05 Juillet – Soutenance de thèse - Nicola Verrascina

10 h30 Amphi F - bâtiment A29 (campus de Talence)

Conception de circuits intégrés ultra basse consommation pour systèmes auto alimentés.

La demande toujours croissante d’amélioration de la qualité de vie avec la création d’environnements intelligents, a permis la diffusion des réseaux des capteurs sans fil. Les applications envisagées peuvent aller de la domotique à l'industrie, de la médicine à l'agriculture. Le problème principal pour ces types des capteurs est le remplacement des batteries, étant donné que l'installation peut avoir lieu dans des environnements hostiles.  Donc la recherche d’autres types de sources d'énergie qui peuvent remplacer les batteries a attiré l'attention de la communauté scientifique.  Nombreuses sont les sources à partir desquelles il est possible obtenir de l'énergie électrique pour des systèmes miniaturisés. Néanmoins la faible énergie mise à disposition par ces sources non-conventionnelles, pose de vrais défis pour les concepteurs pour que les dispositifs fonctionnent sur une longue période. Seule l'utilisation de circuits à très faible consommation tels que les capteurs autonomes peuvent représenter un choix valable pour le marché. La réduction du besoin d'énergie peut être atteinte en mélangeant différentes techniques sur trois différents niveaux d'abstraction : transistor, circuit et système.  L'objectif du présent projet de thèse est la conception et l'analyse des circuits à très faible consommation appropriés pour des applications de type Energy-Harvesting Wireless Sensor Networks (EHWSN).
La première partie concerne un régulateur de tension, qui est le circuit fondamental du bloc dédiée à la gestion de la puissance. La deuxième partie est dédiée à l’analyse et à la conception d’un émetteur radiofréquence, que représente le circuit le plus consommateur d’énergie dans le capteur. Par conséquent une réduction de sa consommation diminue considérablement la demande d'énergie du système.
La thèse est ainsi organisée :
Le chapitre 1 décrit les sources d’énergie disponibles dans l'environnement, soulignant les avantages et les inconvénients quand elles sont appliquées à des circuits miniaturisés. La deuxième partie est dédiée à l'étude des techniques que permettant la réduction de la consommation de puissance. 
Le chapitre 2 est dédié à l’étude des réseaux de capteurs sans fil. Un cadre général de leur architecture est donné. L’équation pour calculer la puissance émise nécessaire pour couvrir une certaine distance est donnée. En dernier lieu le rapport cyclique optimal est dérivé à partir de l'énergie nécessaire, de la qualité du canal de communication et de la quantité de données à transmettre. 
Le chapitre 3 décrit la conception d'un régulateur Low-DropOut (LDO) à haute capacité. L'attention est centrée pour obtenir une très faible consommation de puissance sans sous-estimer la précision du réglage de tension. Pour obtenir un bon réglage de tension, l'amplificateur d'erreur doit avoir un slew-rate élevé, et la réponse en fréquence de la boucle, donc la vitesse de réglage du circuit, doit être rapide. Les solutions adoptées pour surmonter le problème sont un amplificateur d'erreur de classe-AB, avec un courant de polarisation qui s'adapte au courant de sortie du régulateur. L'efficacité est élevé pour toutes les conditions de courant de sortie avec moins d'impact sur la consommation de puissance globale du circuit.
Le chapitre 4 décrit la conception d’un émetteur radiofréquence avec une modulation OOK. La faible puissance radiée de -15 dBm limite l'efficacité globale du transmetteur. La première partie du chapitre est occupée par l'étude d’une structure classique en série, où la sortie du synthétiseur de fréquence (VCO) est directement connectée à l'entrée du driver de puissance. Le chapitre continue en présentant les compromis de conception pour le réseau d'adaptation quand la tension d'alimentation est élevée alors que la tension aux bornes de la charge de 50 Ohm est de quelques mV. Donc une architecture empilée est proposée, où le VCO et le driver de puissance partagent le même courant de polarisation, pour répartir la tension d'alimentation entre les deux circuits.

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