Integrated RF power amplifier design in Silicon-based technologies

Integrierter RF Leistungsverstärker Entwurf in Siliziumbasierten Technologien

This thesis presents the design and implementation of the RF power amplifiers in modern silicon based technologies. The main challenge is to include power amplifier on a single chip with output power level in watts, operating at high frequencies where the transit frequency (fT) is just a few times higher than the operating frequency. This work describes the design procedure for bipolar and CMOS transformer-based Class-A, Class-AB and Class-B power amplifiers. The design procedure is based on the HICUM for bipolar and BSIM4 for CMOS transistor models and is divided in four parts: •Building a one transistor prototype power amplifier which is based on the analytical analysis of the output characteristics and transistor model. •Load-pull simulation to define the final input and output impedances. •Derivation of the analytical equations for the transformer-based matching network. •Design of the final transformer-based push-pull power amplifier. A good agreement between the proposed analytical analysis and large-signal (harmonic balance) si
This thesis presents the design and implementation of the RF power amplifiers in modern silicon based technologies. The main challenge is to include power amplifier on a single chip with output power level in watts, operating at high frequencies where the transit frequency (fT) is just a few times higher than the operating frequency. This work describes the design procedure for bipolar and CMOS transformer-based Class-A, Class-AB and Class-B power amplifiers. The design procedure is based on the HICUM for bipolar and BSIM4 for CMOS transistor models and is divided in four parts: •Building a one transistor prototype power amplifier which is based on the analytical analysis of the output characteristics and transistor model. •Load-pull simulation to define the final input and output impedances. •Derivation of the analytical equations for the transformer-based matching network. •Design of the final transformer-based push-pull power amplifier. A good agreement between the proposed analytical analysis and large-signal (harmonic balance) simulation results proofs usefulness of the proposed power amplifier design approach. Additionally, it shows the contribution of the separated devices at the final design that helps to find a technology limits in the current circuit design. The main achievements include: •A 2.4 GHz power amplifier in 0.13 um CMOS technology. An output power of 28 dBm is achieved with a power added efficiency of 48 % at a supply voltage of 1.2 V [Vasylyev 04]. •Two 17 GHz power amplifiers in 0.13 um CMOS technology (one fully integrated while the other with external matching network) with output power exceeding 50 mW. The former exhibits a power added efficiency of 9.3 % while the latter a 15.6 % power added efficiency [Vasylyev 06]. •A fully integrated K and Ka bands power amplifier in 0.13 um CMOS technology. A 13 dBm output power along with power added efficiency of 13 % is achieved at an operating frequency of 25.7 GHz with 1.2 V supply [Vasylyev 05,a]. •A fully integrated power amplifier based on a novel power combining transformer structure in 28 GHz-fT SiGe-bipolar technology. A 32 dBm output power along with power added efficiency of 30 % is achieved at an operating frequency of 2.12 GHz with 3.5 V supply [Vasylyev 05,b].
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Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Ausführung von Hochfrequenz- Leistungsverstärkern in modernen Silizium Technologien. Die Herausforderung ist, HF-Leistungsverstärker mit mehreren Watt Ausgangsleistung vollständig monolithisch zu integrieren; wobei die Betriebsfrequenz bereits 25% der Transitfrequenz (fT) beträgt. Diese Arbeit beschreibt das Entwurfverfahren für bipolar und CMOS Leistungs-verstärker der Klasse-A, Klasse-AB und Klasse-B mit monolithisch integrierten Transformatoren. Das Entwurfverfahren verwendet für bipolar das HICUM Transistor-Modell und für CMOS das BSIM4 Transistor-Modell und lässt sich in vier Teile gliedern: •Analyse eines Ein-Transistor-Verstärkers, basierend auf der analytischen Analyse der Ausgangcharakteristiken und der Transistor-Modelle. •Simulation mit Lastvariation, zur Ermittlung der optimalen Ein-und Ausgangsimpedanzen. •Ableitung der analytischen Gleichungen für das Transformator Anpassungsnetz. •Entwurf vom optimierten Gegentaktleistungsverstärker mit monolithischen Transform
Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf und der Ausführung von Hochfrequenz- Leistungsverstärkern in modernen Silizium Technologien. Die Herausforderung ist, HF-Leistungsverstärker mit mehreren Watt Ausgangsleistung vollständig monolithisch zu integrieren; wobei die Betriebsfrequenz bereits 25% der Transitfrequenz (fT) beträgt. Diese Arbeit beschreibt das Entwurfverfahren für bipolar und CMOS Leistungs-verstärker der Klasse-A, Klasse-AB und Klasse-B mit monolithisch integrierten Transformatoren. Das Entwurfverfahren verwendet für bipolar das HICUM Transistor-Modell und für CMOS das BSIM4 Transistor-Modell und lässt sich in vier Teile gliedern: •Analyse eines Ein-Transistor-Verstärkers, basierend auf der analytischen Analyse der Ausgangcharakteristiken und der Transistor-Modelle. •Simulation mit Lastvariation, zur Ermittlung der optimalen Ein-und Ausgangsimpedanzen. •Ableitung der analytischen Gleichungen für das Transformator Anpassungsnetz. •Entwurf vom optimierten Gegentaktleistungsverstärker mit monolithischen Transformatoren. Eine gute Übereinstimmung zwischen der vorgeschlagenen analytischen Analyse und dem Großsignal-Simulationenergebnis beweist die Nützlichkeit der vorgeschlagenen Verstärker-Entwurfannäherung. Zusätzlich zeigt es den Beitrag der einzelnen Komponenten, was das optimale Ausreizen der Technologie ermöglicht. Die Hauptergebnisse: •Ein 2.4 GHz Leistungsverstärker in einer 0.13 µm CMOS Technologie mit einer Ausgangsleistung von 28 dBm und einem Verstärkerwirkungsgrad von 48 % an einer Versorgungsspannung von 1.2 V [Vasylyev 04]. •Zwei 17 GHz Leistungsverstärker in einer 0.13 um CMOS Technologie (eine Variante enthält ein monolithisch integriertes Anpassungsnetzwerk, die andere Variante enthält ein externes Anpassungsnetzwerk) mit einer Ausgangsleistung über 50 mW. Der Verstärkerwirkungsgrad beträgt 9.3 % für Variante 1 und 15.6% für Variante 2 [Vasylyev 06]. •Ein völlig integrierter K und Ka Band-Leistungsverstärker in einer 0.13 um CMOS Technologie. Bei einer Betriebsfrequenz von 25.7 GHz wird eine Ausgangsleistung von 13 dBm und ein Verstärker-wirkungsgrad von 13% erreicht (1.2 V Versorgungsspannung) [Vasylyev 05, a]. •Ein völlig integrierter Leistungsverstärker basierend auf einer neuartigen Transformator-Struktur in einer 28 GHz-fT SiGe Bipolar Technologie. Eine Ausgangsleistung von 32 dBm und ein Verstärkerwirkungsgrad von 30 % werden bei einer Betriebsfrequenz von 2.12 GHz und 3.5 V Versorgungsspannung erreicht [Vasylyev 05, b].
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Metadaten
Author:Vasylyev, Andriy
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-202
Advisor:Prof. Dr. Weger, Peter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2006/09/27
Year of Completion:2006
Granting Fakulty:BTU Cottbus - Senftenberg, Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik
Date of final exam:2006/07/17
Release Date:2006/09/27
Tag:CMOS; Leistungsverstärker
CMOS; Power amplifier
GND Keyword:Radiofrequenzbereich; Siliciumbauelement; Verstärker
Institutes:LS Schaltkreisentwurf
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $