Summary:

Ce travail de recherche doctorale a été réalisé dans le cadre du projet Human Intranet. Le concept d’Human Intranet vise à interconnecter différents types de capteurs et d’actionneurs sur le corps humain pour des applications médicales et bien-être. Les solutions RF connues, telles que le Bluetooth ou l’Ultra-Wideband, subissent l’effet d’ombre du corps, qui dégrade la qualité et la fiabilité du canal de communication. Comme alternative, la communication couplée au corps humain, où le corps humain est utilisé comme moyen de propagation, a été étudiée. Les communications couplées au corps humain nécessitent des émetteurs-récepteurs avec un débit de données flexible, une expérience utilisateur confortable, une faible consommation d’énergie, une couverture de communication élevée et une grande robustesse. Cette thèse présente un émetteur entièrement numérique à base d’impulsions, pour les communications couplées au corps humains capacitives(c-BCC), en technologie 28 nm FD-SOI CMOS. L’émetteur fonctionne à 450 MHz où la propagation par ondes de surface est le mécanisme dominant, offrant une plus grande largeur de bande avec un canal de communication plus stable. L’émetteur à rapport-cyclique élevé utilise un oscillateur en anneau pseudo-différentiel de 90 MHz en boucle ouverte et des combinateurs de fronts pour générer des impulsions modulées en OOK de forme gaussienne à travers un amplificateur de puissance à capacités commutées (SCPA). La large plage de tension de polarisation du substrat, offerte par la technologie FD-SOI, permet de régler la fréquence d’utilisation et d’optimiser l’efficacité en fonction du débit de données. L’émetteur proposé consomme de 17 à 76 μW pour des débits de données flexibles de 0,1 à 27 Mb/s (170 pJ/b à 2,8 pJ/b) avec une efficacité système allant jusqu’à 14 % pour une tension d’alimentation de 0,5 V. Ce travail présente également une méthodologie pour la conception de SCPA à ultra-basse tension en 28 nm FD-SOI CMOS, ainsi que des considérations de conception pour les récepteurs à ultra-basse consommation.

Abstract:

Associated project: STMicroelectronics-IEMN T2 joint laboratory Abstract
This doctoral research work was carried out in the framework of the Human Intranet project. The Human Intranet concept aims at interconnecting different types of sensors and actuators on the human body for medical and wellness applications. Known RF solutions, such as Bluetooth or Ultra-Wideband, suffer from the shadow effect of the body, which degrades the quality and reliability of the communication channel. As an alternative, body-coupled communication, where the human body is used as a propagation medium, has been studied. Human body coupled communication requires transceivers with flexible data rate, comfortable user experience, low power consumption, high communication coverage and high robustness. This thesis presents an all-digital pulse-based transmitter for capacitive human body-coupled communications(c-BCC) in 28 nm FD-SOI CMOS technology. The transmitter operates at 450 MHz where surface wave propagation is the dominant mechanism, providing greater bandwidth with a more stable communication channel. The high-ratio transmitter uses a 90 MHz open-loop pseudo-differential ring oscillator and edge combiners to generate Gaussian-shaped OOK-modulated pulses through a switched capacitor power amplifier (SCPA). The wide substrate bias voltage range offered by FD-SOI technology allows for frequency tuning and efficiency optimization based on data rate. The proposed transmitter consumes 17-76 μW for flexible data rates of 0.1-27 Mb/s (170 pJ/b to 2.8 pJ/b) with a system efficiency of up to 14% at a supply voltage of 0.5 V. This work also presents a methodology for designing ultra-low voltage SCPAs in 28 nm FD-SOI CMOS, as well as design considerations for ultra-low power receivers.