CMOS Microwave Power Amplifier Design for Chireix Configurations

Joris

Lambrecht

Laurens

Bogaert

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...

Bibliografie

Bibliography[1] P. Reynaert; M. Steyaert. RF Power Ampliers for Mobile Communications. Springer, rstedition, 2006.[2] Mouser Electronics. Rf power amplier eciency: Big challenges for designers."http://www.mouser.com/publicrelations_techarticle_rf_power_amp_efficien…". Accessed: 2015-04-14.[3] Eta Devices. Eta devices website: Our technology. "http://etadevices.com/our-technology/". Accessed: 2015-05-20.[4] Steve C. Cripps. RF Power Ampliers for Wireless Communications. Artech House, secondedition, 2006.[5] SungWon Chung ; Godoy P.A. ; Barton T.W. ; Huang E.W. ; Perreault D.J. ; DawsonJ.L. Asymmetric multilevel outphasing architecture for multi-standard transmitters. RadioFrequency Integrated Circuits Symposium, 2009. RFIC 2009. IEEE, pages 237 { 240, June2009.[6] Philip A. Godoy ; David J. Perreault; Joel L. Dawson. Outphasing Energy Recovery Ampli-er with resistance compression for improved eciency. IEEE Transactions on MicrowaveTheory and Techniques, (Volume:57 , Issue: 12 ), pages 2895 { 2906, December 2009.[7] Dixian Zhao ; Kulkarni S. ; Reynaert P. A 60-GHz Outphasing Transmitter in 40-nmCMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits, (Volume:47 , Issue: 12 ), 47(12):3172 {3183, October 2012.[8] Tsan-Wen Chen ; Ping-Yuan Tsai ; Jui-Yuan Yu; Chen-Yi Lee. A sub-mw all-digital signalcomponent separator with branch mismatch compensation for OFDM LINC transmitters.Solid State Circuits Conference (A-SSCC), 2010 IEEE Asian, pages 1 { 4, 8-10 Nov. 2010.[9] Ying Tian ; Hammi O. ; Boumaiza S.; Ghannouchi F.M. Design and optimization ofdigital signal components separator of LINC transmitters using FPGA processors. IEEEInternational Conference on Signal Processing and Communications, 2007. ICSPC 2007.,pages 836 { 839, 24-27 Nov. 2007.[10] Panseri L. ; Romano L. ; Levantino S. ; Samori C. ; Lacaita A.L. Low-power signalcomponent separator for a 64-QAM 802.11 LINC transmitter. IEEE Journal of Solid-StateCircuits, (Volume:43 , Issue: 5 ), pages 1274 { 1286, May 2008.[11] Yan Li ; Zhipeng Li ; Uyar O. ; Avniel Y. ; Megretski A. ; Stojanovic V. High-throughputsignal component separator for Asymmetric Multi-Level Outphasing power ampliers. IEEEJournal of Solid-State Circuits, (Volume:48 , Issue: 2 ), pages 369 { 380, February 2013.[12] Raab F.H. Eciency of Outphasing RF Power-Amplier Systems. IEEE Transactions onCommunications, (Volume:33 , Issue: 10 ), 33(10):1094 { 1099, October 1985.BIBLIOGRAPHY 154[13] MA (US) Inventors: Joel L. Dawson; David J. Perreault; SungWon Chung; Philip Godoy;Everest Huang. Assignee: MIT, Cambridge. Asymmetric Multilevel Outphasing Architecturefor RF Ampliers. US patent No. 8,026,763 B2, pages 1{23, Sep. 27, 2011.[14] Patentdocs. Eta devices, inc. patent applications. "http://www.faqs.org/patents/assignee/eta-devices-inc/". Accessed: 2015-05-20.[15] MIT Technology Review. Eciency Breakthrough Promises Smartphonesthat Use Half the Power. "http://www.technologyreview.com/news/506491/efficiency-breakthrough-pro…".Accessed: 2015-05-20.[16] Nagareda R. ; Fukawa K. ; Suzuki H. An MMSE based calibration of LINC transmitter.Vehicular Technology Conference, 2002. VTC Spring 2002. IEEE 55th (Volume:2 ), pages625 { 629 vol.2, 2002.[17] Zhiwen Zhu ; Xinping Huang. An iterative calibration technique for LINC transmitter.2013 IEEE 56th International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS),pages 384 { 387, 4-7 Aug. 2013.[18] Joonhoi Hur ; Hyoungsoo Kim; Ockgoo Lee; Kwan-Woo Kim; Kyutae Lim; Bien F. Anamplitude and phase mismatches calibration technique for the LINC transmitter with unbalancedphase control. IEEE Transactions on Vehicular Technology (Volume:60 , Issue:9 ), pages 4184 { 4193, 10 Oct. 2011.[19] Chandrasekaran R. ; Gandhi R.; Kolanek J.C. ; Shynk J.J. ; Thomas A.L. Adaptivealgorithms for calibrating a LINC amplier. IEEE Radio and Wireless Conference, 2001.RAWCON 2001., pages 214 { 244, 19 Aug 2001-22 Aug 2001.[20] Robin Wesson; Mark van der Heijden. Switch-mode RF PAs using Chireix outphasing(Simplied theory and practical application notes). NXP, May 2013.[21] Binkley D.M. Tradeos and Optimization in Analog CMOS Design. 14th InternationalConference on Mixed Design of Integrated Circuits and Systems, 2007. MIXDES '07., pages47 { 60, 21-23 June 2007.[22] Binkley D.M. Tradeos and Optimization in Analog CMOS Design. John Wiley & SonsLtd, rst edition, 2008.[23] P. Rombouts. Advanced analog design, course at Ghent University. 2015.[24] Zisheng Li. Analysis and Design of Highly Ecient Class-E Ampliers for Indoor Ranging.2012-2013.[25] Razavi B. RF Microelectronics. Pearson Education, 2nd edition, 2011.[26] Voinigescu S. High-Frequency Integrated Circuits. Cambridge University Press, 2013.[27] Jan Craninckx; Michiel S. J. Steyaert. A 1.8-GHz Low-Phase-Noise CMOS VCO UsingOptimized Hollow Spiral Inductors. IEEE journal of solid-state circuits, 32(5):736{744,1997.[28] P.E. Allen. CMOS Analog Circuit Design: Lecture 070 Resistors and Inductors. http://www.aicdesign.org/SCNOTES/2010notes/Lect2UP070_(100419).pdf, 2010.[29] William B. Kuhn; Noureddin M. Ibrahim. Analysis of Current Crowding Eects in MultiturnSpiral Inductors. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 49(1):31{38, 2001.BIBLIOGRAPHY 155[30] Ji Chen; Juin J. Liou. On-Chip Spiral Inductors for RF Applications: An Overview. journalof semiconductor technology and science, 4(3):149{167, 2004.[31] Goran Jerke; Jens Lienig. Hierarchical Current-Density Verication in Arbitrarily ShapedMetallization Patterns of Analog Circuits. IEEE Transactions on Computer-Aided Designof Integrated Circuits And Systems, 23(1):80{90, 2004.[32] Ji Chen; Juin J. Liou. On-Chip Spiral Inductors for RF Applications: An Overview. JournalOf Semiconductor Technology and Science, 4(3):149{167, 2004.[33] Yu Cao; Robert A. Groves; Xuejue Huang; Noah D. Zamdmer; Jean-Olivier Plouchart;Richard A. Wachnik; Tsu-Jae King; Chenming Hu. Frequency-Independent Equivalent-Circuit Model for On-Chip Spiral Inductors. IEEE journal of solid-state circuits, 38(3):419{426, 2003.[34] Sunderarajan S. Mohan; Msaria del Mar Hershenson; Stephen P. Boyd; Thomas H. Lee.Simple Accurate Expressions for Planar Spiral Inductances. IEEE journal of solid-statecircuits, 34(10):1419{1424, 1999.[35] Jan Vandewege. Course: High Speed Electronics (University of Ghent). 2013-2014.[36] Winfried Bakalski; Werner Simbiirger; Herbert Knapp; Hans-Dieter Wohlmuth; Arpad L.Scholtz. Lumped and Distributed Lattice-type LC-Baluns . Microwave Symposium Digest,2002 IEEE MTT-S International, 1, 2002.[37] Tadashi Kawai; Yoshihiro Kokubo; Isao Ohta. Broadband Lumped-element 180-degreeHybrids Utilizing Lattice Circuits . Microwave Symposium Digest, 2001 IEEE MTT-SInternational, 1, 2001.[38] L. Besser and R. Gilmore. Practical RF Circuit Design for Modern Wireless Systems,volume 1 of Artech House microwave library. Artech House, Incorporated, 2002.[39] Tak Shun Dickson Cheung; John R. Long. A 2126-GHz SiGe Bipolar Power AmplierMMIC. IEEE journal of solid-state circuits, 40(12):2583{2597, 2005.[40] Sunderarajan S. Mohan. The design, modeling and optimization of on-chip inductor andtransformer circuits. PhD thesis, Stanford University, 1999.[41] Ichiro Aoki; Scott D. Kee; David B. Rutledge; Ali Hajimiri. Distributed Active TransformerANew Power-Combining and Impedance-Transformation Technique. IEEE transac-tions on microwave theory and techniques, 50(1):316{331, 2002.[42] Pozar D. Microwave Engineering. Wiley, 4rd edition, 2012.[43] W. Fan; Albert Lu; L. L. Wai; B. K. Lok. Mixed-Mode S-Parameter Characterizationof Dierential Structures. Electronics Packaging Technology, 2003 5th Conference (EPTC2003), pages 533{537, 2003.[44] Jerry Sevick. A Simplied Analysis of the Broadband Transmission Line Transformer. HighFrequency Electronics, February 2004.[45] Anaren. Measurements techniques for baluns. "https://www.anaren.com/sites/default/files/uploads/File/BalunTesting_0…".[46] Kopp W.S.; Pritchett S. High eciency power amplication for microwave and millimeterfrequencies. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1989., 3(1):857{858, 1989.BIBLIOGRAPHY 156[47] Scott D. Kee; Ichiro Aoki; Ali Hajimiri; David B. Rutledge;. The Class-E/F Family ofZVS Switching Ampliers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,51(6):1677{1690, 2003.[48] Ali M. Niknejad. ASITIC. http://rfic.eecs.berkeley.edu/~niknejad/asitic.html.[49] Ali M. Niknejad. Analysis, Simulation, and Applications of Passive Devices on ConductiveSubstrates. PhD thesis, Berkeley University, 2000.