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Synthétiseur de fréquences RF destiné aux dispositifs médicaux implantables

Louis-François Tanguay

Mémoire de maîtrise (2010)

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Citer ce document: Tanguay, L.-F. (2010). Synthétiseur de fréquences RF destiné aux dispositifs médicaux implantables (Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal). Tiré de https://publications.polymtl.ca/431/
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Résumé

RÉSUMÉ Les microsystèmes biomédicaux implantables présentent un énorme potentiel pour la recherche médicale. Les dispositifs médicaux intelligents implantables, qui combinent des capteurs et/ou des actuateurs avec des circuits intégrés, ouvrent la voie à des applications fascinantes. Aujourd’hui, la possibilité d’utiliser la technologie CMOS pour intégrer des circuits RF, numériques, et même certains types de capteurs sur une même puce, suscite un vif intérêt dans un domaine nouveau : celui des réseaux de capteurs implantables, ou BSN (Body-Sensor Networks) et leurs applications en recherche biomédicale. L’implantation dans le corps de tels réseaux de capteurs sans-fils permettrait de surveiller, détecter ou même combattre différentes maladies, et ce de manière in situ. Avec des dimensions minimales inférieures à 100 nm, la technologie CMOS représente un choix viable pour l’implémentation des blocs de bases des circuits intégrés radio-fréquences (Radio- Frequency Integrated Circuits - RFIC) à faible consommation de puissance. Toutefois, la réduction de la tension d’alimentation permise dans les procédés CMOS nanométriques, l’impédance de sortie limitée des transistors disponibles, ainsi que les variations de procédés ont pour conséquence que plusieurs architectures de circuits analogiques n’offrent plus les performances requises ou ne sont tout simplement plus applicables. Des méthodes de conception innovatrices doivent être utilisées et des compromis judicieux doivent être faits afin de maintenir les performances requises. Dans un système de communication sans-fil, l’oscillateur local (Local Oscillator - LO) est l’un des modules les plus importants puisqu’il sert à générer la porteuse du lien RF qui sera par la suite modulée pour transmettre les données. Dans un contexte où la consommation de puissance doit être strictement minimisée, la génération d’une fréquence porteuse RF stable dans un procédé CMOS nanométrique présente des défis énormes. Dans cette optique, cette thèse se concentre sur la conception, l’analyse, ainsi que sur l’implémentation de circuits analogiques et RF à basse tension faisant partie d’un synthétiseur de fréquences à consommation ultra faible utilisant un procédé CMOS nanométrique. Tout d’abord, une nouvelle architecture de miroir de courant présentant une impédance de sortie très élevée destiné aux applications à faible tension d’alimentation est présentée. Ce miroir de courant de faible complexité présente une résistance de sortie très élevée et ce pour des tensions de sortie s’approchant des alimentations. Ensuite, une nouvelle architecture de pompe de charges CMOS destinée aux boucles à verrouillage de phase à faible tension et faible puissance est proposée afin de contourner les difficultés causées par la basse tension d’alimentation et la faible impédance de sortie des transistors nanométriques.----------ABSTRACT Implantable biomedical microsystems present a huge potential for medical research. The recent possibility to use CMOS technology to integrate radio-frequency (RF) circuits, baseband signal processing, and even sensors on a same chip has led to a tremendous growth of interest in wireless sensors and their applications. Such microsystems typically include a microprocessor and memory, an energy source, one or more sensors, an analog-to-digital converter (ADC), and a RF transceiver to communicate with a remote base-station or processing unit. In the biomedical field, it is expected that implanting such wireless sensing microsystems could greatly help the medical research community in learning about the progression of some diseases and assess degree of response to treatment. With a minimum feature size that has reduced under 100 nm, CMOS technology has become a viable choice for the implementation of low-power radio-frequency integrated circuits (RFIC) building blocks. However, the reduction of the supply voltage combined with the low output impedance of nanometer transistors have caused many analog and RF circuit solutions to be unsuitable, or even unusable due to voltage headroom constraints. Therefore, new circuit techniques and innovative design approaches are needed in order to meet the required performance level while maintaining low power consumption. In a wireless communications system, the local oscillator (LO) is one of the most important building blocks since it generates the RF carrier signal upon which data is modulated for transmission. In a context where power consumption must be strictly minimized, the generation of a stable RF carrier using a nanometer CMOS process presents huge challenges. In this regard, this thesis focuses on the design, the analysis and the implementation of low-voltage analog and RF circuits used to build an ultra-low power integer-N frequency synthesizer. First, a new current mirror architecture dedicated to low-voltage, low-power applications is presented. The proposed current mirror offers a very high output resistance and an enhanced output voltage range in comparison with other current mirrors similar in architecture. Then, a novel charge pump dedicated to low-power low-voltage PLLs is proposed. The design of this circuit was motivated by the need of a nano-CMOS charge pump that would offer constant current magnitude and minimum current mismatch over a wide range of output voltage, while maintaining power consumption and complexity level as low as possible. A LC resonator-based voltage-controlled oscillator (LC-VCO) that implements a new technique to reduce the impact of process variation on phase noise and power consumption is presented.

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Département: Département de génie électrique
Directeur de mémoire/thèse: Mohamad Sawan et Yvon Savaria
Date du dépôt: 25 févr. 2011 15:01
Dernière modification: 24 oct. 2018 16:10
Adresse URL de PolyPublie: https://publications.polymtl.ca/431/

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