Modélisation en vue de l'intégration d'un système audio de micro puissance comprenant un haut-parleur MEMS et son amplificateur

Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%.This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

A Data Fusion System to Study Synchronization in Social Activities

As the world population gets older, the healthcare system must be adapted, among others by providing continuous health monitoring at home and in the city. The social activities have a significant role in everyone health status. Hence, this paper proposes a system to perform a data fusion of signals sampled on several subjects during social activities. This study implies the time synchronization of data coming from several sensors whether these are embedded on people or integrated in the environment. The data fusion is applied to several experiments including physical, cognitive and rest activities, with social aspects. The simultaneous and continuous analysis of four subjects cardiac activity and GPS coordinates provides a new way to distinguish different collaborative activities comparing the measurements between the subjects and along time.Comment: Healthcom 201

Characterization of a Multi-User Indoor Positioning System Based on Low Cost Depth Vision (Kinect) for Monitoring Human Activity in a Smart Home

An increasing number of systems use indoor positioning for many scenarios such as asset tracking, health care, games, manufacturing, logistics, shopping, and security. Many technologies are available and the use of depth cameras is becoming more and more attractive as this kind of device becomes affordable and easy to handle. This paper contributes to the effort of creating an indoor positioning system based on low cost depth cameras (Kinect). A method is proposed to optimize the calibration of the depth cameras, to describe the multi-camera data fusion and to specify a global positioning projection to maintain the compatibility with outdoor positioning systems. The monitoring of the people trajectories at home is intended for the early detection of a shift in daily activities which highlights disabilities and loss of autonomy. This system is meant to improve homecare health management at home for a better end of life at a sustainable cost for the community

Contribution à l'amélioration de la gestion de l'énergie dans les applications audio embarquées

Les systèmes embarqués tels que les téléphones portables ou les lecteurs multimédia intègrent de plus en plus de fonctions consommatrices d'énergie ce qui a pour conséquence directe une diminution de leurs autonomies. Les applications audio dans les téléphones cellulaires et en particulier l'application casque font partie des fonctions les plus consommatrices d'énergie. Après un état de l'art des solutions permettant l'amplification de signaux audio, l'amplificateur de classe G à été identifié comme étant le meilleur candidat pour obtenir une amélioration du rendement tout en fournissant une bonne qualité de reproduction sonore. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur la détection d'enveloppe de ces architectures qui est un facteur clé dans la maximisation du rendement. Une étude des propriétés temporelles, fréquentielles et statistiques des signaux présents en entrée de l'amplificateur a ainsi été menée pour mettre en évidence les différences entre les signaux classiquement utilisés (signal sinusoïdal) et les signaux réellement écoutés par les utilisateurs (musique). Après avoir effectué une sélection de signaux pour la suite de notre étude, nous avons également caractérisé la puissance correspondant à des conditions normales d'écoute afin d'obtenir par la suite un environnement de test proche des conditions réelles de fonctionnement. Un modèle simplifié et rapide d'amplificateur hybride permettant d'obtenir en quelques dizaines de secondes, l'évaluation du rendement, de la consommation et de la qualité sonore dans des conditions réelles de fonctionnement a été développé. Notre modèle, entièrement configurable et réadaptable à d'autres types de circuits a été validé par mesures pratiques des performances d'un amplificateur existant. Les paramètres de la détection d'enveloppe de ce modèle ont fait l'objet d'une optimisation basée sur le couplage séquentiel de deux algorithmes d'optimisation, permettant ainsi dans un temps limité d'obtenir une solution optimale sans solution de départ sous des conditions réelles d'utilisation. La suite de notre étude nous a conduit à étudier, modéliser, optimiser et comparer des amplificateurs de classe G possédant un nombre de tensions d'alimentation supérieur (3, 4) ainsi que des amplificateurs de classe H (alimentations continues) afin d'améliorer encore le rendement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle détection d'enveloppe permettant d'améliorer le rendement à faible puissance. Cette nouvelle détection d'enveloppe permet à l'amplificateur de classe G un fonctionnement en multi niveau et d'être auto adaptatif au signal audio présent en entrée de l'amplificateur. Après avoir développé des méta-modèles pour optimiser les paramètres de la détection d'enveloppe, cette détection d'enveloppe a été implémentée au niveau transistor en technologie 0.25 m de ST Microelectronics.Embedded systems such as mobile phones, tablets and GPS incorporate an increasing number of electronic functions that generate a decrease in battery life. The aim of this work is to propose new solutions for audio amplifiers for the headphone application because this application has a large impact on battery autonomy. To improve the efficiency of actual amplifiers, a behavioral model of this kind of amplifier has been developed and validated by practical measures. This model, fast, accurate and reconfigurable allows in few seconds to evaluate the efficiency, consumption and quality of sound reproduction in real conditions of operation. Through the use of this model coupled with an optimizing method based on two algorithms, several architectures of level detector were studied and compared allowing to define the best compromise. A new architecture is then proposed, simulated and optimized in a 0.25 m technology from ST Microelectronics to demonstrate the feasibility of the solution.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Characterization of a multi-user indoor positioning system based on low cost depth vision (Kinect) for monitoring human activity in a smart home

International audienceAn increasing number of systems use indoor positioning for many scenarios such as asset tracking, health care, games, manufacturing, logistics, shopping, and security. Many technologies are available and the use of depth cameras is becoming more and more attractive as this kind of device becomes affordable and easy to handle. This paper contributes to the effort of creating an indoor positioning system based on low cost depth cameras (Kinect). A method is proposed to optimize the calibration of the depth cameras, to describe the multi-camera data fusion and to specify a global positioning projection to maintain the compatibility with outdoor positioning systems. The monitoring of the people trajectories at home is intended for the early detection of a shift in daily activities which highlights disabilities and loss of autonomy. This system is meant to improve homecare health management at home for a better end of life at a sustainable cost for the community

Contrôle et intégration d'amplificateurs de classe D à commande numérique pour la téléphonie mobile

L'intégration de nombreuses fonctions complexes dans les systèmes embarqués, tels que les téléphones portables, conduit à optimiser la consommation d'énergie pour maintenir l'autonomie de fonctionnement. Concernant la chaine de reproduction sonore, la consommation a été réduite par l'utilisation d'amplificateurs de classe D analogique, mais la nature numérique de la source audio impose encore un convertisseur numérique analogique en amont. La forte consommation de ce CAN et la qualité de reproduction sonore de l'amplificateur sont actuellement les principales limitations de cette approche. Ce travail de recherche, réalisé en quatre phases, a donc pour objectifs d'apporter des améliorations et de proposer de nouvelles architectures pour réduire ces limitations. Concernant l'amplificateur de classe D analogique, une boucle d'asservissement analogique basée sur un modulateur auto-oscillant à hystérésis a été développée pour réduire la consommation et augmenter sa qualité de reproduction. Cette étude a été validée par la réalisation d'un circuit en technologie CMOS 130 nm. La possibilité de piloter l'amplificateur de classe D directement par un signal de commande numérique a ensuite été envisagée. Le train d'impulsions nécessaire à la commande de l'étage de puissance est obtenu par modulation numérique de la source audio. L'utilisation en boucle ouverte de l'étage de puissance ne permet néanmoins pas d'obtenir un signal audio de sortie insensible aux variations de l'alimentation. Un asservissement analogique local autour de l'étage de puissance est donc nécessaire. La réalisation en technologie CMOS 130 nm de cette architecture a permis la validation des études effectuées (fonctionnement, stabilité, bande passante, modélisations des éléments non linéaires,...).The integration of many complex functions in embedded systems such as mobile phones, led to optimize energy consumption to maintain operational autonomy. Concerning the chain of sound reproduction, consumption was reduced by the use of analog Class D amplifiers, but the nature of the digital audio source requires a digital to analog converter further upstream. The high consumption of the ADC and the quality of sound reproduction of the amplifier are currently the main limitations of this approach. This research, conducted in four phases, thus aims to make improvements and propose new architectures to reduce these limitations. Regarding the Class D amplifier analog control loop an analog modulator based on a self-oscillating hysteresis has been developed to reduce consumption and increase its quality of reproduction. This study was validated by the realization of a circuit in CMOS 130 nm. The ability to control the class D amplifier directly from a digital control signal was then considered. The train of pulses needed to control the power stage is obtained by digital modulation of the audio source. The use of open-loop output stage, however, does not produce an audio signal output insensitive to variations in the diet. A local analog servo around the power stage is required. Realization in CMOS 130 nm of this architecture has allowed the validation studies (operation, stability, bandwidth, modeling non-linear elements ,...). The interface between the digital modulator and the analog part is very sensitive to disturbance. A digital control overall Class D amplifier with digital control has been studied to control the interface. A prototype of this control is in progress.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Optimisation d'architectures intégrées et synthèse automatique de layout

La conception des architectures mixtes est aujourd hui un défi à bien des égards. Qu il s agisse de la conception ou de la vérification, le haut niveau d intégration permis par les technologies récentes impose de développer de nouvelles méthodes. En particulier, la synthèse des architectures analogiques se caractérise par un manque d automatisation, et de fiabilité des circuits réalisés. Ainsi, nos travaux s inscrivent dans le développement d une méthodologie et d outils permettant la synthèse optimale des architectures analogiques. Ainsi, nous proposons d inscrire la synthèse des circuits analogiques dans un flot de conception descendant, et de les formuler sous forme de problèmes d optimisation. La méthode proposée permet de concevoir les architectures en vue de leur réutilisation. Elle est mise en œuvre sur le cas d une interface capteur à base de convertisseur de type sigma delta.The analog part of sensor interfaces is the most critical phase in the development of mixed-signal designs. Typically, analog cells are characterized by a large number of possibly competing performance specifications. Thus standardized analog design remains very hard. Indeed, mixed signal or simply analog systems design, with changes in any of the specifications frequently involves a complete redesign of systems. A great effort on Computer-Aided Design products has been done to provide solutions that automate (part or whole) analog design and some industrial products emerged. Moreover, optimization concept introduced in the analog design flow has added a new level of complexity, because designers have to set an optimization problem. In this work, we propose a hybrid approach for design and optimization of analog circuits. A solution is proposed to formulate a multi objective optimization problem with a great effort to reduce the need of designer's mathematical knowledge. It is applied on a sigma delta modulator architecture, in a top down design approach.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Caractérisation, modélisation, conception pour des applications analogiques grande surface dans la technologie transistors en couches minces en silicium polycristallin (TFT Poly-Si)

L objectif de ce travail est d étudier le potentiel de la technologie des transistors en couches minces à base de silicium polycristallin (TFT Poly-Si) pour la conception de circuits analogiques. Le gain en mobilité par rapport à la technologie amorphe (TFT a-Si), permet l intégration directement sur la dalle en verre de nouvelles fonctionnalités pour obtenir des systèmes à fortes valeurs ajoutées. Les travaux ont porté sur la caractérisation et la modélisation des transistors en vue d une conception analogique. Un accent particulier a été mis sur la modélisation de l erreur d appariement dans cette technologie. Puis nous avons présenté une nouvelle architecture pour une application de capteur d empreintes capacitif. Elle est basée sur un traitement parallèle des données et est parfaitement adaptée aux contraintes de la technologie. Elle permet notamment de simplifier le pixel et de compenser la tension de décalage aléatoire de l amplificateur de charges.The purpose of this work is to investigate the potential of Polysilicon Thin Film Transistors technology (Poly-Si TFT) for analog circuits design. The higher carrier mobility compared to amorphous silicon TFT allows the integration of various functional circuits on a single glass substrate, thus resulting in high value added systems. This work has been focused on the characterization and modeling of TFT Poly-Si transistors in order to design analog circuits. A new method for mismatch modeling has been exposed. Then a novel architecture for capacitive fingerprint sensor has been presented. This architecture based on column-parallel architecture is used for pixel simplification and for offset voltage cancellation of column charge amplifier.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Conception en technologie CMOS standard d'une interface pour capteurs capacitifs dédiée à la mesure d'humidité relative

L'amélioration continue des performances, de la sécurité et de l'économie d'énergie exige la présence de capteurs de plus en plus nombreux. Cette thèse propose un système de mesure dédié aux capteurs capacitifs dans les domaines de l'automobile et du grand public. Elle se base sur un modulateur sigma delta d'ordre deux associé à un capteur de température et un calibrage en deux points par PROM. La linéarisation de la caractéristique du capteur est assurée par un CNA de retour multibits. Un circuit a été conçu en technologie CMOS standard pour la réalisation d'une sonde de mesure d'humidité relative à partir d'un capteur commercial discret.the continous improvement of performences, secutity and power efficiency lead to the growth of sensors interaction in many applications. This thesis reports on a capacitive sensor interaction for automotive and public applications. It is based on a two-points calibration by PROM while the linear behaviour of the sensor characteristics is achieved thanks to a modular multibits technology to build a relative humidity probe from a commercial discret sensorVILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Etude et optimisation de structures intégrées analogiques en vue de l'amélioration du facteur de mérite des amplificateurs opérationnels

Rail à rail entrée - sortie, classe AB, faible consommation sont autant de critères que le concepteur d'amplificateur opérationnel (AOP) intègre pour réaliser une cellule analogique performante. Pour un AOP standard, l'accent n'est pas porté sur une caractéristique particulière mais sur l ensemble de celle-ci. Dans le but d'augmenter le nombre de fonction par circuit intégré, la tension d'alimentation des AOPs ainsi que leur consommation en courant tendent à diminuer. L'objectif des circuits réalisés est de doubler le facteur de mérite des circuits déjà présents dans le portefeuille de STMicroelectronics. Le facteur de mérite est un indice qui compare des circuits équivalents. Il est défini par le rapport entre le produit capacité de charge x produit gain bande-passante et le produit courant de consommation x tension d'alimentation. L'état de l'art des structures d'AOPs a orienté l'étude vers des structures analogiques possédant au moins trois étages de gain. Un niveau de gain statique supérieur à la centaine de décibel est nécessaire pour utiliser ces amplificateurs dans des systèmes contre-réactionnés. Puisque chaque étage de gain introduit un noeud haute impédance et que chaque noeud haute impédance est à l'origine d'un pôle, l'étude de la compensation fréquentielle s'est avérée indispensable pour obtenir des structures optimisées. Pour simplifier l'étude de ces AOPs, le développement d'outils d'aide à la conception analogique a contribué à l'automatisation de plusieurs tâches.. Ces différents travaux ont été ponctués par la réalisation et la caractérisation de six circuits. Les compensations fréquentielles utilisées dans ces circuits sont la compensation nested miller , la compensation reversed nested miller et la compensation multipath nested miller . Parmi les six circuits, une moitié a été réalisée uniquement dans le but de valider des concepts de compensation fréquentielle et l'autre moitié avec toutes les contraintes d'une documentation technique propre à la famille d'AOP standard.To be in line with the standard of operational amplifier (opamp), designer integrates in his circuit several functionalities like a Rail to rail input and output, class AB output stage and low power consumption. For standard products, there is no outstanding performance but the average of all of them has to be good. In order to increase the number of functions on an integrated circuit, the power supply and current consumption are permanently decreasing. The aim of the designed circuits is to double the figure of merit (FOM) of the actual ST portfolio products. The FOM allows the comparison of similar opamps. It is defined by the ratio of the product of capacitive load x gain-bandwith product over the power consumption. The opamps state of the art has led this study to three stages analog cells. A DC gain higher than hundreds of decibel is required to use opamps in feedback configuration. As each stage of the structure introduces a high impedance node and as each high impedance node introduces a pole, the study of frequency compensation technics became essential for well optimized structures. To simplify the study of the opamps, three tools have been developed to help in the design of the frequency compensation network and to automate some tasks. This work has been followed by the realization of six cells. Three of them were designed to validate frequency compensation structure and the other three to satisfy a standard opamp datasheet. Nested Miller, Reversed Nested Miller and Multipath Nested Miller compensations were used in these circuits.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF