Study and design of CMOS RF power circuits and modulation capabilities for communication applications

Dans l’ère des systèmes de communication multi-standards, le besoin des circuits en radio fréquence (RF) flexibles et reconfigurables pousse l´industrie et le monde académique vers la recherche d´architectures alternatives d’émetteurs et de récepteurs RF. Dans cette thèse, nous nous intéressons aux émetteurs RF flexibles. Nous présentons une architecture basée sur l’utilisation d’un oscillateur de puissance composé d´un amplificateur de puissance dans une boucle de rétroaction positive. Pour des raisons de compatibilité avec des circuit numériques et dans le but de minimiser les coûts de fabrication, nous avons choisi la technologie CMOS. Ce choix génère des difficultés de conception des circuits en RF à cause des faibles tensions de claquage. Cette contrainte de conception a motivé le choix de la classe EF2 pour l’amplificateur de puissance afin de réduire le stress en tension sur les transistors. Nous présentons la conception de cet amplificateur de puissance de classe EF2, ainsi que la conception de l’oscillateur de puissance. Nous validons cette architecture avec une implémentation en technologie CMOS 0.13um de STMicroelectronics. Nous démontrons le bon comportement par une campagne de mesures des circuits fabriqués. Ce circuit répond aux contraintes de flexibilité de modulation et de puissance de sortie. Il peut donc être utilisé pour différents standards de communications. Les limitations inhérentes de cette architecture sont discutées et une modélisation mathématique est présentée.This work presents the study, design and measurement of RF circuits aiming communication applications. The need for flexible and reconfigurable RF hardware leads to the need of alternative transmitter architectures. In the center of this innovative architecture, there is thepower oscillator. This circuit is composed of a power amplifier in a positive feedback loop soit oscillates. As the circuit under study is mainly composed of a power amplifier, a study on power amplifier is mandatory. Modern CMOS technologies impose difficulties in the efficient RF generation due to low breakdown voltages. In order to reduce the voltage stress on the transistors, wave form-engineering techniques are used leading to the use of class EF2. Thedesign and measurement of a class EF2 power amplifier and power oscillator are shown. Thecircuits were implemented in standard STMicroelectronics 0.13um CMOS. Correct behaviorfor the circuits was obtained in measurement, leading to a first implementation of class EF2 inRF frequencies. From a system perspective, the proposed architecture is shown to be flexible and able to generate different modulations without change in the hardware. Reconfigurability is shown not only in modulation but also in output power level. The limitations of this architecture are discussed and some mathematical modeling is presented