Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärker mit GaN-Transistoren

Class-S Microwave Power Amplifiers with GaN Transistors

  • Die Arbeit präsentiert eine umfassende Analyse des Klasse-S-Konzepts im Mikrowellen-Frequenzbereich. Es werden Voltage-Mode (VMCS) und Current-Mode (CMCS) Klasse-S-Verstärker, die auf GaN-MMICs basieren, für das 450 MHz – Band entworfen, realisiert und messtechnisch charakterisiert. Die Beiträge der Arbeit gliedern sich in drei Hauptthemen. Zunächst wird ein Zeitbereichsmessplatz zur Analyse der in den Klasse-S-Verstärkern benutzten GaN Leistungsschalter-MMICs und ein Schalter-basiertes TransistDie Arbeit präsentiert eine umfassende Analyse des Klasse-S-Konzepts im Mikrowellen-Frequenzbereich. Es werden Voltage-Mode (VMCS) und Current-Mode (CMCS) Klasse-S-Verstärker, die auf GaN-MMICs basieren, für das 450 MHz – Band entworfen, realisiert und messtechnisch charakterisiert. Die Beiträge der Arbeit gliedern sich in drei Hauptthemen. Zunächst wird ein Zeitbereichsmessplatz zur Analyse der in den Klasse-S-Verstärkern benutzten GaN Leistungsschalter-MMICs und ein Schalter-basiertes Transistormodell für Großsignalsimulationen von Schaltverstärkern im Zeitbereich, welches den direkten Zugang zu den parasitären Elementen des Transistors ermöglicht, entwickelt. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf, der Optimierung und der Analyse von Klasse-S-Verstärkern unter besonderer Betrachtung der dazugehörigen Ausgangsnetzwerke. Es wird eine detaillierte theoretische und praktische Untersuchung der Netzwerke für Voltage-Mode- und Current-Mode-Aufbau durchgeführt. Sie sind Schlüsselelemente für die Funktionsweise und die Effizienz des Klasse-S-Konzepts, besonders im Current-Mode, bei dem das Filter einen differentiellen Eingang hat. Realisiert wurden Verstärker sowohl in Current-Mode- (CMCS) als auch in Voltage-Mode-Topologie (VMCS) für das 450 MHz – Band. Die erreichten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt für den „State-of-the-Art“ von Klasse-S-Verstärkern im Mikrowellen-Frequenzbereich dar. Im Klasse-S-Betrieb mit einer 1-Ton Bandpass-ΔΣ (BPDS) Bitsequenz erreichen die VMCS- und CMCS-Verstärker Spitzeneffizienzen von 50 % und 41 % bei maximalen Ausgangsleistungen (Paus) von 3,4 W bzw. 9 W. Vermindert man die kodierte Signaleingangsleistung um 10 dB, dann fällt die Draineffizienz jedoch unter 10 %. Nach der Identifizierung der Hauptverlustmechanismen wurden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Effizienz, speziell bei power back-off, untersucht. Die Variation der Überabtastrate des BPDS-modulierten Signals führt zu keinen signifikanten Verbesserungen. Die Kodiereffizienz der Modulation jedoch spielt eine Schlüsselrolle im Hinblick auf Effizienz und Paus. Mit einem periodischen Rechtecksignal am Eingang, welches die maximale Kodiereffizienz aufweist, können Paus und Effizienz im Vergleich mit den BPDS-Resultaten annähernd verdoppelt werden. Im Zuge der Untersuchungen zur Kodierung des Eingangssignals wurden die Klasse-S-Verstärker auch mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) zur Kodierung der Amplitude im back-off-Betrieb gestestet. Dabei zeigt eine Version des VMCS-Aufbaus ohne Freilaufdioden nun 83 % Draineffizienz bei Vollaussteuerung (Paus = 3 W) und eine Verbesserung bei 10 dB power back-off von 11 % (BPDS) auf 40 %. Die Effizienz des Current-Mode-Verstärkers erhöht sich mit solch einem PWM-Signal auf 20 % bei 10 dB back-off (10 % bei BPDS). Die erreichten Resultate bilden eine ausgezeichnete Grundlage für weitere Verbesserungen des Klasse-S-Konzepts im Hinblick auf Effizienz, speziell bei hohen power back-offs.show moreshow less
  • This thesis provides a comprehensive experiment-based analysis of the class-S concept in the microwave frequency range, reporting on design procedures and measurement results of realized voltage- (VMCS) and current-mode (CMCS) class-S power amplifiers (PA) based on GaN-MMICs for the 450 MHz band. The work contributes to three main topics. First of all a time-domain measurement setup to analyze the digital power MMICs used in the class-S PAs and a switch-based transistor model for large-signal siThis thesis provides a comprehensive experiment-based analysis of the class-S concept in the microwave frequency range, reporting on design procedures and measurement results of realized voltage- (VMCS) and current-mode (CMCS) class-S power amplifiers (PA) based on GaN-MMICs for the 450 MHz band. The work contributes to three main topics. First of all a time-domain measurement setup to analyze the digital power MMICs used in the class-S PAs and a switch-based transistor model for large-signal simulations of switch-mode PAs in time-domain, which provides direct access to the parasitic elements of the transistor, is developed. The main focus of this thesis is on the design, optimization and analysis of class-S PAs with special emphasis on the appropriate output networks. A detailed theoretical and practical analysis of the circuits for the current- and voltage-mode topology is given. The importance of odd- and even-mode input impedances is discussed in detail. They are key issues in maintaining class-S functionality and efficiency, especially in current-mode operation where the filter has a differential input. Amplifiers in both current- (CMCS) and voltage-mode (VMCS) topology were realized. They operate in the 450 MHz band and significantly advanced the state-of-the-art of class-S PAs in the microwave range. For class-S operation using a single-tone band-pass-ΔΣ (BPDS) bit sequence, the built-up VMCS and CMCS amplifiers show peak efficiencies of 50% and 41% with maximum output powers (Pout) of 3.4 W and 9 W, respectively. Varying the encoded signal input power from 0 dB (full-scale) down to 10 dB, efficiency drops below 10%. After identifying the main loss mechanisms, different approaches to enhance efficiency, especially at power back-off, were investigated: The oversampling ratio of the BPDS scheme does not lead to significant improvements. But coding efficiency of the modulation plays a key role with regard to efficiency and Pout. Using a periodic square-wave input signal with maximum coding efficiency, both Pout and efficiency are almost doubled compared to BPDS values. Along with the investigations on the coding schemes, the class-S PAs were tested with a pulse-width modulation (PWM) for amplitude in back-off operation. A voltage-mode version without freewheeling diodes now shows 83% efficiency at full-scale (Pout = 3 W) and an improvement at 10 dB power back-off from 11% (BPDS) to 40%. The efficiency of the current-mode PA is increased to 20% at 10 dB back-off (10% for BPDS) with such a PWM input signal. The obtained results represent an excellent base for further improvements regarding efficiency at high power back-off levels using the class-S concept.show moreshow less

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Metadaten
Author: Andreas Wentzel
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-32107
Advisor:Prof. Dr.-Ing. habil. Wolfgang Heinrich
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2011/08/25
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2011/07/22
Release Date:2011/08/25
Tag:GaN; Klasse-S; Mikrowellen-Leistungsverstärker; Schaltverstärker; Zeitbereich
GaN; class-S; microwave PA; switch-mode PA; time-domain
Institutes:Institut für Hochfrequenztechnik- und Halbleiter-Systemtechnologien
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)