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Collet, Arnaud. Synthèses de fréquence à bas bruit basées sur des oscillateurs opto-électroniques couplés intégrées en technologie BiCMOS SiGe 130nm

Collet, Arnaud (2021). Synthèses de fréquence à bas bruit basées sur des oscillateurs opto-électroniques couplés intégrées en technologie BiCMOS SiGe 130nm.

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Résumé en francais

Les hyperfréquences jouent un rôle indispensable dans le domaine des télécommunications, que ce soit pour la téléphonie mobile, les radars automobiles, le Wi-Fi ou encore la transmission satellitaire, sans que cette liste ne soit évidemment exhaustive. Pour l'ensemble de ces applications omniprésentes dans la société actuelle, ce sont ces signaux hyperfréquences qui servent de porteuses pour transmettre l'information sur de plus ou moins longues distances. Les méthodes de génération de signaux hyperfréquences actuelles sont basées sur des boucles à verrouillage de phase (PLL). Elles réalisent une multiplication d'une fréquence de référence basse de quelques dizaines à quelques centaines de mégahertz pour l'amener à quelques gigahertz voire dizaines de gigahertz. Il y a cependant un inconvénient majeur lié à cette méthode : synthétiser une fréquence par multiplication d'une référence basse s'accompagne d'une augmentation théorique du bruit de phase du signal généré, d'autant plus que le rapport de multiplication est élevé. À l'inverse, une synthèse par division de fréquence diminue le bruit de phase théorique. Or on voit apparaître depuis quelques années des références à des fréquences déjà élevées, basées sur des oscillateurs optoélectroniques couplés (COEO), qui peuvent dès lors servir à réaliser des synthèses basées sur de la division de fréquence, et c'est dans ce cadre que se situe le travail de cette thèse. Nous utilisons pour référence de fréquence, des COEO qui génèrent un signal de fréquence élevée à haute pureté spectrale, à 10 et 30 GHz. L'objectif est alors d'être capable de générer des signaux dont la fréquence est inférieure à 30 GHz et aussi basse que 1 GHz. Ces signaux synthétisés doivent conserver autant que possible la pureté spectrale du signal de référence en pénalisant le moins possible le bénéfice théorique apporté par la division. Cette thèse décrit la conception de diviseurs hyperfréquences à très faible bruit de phase résiduel disposant au final de rapports de division fractionnaires et/ou programmables. Dans un premier temps, nous avons conçu des diviseurs de rapports fixes afin d'estimer les performances en bruit de phase atteignables à cette fréquence de travail sur les technologies utilisées. Plusieurs diviseurs ECL par 2 et par 3 ont été conçus, fabriqués et mesurés pour une division jusqu'à 30 GHz. Un diviseur CMOS par 10 ainsi qu'une technique de resynchronisation permettant d'annuler la majeure partie du bruit de phase de la chaîne de division sont également présentés. Plusieurs diviseurs analogiques à rang fixe ont également été conçus, bien que s'étant révélés moins performants au final : un diviseur à verrouillage par injection (ILFD) et un diviseur à renforcement du second harmonique, qui réalisent tous les deux une division par 3 autour de 30 GHz. Pour terminer, nous avons conçu des diviseurs fractionnaires large bande fonctionnant au moins jusqu'à 30 GHz et offrant des performances en bruit de phase compétitives. Si ces modèles s'inspirent du principe régénératif connu de Miller, nous en proposons une déclinaison tout à fait originale. Une première série de diviseurs fractionnaires fixes a ainsi été réalisée pour des rapports fixes de 1,25, 2,5 et 4,5. Pour terminer, un diviseur fractionnaire dont la partie décimale est programmable a été ensuite été réalisé et mesuré. Il s'agit d'un diviseur fractionnaire dont la partie entière du rapport de division est 4 et la partie décimale codée sur 4 bits.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Tournier, Éric
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres :Synthèse de fréquence - Division de fréquence - Fractionnaire - Faible bruit - Micro-ondes
Sujets :Electricite, électronique, automatique
Déposé le :17 Nov 2021 12:17