1. Conception de Systèmes Robustes de Faible Puissance pour des Applications Smart-Card Thèse Julien ROCHE présentée devant L’Université de Provence par Aix-Marseille I « Sciences pour l’ingénieur: Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique » Spécialité : Micro et Nanoélectronique

2. Partenaires ATMEL Rousset Division S ecure M icrocontroller S olutions (SMS) Rousset, France A gence N ationale de la Recherche et la Technologie

5. Plan I Introduction. II Norme USB et Récupération d’Horloge. III Etat de l’art concernant la récupération d’horloge. IV Analyse et modélisation du système proposé. V Implémentation et Validation de la solution. VI Conclusion et Perspectives.

6. Partie II Norme USB et Récupération d’Horloge

10. Caractéristiques USB relatives à la Récupération d’Horloge Norme USB et Récupération d’horloge NRZI Codage 13,815 µs Temps de synchronisation 144 bits Nombre de transitions 12 Mb/s Fréquence 2500 ppm Précision d’émission 3500 ppm Jitter Spécification Caractéristiques USB

11. Partie III Etats de l’Art sur la Récupération d’Horloge

13. Etat de l’art BVP: Boucle à Verrouillage de Phase BLD: Boucle à ligne de délai + + + - - + Rapidité + + - + + + Sensibilité à la non-périodicité - - + - - - Consommation + + + + + + Bruit - - - - - - Complexité de la structure - - - - - - Surface Structures 2 BVP BLD et compteurs BVP multi-phases Machine d’état et microcontrôleur Sur-Echantillonnage BVP + BLD Etats de l’Art sur la Récupération d’Horloge

17. Partie IV Analyse et Modélisation du Système proposé

25. Caractéristiques de la BVP-IC Bande passante << Jitter du signal Bande passante << Fréquence d’entrée Stabilité Contraintes Paramètres critiques de la boucle Temps de synchronisation faible Bande passante >> Analyse et modélisation du système proposé

28. Partie V Implémentation de la Solution Conception

29. Méthode de Conception et d’Optimisation - Ratio des pôles - Gain OCT - Capacité d’entrée OCT Paramètres Système - Bande passante: ω c - Gain pompe de charge: K Φ - Marge de phase: M Φ - Coefficient d’amortissement: ς Paramètres système Bande Large R2, R3, C1, C2, C3 Paramètres Filtre Bande passante: ω c 1 Gain pompe de charge: K Φ 1 Marge de phase: M Φ 1 Coefficient d’amortissement: ς 1 Paramètres système Bande Etroite Implémentation de la Solution - Conception - Temps synchro - Niveaux bruit Contraintes Système

30. Source de courant contrôlée Implémentation de la Solution - Conception contrôle Courant de Sortie I out M16 M15 M10 M11 M12 M13 M1 I Bias M3 M4 M5 M6 M7 M8 M14 Source de courant &quot;Cascode Régulé&quot; Courant de polarisation Interrupteurs contrôlés en tension Miroir de courant M2 M9 contrôle contrôle

31. Marge de phase Contraintes: stabilité.  M Φ > 45° Implémentation de la Solution - Conception -40 -20 0 20 40 60 80 100 45° Marge de phase Marge de phase (°)  c 1 2    c 2   Fréquence (kHz) M Φ = 60° M Φ 1 = 49° 1 10 100 1000 10000 Bande étroite Bande large

35. Implémentation de la Solution - Conception Simulation transitoire de la BVP 2,8 µs Sortie du multiplicateur 24MHz +/- 2700 ppm +/- 2000 ppm Tension de contrôle de l’OCT - Typique +/- 2500 ppm Tension de contrôle de l’OCT – Pire Cas 4,3 µs Bande passante étroite Bande passante large

36. Simulation transitoire de la BVP Bande passante étroite Bande passante large 4,3 µs F = 48MHz +/- 2500 ppm Fréquence de l’Horloge générée (Hz) – Pire Cas Trame USB 12 Mb/s Implémentation de la Solution - Conception

37. Layout de la structure Filtre de boucle Source de courant OCT Source de courant modulée Hogge + mux Pompe Charge Circuit de décision 600µm 300µm Implémentation de la Solution - Conception

38. Partie VI Implémentation de la Solution Mesures

42. Résumé des Performances Système Puissance Surface Temps de synchronisation Précision d’Horloge Paramètres Vdd = 1.6 V Idd < 7 mA Vdd = 1.6 V Idd < 8 mA < 0,5 mm² 0,18 mm² < 13,815 µs < 5 µs < 2500 ppm < 2500 ppm Cahier des charges Résultats obtenus Implémentation de la Solution – Performances système

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48. Spécification USB Jitter accumulé sur les signaux différentiels à l'entrée de la fonction

49. Spécification USB jitter Jitter: - variations temporelles au moment des transitions montantes/descendantes. Pire cas: - 7 bits entre 2 transitions - 5 Hubs entre l’hôte et la fonction connectée Lignes différentielles Jitter Transitions paires Transistions consecutives Tperiode 1% 3,4% Transitions paires Transitions consécutives

50. Analyse et modélisation du système proposé Bruit de phase F (Hz) P S A (dBc) f 0 f m s ssb m P P f L  ) ( P ssb

55. Détecteur de phase fréquence de type Hogge Diagramme temporel lorsque les entrées sont en phase Détecteur de phase/fréquence le signal de données est en avance de phase par rapport au signal d'horloge Din Clock Sortie de U3 Sortie de U4 Sortie de U1 Sortie de U2 Sortie du détecteur de phase Sortie de l'intégrateur 0 1 0 1 0 1 -1 Din Clock Sortie U3 Sortie de U4 Sortie de U1 Sortie de U2 Sortie du détecteur de phase Sortie de l'intégrateur 0 1 0 1 0 1 -1 D Q D Q Pompe de charge U3 U4 D in CK Y X vers le filtre D1 D1 U2 U3 B

57. Conception du système Détecteur de phase fréquence de type Hogge: Amélioration Din Clock Sortie de U1 Sortie de U2 Sortie de l'integrateur 0 1 0 1 Sortie de U3 0 1 Sortie de U4 0 1 Dent de scie

58. Bruit parasites Tension de Contrôle de l’OCT S1 S2 S3 S4 Temps (s)

59. Analyse et modélisation du système proposé Détecteur de phase fréquence de type Alexander Détecteur de Type Alexander Trois échantillonnages par trois fronts consécutifs. D Q D Q D Q D Q Pompe de charge FF1 FF3 FF4 FF2 S3 S1 S2 S0 D in CK Y X vers le filtre S3 D in CK S1 S2 S3 S1 S2 t t Clock early Clock late

61. Solution d’adaptation de bande passante bande passante est proportionnel à la pulsation naturelle La pulsation naturelle est proportionnel au gain K Φ K Φ est proportionnel au courant de la pompe de charge

62. Cellule de délai proposé Vctrl Mpc Mp1 Mp1 Mn1 Mn1 In+ In- Out+ Out- Mpc Vdd Vdd Analyse et modélisation du système proposé Délai #1 Délai #2

63. -41.80 dBc/Hz @100Hz -115.79 dBc/Hz @500KHz Bruit de phase (dBc/Hz) Distance de la porteuse (Hz)

64. Source de courant contrôlée Comportement de la cellule de type cascode régulé Source de courant contrôlée de façon analogique Première méthode M1 M2 Tension de controle Courant de Sortie I out M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 Courant de polarisation contrôlé en tension Miroir de courant cascode Source de courant &quot;Cascode Régulé&quot; V gs8 i d8 V ds8 V ds8(sat) V ds8(min) I out

65. Simulation de la source de courant contrôlée Courant de sortie (Iout) (µA) Tension de contrôle de la source de courant (Vcont) (mV) Iout pour différentes tensions de sortie Comprises entre 400mV et 1.8V

67. Tension de sortie (V) Valeur du courant de sortie (µA) Différente valeur de contrôle Source de courant contrôlée Implémentation de la Solution - Conception

69. Analyse et modélisation du système proposé Bruit dans la boucle Fonction de transfert de bruit des différentes sources vers la sortie du système : a) Référence, DPF et pompe de charge, filtre de boucle. b) OCT a) b) C  C  1 Fréquence G(s) 1 1 Fréquence ) ( 1 s G ) ( 1 ) ( s G s G  ) ( 1 1 s G 

70. Conception Système complet Buffer X7 oct PdC Source modulée Hogge Filtre

71. Densité spectral NRZI Puissance (dB) Fréquence (Hz)

72. Conception and design Schéma bloc du multiplicateur de fréquence Données (t) Dérivation Intégration Redresseur Sélection d’harmonique Amplification Signal d’horloge (t) Rehaussement

73. Quantité D’échantillon Conception du système caractérisation de la fonction de bruit. Valeur Du coefficient de décalage temporelle

74. Conception and design Isource Ipuit Isource Ipuit Source de courant controlée

78. Conception du système Calcul des paramètres du filtre: ADS L’impédance du filtre vaut: Calcul les constantes de temps de façon a maximiser la marge de phase: On calcul differents paramètres C1, C2, C3, R2, R3, ς , ω n , ω c

79. Mesures

80. Conception du système Fréquence de l’OCT (MHz) Tension de contrôle de l’OCT (V) Best-Case Process Temperature=-25° Supply=1.9v Worst-Case Process Temperature=85° Supply=1.7v 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 0.25 0.82