CMOS Microwave Power Amplifier Design for Chireix Configurations

Efficiëntere versterkers vermenigvuldigen de batterijduur van jouw smartphone... Joris Lambrecht, Laurens Bogaert Draadloze communicatie zoals GSM, 4G en in de toekomst 5G, internet via WiFi, GPS... is niet mogelijk zonder vermogenversterkers, die het signaal krachtig genoeg maken om de afstand tot aan de ontvanger te overbruggen. Deze versterkers zijn een zeer bepalende factor in het totale vermogenverbruik en bv. de batterijduur van een smartphone. Ze moeten zo efficiënt mogelijk zijn zonder het signaal te sterk te vervormen, zodat de ontvanger er de informatie nog kan uithalen. Zuiniger, goedkoper, sneller... Traditionele vermogenversterkers zijn enkel efficiënt rond het maximale uitgangsvermogen, maar daar vervormen ze het signaal te sterk. Het uitgangsvermogen moet begrensd worden op een maximum waar de vervorming nog aanvaardbaar is, maar hier is de versterker minder efficiënt: hij verbruikt er veel vermogen in verhouding met het nuttige uitgangsvermogen. Bovendien komen lagere signaalvermogens meestal veel vaker voor dan hoge. De versterker wordt dus het meest gebruikt in zijn minstefficiënte gebied, waardoor de gemiddelde efficiëntie sterk daalt. Een compromis tussen signaalvervorming en efficiëntie dringt zich op. 'Doherty'- en 'outphasing'-versterkers zijn echter in staat om dit compromis te doorbreken en tegelijkertijd de efficiëntie en de signaalvervorming sterk te verbeteren. Digitale processoren vormen vandaag de meerderheid van alle geproduceerde chips en zijn het 'brein' van alle smartphones, tablets, laptops, pc's... Ze worden geproduceerd in een 'goedkope' technologie: CMOS, waarin transistors gemaakt worden op nanometer-schaal. Hierdoor passen er veel transistors op een kleinere chip, die dus erg veel kan, zonder veel plaats in te nemen of veel vermogen te verbruiken. Nanometer-CMOS is minder geschikt voor vermogenversterkers omdat de transistors, o.a. omdat ze zo klein zijn, 'fragiel' zijn: als er een te grote spanning komt over te staan, gaan ze kapot. Vermogenversterkers worden daarom vaak in andere technologieën gemaakt; die robuustere transistors mogelijk maken, maar ook veel duurder zijn en niet geschikt zijn voor het grote aantal digitale circuits... Het is een zeer grote en economisch relevante uitdaging om de analoge onderdelen, zoals vermogenversterkers, ook in CMOS te ontwerpen: zo kunnen ze samen met de digitale circuits op eenchip gemaakt worden en daalt de totale kost sterk.  Huidige draadloze communicatiesystemen, zoals GSM, 4G, WiFi... gebruiken meestal frequentiebanden onder of rond 2.4 GHz. Deze banden raken verzadigd, terwijl de vraag naar hogere datarates blijft toenemen. Toekomstige standaarden, zoals 5G, zullen hogere frequenties gebruiken (bv. 30-60 GHz). In deze thesis werd 15 GHz beschouwd, als eerste stap op weg naar 30 of 60 GHz. Ook satelliet-communicatie toepassingen (Ku-band: 12-18 GHz; Ka-band: 26.5-40 GHz) situeren zich nabij 15 GHz. Het uitgangsvermogen moet groot genoeg zijn vanwege de zeer lange afstand, en de efficiëntie moet hoog zijn: het vermogensbudget in de satelliet is beperkt. "Satcom"-versterkers worden daarom typisch gemaakt in dure III-V-technologieën i.p.v. in "goedkoop" "digitaal" nanometer-CMOS. Samengevat: de combinatie van outphasing met nanometer-CMOS omzeilt de traditionele trade-offs, reduceert het verbruik en de totale kost, en is een 'hot topic'. Outphasing Traditionele versterkers versterken een signaal waarvan de informatie in de fase en in de amplitude verwerkt zit. De lage amplitudes komen veel voor, maar de versterker is er inefficiënt. Bij hoge ingangsvermogens satureert het uitgangsvermogen: kleine ingangsamplitudes worden meer versterkt dan grote, de uitgangsamplitude is dus geen lineaire functie van de ingangsamplitude, waardoor de signaalvervorming snel onaanvaardbaar wordt. 'Outphasing' elimineert de amplitudemodulatie door het signaal te ontbinden als som van twee signalen met een constante amplitude en een tegengestelde component in de fase. De deelsignalen worden versterkt door versterkers die geen lineair amplitudegedrag moeten hebben (want de ingangsamplitude is nu constant), en vaak veel efficiënter zijn. De amplitudemodulatie keert versterkt terug aan de uitgang door het vermogen van de twee deelversterkers te combineren. De totale versterker is in theorie lineair over het volledige bereik en kan tot aan het maximale uitgangsvermogen gebruikt worden: het potentieel wordt volledig benut en de efficiëntie gemaximaliseerd. Bij gewone 'outphasing' versterkers daalt de efficiëntie nog steeds bij lagere uitgangsvermogens, als de hoek tussen de deelsignalen stijgt. 'Multilevel outphasing' voert meerdere niveau's in: de voeding van de deelversterkers kan naar een lager niveau geschakeld worden, waardoor het haalbare uitgangsvermogen daalt, de hoek tussen de signalen 'gereset' kan worden, en de efficiëntie opnieuw piekt.  Initieel werden verschillende versterkerklasses ontworpen in 45 nm CMOS (1.1V). Vervolgens werd hieruit een redelijk onconventionele versterkerklasse gekozen. In het volledige ontwerp werden trucs gebruikt om de onvermijdelijke parasitaire elementen als nuttige elementen te gebruiken. Verschillende varianten, met en zonder 'load modulation' of 'multilevel outphasing', werden ontworpen (met uitzondering van de layout) en vergeleken. Bij 'load modulation' is de combiner aan de uitgang niet-isolerend, waardoor de versterkers elkaars lastimpedantie beïnvloeden. Dit verhoogt opnieuw de efficiëntie sterk, maar gaat vaak ten koste van meer signaalvervorming. Resultaten Vertrekkende van twee 1 mW-ingangssignalen wordt een piekvermogen van 144 mW behaald bij een maximale totale efficiëntie van 49,5 %. De zelf-opgelegde maximumspanningen (bv. VDG < 2,2 V) worden niet overschreden en bij typische signalen slechts zelden bereikt, wat de levensduur van de versterker ten goede komt. De uitgang is zeer lineair over het volledige bereik. De efficiëntie kan hoog blijven bij lage uitgangsvermogens dankzij 'multi-level outphasing', waardoor de totale gemiddeldeefficiëntie waarmee een doorsnee signaal versterkt wordt, sterk toeneemt. Een groter deel van het verbruikte vermogen wordt dus in nuttig uitgangsvermogen omgezet en een kleiner deel in warmte, waardoor de chip koeler blijft en langer kan meegaan.Ter vergelijking: de iPhone 5 bevat een 40 nm-CMOS vermogenversterker die 35 % efficiëntie behaalt bij 2,4 GHz en 29 mW. In deze thesis werd in een vergelijkbare technologie 15 % extra efficiëntie behaald bij een frequentie die meer dan zes keer hoger is en een uitgangsvermogen dat vijf keer hoger ligt. Het ontwerp doorstaat de vergelijking met andere vermogenversterkers zeer goed (Tabel 1) en biedt een goede combinatie aan van lineariteit, efficiëntie en uitgangsvermogen. De in deze thesis gedemonstreerde principes zijn toepasbaar bij veel van de vermelde frequenties en toepassingsgebieden. Het potentieel van outphasing-versterkers is reeds bewezen: Eta Devices (MIT-spinoff, 2010) biedt zeer efficiënte lineaire 'outphasing'-versterkers aan voor mobiele gebruikers, netwerkapparatuur, base stations...