Stratégie d`alimentation pour les SoCs RF très faible

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Micro-Nano-Electronique
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
Thomas COULOT
Thèse dirigée par Jean-Michel FOURNIER
et codirigée par Estelle LAUGA-LARROZE
préparée au sein du Laboratoire IMEP-LAHC
dans l’École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique et Traite-
ment du signal
Stratégie d’alimentation pour les SoCs
RF très faible consommation
Thèse soutenue publiquement le 15 Octobre 2013,
devant le jury composé de :
M. Amara AMARA
Professeur des Universités, Paris, Président
M. Hervé BARTHELEMY
Professeur des Universités, Marseille, Rapporteur
Mme Corinne ALONSO
Professeur des Universités, Toulouse, Rapporteur
M. Jean-Michel FOURNIER
Professeur des Universités, Grenoble, Directeur de thèse
Mme Estelle LAUGA-LARROZE
Maître de Conférence, Grenoble, Co-Directeur de thèse
M. Frédéric HASBANI
Ingénieur STMicroelectronics, Crolles, Examinateur
M. Bruno ALLARD
Professeur des Universités, Lyon, Examinateur

AVANT PROPOS
Avant propos
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés pour la société STMicroelectronics, Or-
ganisation CCDS, Groupe TR&D, Equipe ePM (embedded Power Management), Crolles. Ils ont été
effectués en étroite collaboration avec le groupe Radiofréquence Hyperfréquence et Optoélectronique
(RFHO) du Laboratoire de Microélectronique Electromagnétisme, Hyperfréquence, Photonique et de
Caractérisation (IMEP-LAHC) de Grenoble.
Je remercie mes directeurs de thèse Jean-Michel Fournier et Estelle Lauga-Larroze et mon enca-
drant industriel Frédéric Hasbani pour tout ce que vous avez fait pour moi pendant ces trois ans.
Je remercie tout particulièrement Séverin Trochut, Emmanuel Rouat et Vincent Pinon pour leurs
conseils avisés, leurs aides précieuses et leurs encouragements tout au long de mon doctorat.
Je remercie l’ensemble de l’équipe ePM de STMicroelectronics, Crolles, Thierry Di Gilio, Eric
Remond, Francois Agut, Nicolas Seller, Pascale Robert, Emilie Rigal et Bruno Salvador pour leurs
aides précieuses durant ce travail. Je remercie Marcel Coly et Julien Morelle pour l’aide sur la carac-
térisation du régulateur.
Je tiens également à affirmer toute ma considération à tous ceux qui m’ont expliqué et aidé lors de
la réalisation du layout de mes cellules ou qui m’y ont initié, Nicole Bertholet et Florence Rodriguez.
Je remercie Malal, Philip, Christian, Fabien, Thomas, Samuel, Denis, Christophe, Philippe, Seb,
Stéphane, David qui m’ont permis de passer ces trois années de thèse dans la bonne humeur chez
STMicroelectronics et toutes les autres personnes que j’ai cotoyées mais que je n’ai pu citer ici.
Je remercie l’ensemble du groupe RFHO de l’IMEP-LAHC de Grenoble et j’ai une pensée particu-
lière pour les anciens thésards, thésards actuels et stagiaires avec qui j’ai passé de très bons moments.
Parmi ceux-ci, Francois Burdin, mais aussi tant d’autres qui m’ont aidé et conseillé en toute occasion.
Mes dernières pensées vont à ma petite famille : Sonia ma compagne et Quentin mon fils, mes
parents Frédéric et Marie-Jocelyne sans qui je n’aurais tout simplement pas pu faire ces études, et
Gaëlle, Cédric et Julie qui m’ont accueilli dans leur maison et surtout dans leur famille. Enfin, je
remercie tous mes amis qui m’ont soutenu pendant ces trois années.
T. Coulot, 2013. Mémoire de thèse : Stratégie d’alimentation pour les SoCs RF très faible consommation iii

AVANT PROPOS
iv T. Coulot, 2013. Mémoire de thèse : Stratégie d’alimentation pour les SoCs RF très faible consommation

TABLE DES MATIÈRES
Table des matières
1 Introduction Générale 1
2 Présentation des SoCs RF très faible consommation 5
2.1 Introduction ....................................... 5
2.2 Introduction aux réseaux de capteurs et présentation des SoCs RF très faible consom-
mation .......................................... 6
2.2.1 Principe ..................................... 6
2.2.2 Description des différents éléments constitutifs d’un nœud .......... 7
2.2.2.1 Unité d’acquisition ou de détection ................. 8
2.2.2.2 Unité de traitement de données ................... 9
2.2.2.3 Unité de transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2.4 Unité de gestion de l’alimentation .................. 10
2.2.3 Considérations à prendre en compte : autonomie et miniaturisation ...... 12
2.2.3.1 Un nœud très faible consommation ................. 12
2.2.3.2 Interface batterie/circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3.3 Co-intégration numérique, analogique et RF ............ 14
2.3 Etude énergétique du module de communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Pertes par propagation : Lpath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Puissance minimale de signal détectable : PMDS ................ 17
2.3.3 Energie par bit minimum pour une transmission : Ebit,T x ........... 17
2.3.4 Les surconsommations ............................. 18
2.3.5 Optimisation de la bande passante pour minimiser l’énergie par bit ...... 19
2.3.6 Conclusion ................................... 24
2.4 Etat-de-l’art des stratégies d’alimentation et définition du cadre et des spécifications
du travail de thèse .................................... 24
2.4.1 Les domaines de tension ............................ 24
2.4.2 Etat-de-l’art des stratégies d’alimentation des circuits compatibles Zigbee . . 27
2.4.3 Exemple du STM32LW ............................ 29
2.4.3.1 Le microcontrôleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.3.2 La radio ............................... 33
2.4.3.3 Une intégration complète . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.4 Définition du cadre et des spécifications fixées pour le travail de recherche . . 36
2.5 Conclusion ....................................... 37
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