random factors
on the behaviour of MEMS.
3. Resonant MEMS
Determination of the resolution limits of resonant
MEMS sensors based on mixed-signal relay feedback
architectures.
Robust, non-linearity insensitive method for actuating
resonant MEMS.
4. Design and implementation of specific
integrated circuits
Design of mixed signal integrated circuits in GaAs or
CMOS technology.
6Microélectronique et Photonique
Architectures
de circuits
mixtes et de
micro-
systèmes
Architectures
of mixed-signal
integrated
circuits and
microsystems
96
6.1
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For further information, please contact:
Sujets 1 à 4 / T
opics 1 to 4:
Richard KIELBASA
Département de Traitement du Signal
et Systèmes Électroniques
Campus de Gif
Tél. : +33 [0]1 69 85 14 03
E-mail : Richar[email protected]
Microelectronics and Photonics

Architectures de circuits mixtes et de microsystèmes / Architectures of mixed-signal integrated circuits and microsystems
97
Identification de paramètres de MEMS
à partir de données binaires
Identification of MEMS parameters
using binary observations
Par Jérôme Juillard
Abstract In the context of MEMS and integrated electronics, the practical advantage of identification methods based on binary observations is that
the only critical analog component that is required is a one-bit ADC. As a consequence, these methods are very cheap and relatively simple
to implement. The efficiency of these methods is illustrated in the case of the estimation of the parameters of a ∑∆ADC.
Contexte de l’utilisation des méthodes
d’identification à données binaires
Le développement de microsystèmes robustes et performants à l’échelle
industrielle est un problème délicat. Ceci est dû à l’existence de nombreuses
sources d’incertitudes qui rendent la conception des capteurs difficiles. Par
exemple, les systèmes de fabrication ne sont pas toujours bien maîtrisés et
il n’est pas rare d’avoir des dispersions de l’ordre de 20% d’un microsys-
tème à l’autre ; le comportement des microsystèmes est également très
sensible aux conditions de fonctionnement telles que la température, la
pression ; enfin les propriétés physiques (par ex., le coefficient de Poisson
du silicium) et les erreurs de modèle du capteur mécanique ne sont pas
toujours connues avec précision. Ce manque de connaissance a priori sur
le système complet contribue généralement à la réalisation de capteurs peu
ou pas stables, ayant une plus faible résolution que celle attendue. Il appa-
raît donc à ce titre indispensable de tenir compte de tous ces phénomènes
dispersifs lors de la phase de conception du capteur.
Dans le cadre de la thèse d’Eric Colinet [1], plusieurs méthodes d’estima-
tion de paramètres ont été développées. Ces méthodes de calibration
reposent toutes sur la mesure du signe de la sortie du système à identifier :
aussi, elles se prêtent particulièrement bien à une intégration dans un con-
texte de MEMS/NEMS, du fait de leur faible coût et de la simplicité de
leur implémentation. En effet, la mesure du signe de la sortie d’un système
ne requiert que l’implémentation d’un convertisseur analogique-
numérique 1-bit. La contrepartie de cette mesure de faible résolution est un
traitement numérique plus important que pour les méthodes « classiques » [2].
La méthode BIMBO est une des trois principales méthodes d’identification
binaire développées dans ce contexte [3], à l’occasion d’une collaboration avec
le CEA-LETI. Il s’agit d’une méthode « boucle ouverte », adaptée à l’identifi-
cation hors-ligne des paramètres de systèmes linéaires. Son principe est
représenté à la figure 1.
Illustration : identification des paramètres d’un
CAN
∑∆
Un autre domaine d’application des méthodes d’identifications à partir de
données binaires est la conception « robuste » de convertisseurs analogique-
numérique ∑∆ , dont la sortie est un signal échantillonné 1-bit. Ce signal peut
se modéliser comme une superposition du signal d’entrée (analogique) et d’un
bruit blanc « mis en forme ». Dans ce cas, la méthode BIMBO permet d’estimer
les valeurs des coefficients des filtres de mise en forme du bruit à partir de la
sortie du modulateur ∑∆ , l’entrée étant supposée connue. Une fois ces coeffi-
cients connus, il est possible d’adapter le traitement numérique en aval du
modulateur ∑∆ pour améliorer la qualité de la conversion. Des résultats
typiques, obtenus lors d’une collaboration avec Texas Instruments, sont
présentés à la figure 2.
Figure 1 : Principe de la méthode BIMBO. À partir des observations
binaires et de la sortie estimée du modèle, on construit un critère de
ressemblance continu et non-linéaire. On tient compte de la conversion
analogique numérique de manière « exacte », au contraire des méthodes
classiques qui l’approximent par un bruit blanc additif.
Figure 2 : Densité spectrale de puissance en sortie d’un modulateur ∑
∑∆
∆
passe-bas. La courbe en pointillés épais correspond à la DSP théorique
et la courbe en pointillés fins à la DSP mesurée. En appliquant un signal
constant à l’entrée du modulateur et en utilisant la méthode BIMBO
sur le train de bits résultant, on arrive à estimer des paramètres de filtres
dont la mise en forme de bruit est donnée par la courbe continue.
.....................................................................................................................................
Références / References
[1] E. Colinet, “Nouvelles architectures et méthodes de conception de microsys-
tèmes sigma-delta et de microsystèmes résonants”, thèse de l’Université Paris XI
Orsay, soutenue le 3 novembre 2005.
[2] E. Walter, L. Pronzato, “Identification de modèles paramétriques à partir de données
expérimentales”, Masson, Paris 1994.
[3] E. Colinet, J. Juillard, “Identification methods based on binary observations”,
soumis à IEEE-TCAS 1, 2006.

Objectifs
L’évolution tout à fait considérable des technolo-
gies de l’électronique moderne (circuits intégrés
silicium notamment) permet la réalisation de sys-
tèmes électroniques d’une très grande complexité
satisfaisant de multiples critères : grande vitesse
d’exécution, encombrement réduit, faible con-
sommation, coûts acceptables, fiabilité accrue ...
Les problèmes rencontrés au niveau de la concep-
tion d’un équipement sont liés :
• à la nécessaire adaptation des différents algo-
rithmes devant être intégrés sur des
architectures novatrices qu’il faut imaginer en
respectant des contraintes hiérarchisées (coût,
rapidité, encombrement, consommation,
robustesse à l’environnement, ...) ;
• au choix optimum des composants les plus
adaptés en fonction des contraintes imposées
(Processeurs, DSP, SOC, ASIC, FPGA).
Sujets
1. Opérateurs numériques rapides
Conception et intégration d’opérateurs arithmé-
tiques dans les réels et dans les corps de Galois.
Conception et intégration d’opérateurs pour le
traitement du signal : transformateurs de Fourier
et corrélateurs.
2. Plateforme matérielle reconfigurable
Etude de nouvelles architectures matérielles pour
le traitement du signal basées notamment sur
l’utilisation des technologies FPGA reconfigu-
rables partiellement et dynamiquement.
Applications à la « radio logicielle » et à la con-
ception des nouveaux terminaux multi-standards
dynamiquement reconfigurables.
3. Electronique pour les communica-
tions numériques
Développement de plateformes hétérogènes adap-
tées aux communications haut débit.
Étude et conception d’architectures reconfig-
urables pour les systèmes MIMO.
Étude et conception d’IP paramétrables pour les
communications numériques : codec de de Reed
Solomon, décodeur de Viterbi à décisions
pondérées, turbo codec de codes produits.
4. Conception et réalisation de systèmes
de diffusion multimédia
Algorithmes et architectures pour la compression
du son, des images et des données.
Conception et réalisation d’un système de multi-
plexage audio-vidéo sur FPGA.
6Microélectronique et Photonique
Intégration
d’algorithmes
et systèmes
électroniques
Algorithm
integration
and electronic
systems
98
6.2
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Sujets 1 à 3 / Topics 1 to 3:
Pierre LERAY
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00
E-mail : [email protected]
Sujet 4 / Topic 4:
Jacques WEISS
Campus de Rennes
Tél. : +33 [0]2 99 84 45 00
E-mail : Jacques.W[email protected]
Aims
Considerable advances in modern electronic technology
(in particular, integrated circuits on silicon) have made
it possible to develop complex electronic systems capable
of meeting multiple requirements: high speed of execu-
tion, small overall dimensions, low power consumption,
acceptable costs, increased reliability, etc.
Problems encountered with equipment design are most-
ly related to:
• Need for adapting various algorithms requiring
integration on innovative architectures, which may be
envisaged while maintaining hierarchical constraints
(i.e. cost, speed, obstruction, consumption, robustness
with the environment, etc.);
• Optimum choice of the most suitable components
according to the imposed constraints (Processors, DSP,
SOC, ASIC, FPGA).
Topics
1. Fast numerical operators
Design and integration of arithmetic operators in real
and Galois fields.
Design and integration of operators for digital signal
processing: fast Fourier transformers and fast correla-
tion function.
2. Hardware reconfigurable platform
Design of new Digital Signal Processing architectures
based on the use of FPGA enabling partial and
dynamical hardware reconfiguration.
Applications to “Software Radio” and to designing a
new multimode handset with dynamic reconfigura-
bility.
3. Electronic for Digital Communications
Design of heterogeneous systems dedicated to high data
rate communication.
Design of reconfigurables architectures of MIMO
systems.
Design of parameterizable IP cores for digital commu-
nication: Reed-Solomon decoder, Viterbi decoder with
soft decision, turbo encoder-decoder of product codes.
4. Design and development of multime-
dia streaming systems
Algorithms and architectures for the compression of
sound, images and data.
Design of an audio-video multiplexing system on
FPGA component.
Microelectronics and Photonics