Design, optimization and integration of Doherty power amplifier for 3g/4g mobile communications

Abstract

Os sinais dos novos padrões de comunicação (LTE/LTE-Advanced) apresentam uma elevada diferença entre o pico e a média de sua potência (PAPR), sendo inadequados para o uso com os amplificadores de potência convencionais por apresentarem eficiência máxima apenas quando trabalham com sua potência máxima. Os novos sinais, na maior parte do tempo, demandam médias e baixas potências, concentrando a operação dos amplificadores de potência em uma região de baixa eficiência, o que provoca excessiva dissipação de energia em forma de calor e redução do tempo da bateria. Os amplificadores de potência Doherty por apresentarem uma eficiência constante por uma larga faixa de potências representam uma solução favorável para o problema da PAPR. Devido à tendência atual de redução dos dispositivos e integração completa da cadeia de RF em um único chip, decidiu-se implementar esse amplificador de potência na tecnologia CMOS 65nm por ela já ser adequada à implementação de circuitos digitais, o que permite a integração de um sistema completo. Este trabalho apresenta a metodologia de projeto e medições de um amplificador de potência Doherty totalmente integrado em tecnologia CMOS 65nm com desempenho de eficiência de potência adicionada (PAE) constante ao longo de uma retração de potência de 7dB. Medidas feitas de 2.4GHz à 2.6GHz mostram o desempenho constante de PAE começando no nível de 20% até 24%, com uma potência máxima de 23,4dBm. O circuito é totalmente descrito com todos os valores de componentes e detalhes de leiaute para posterior reprodução. As curvas que mostram o efeito de modulação ativa de carga, as correntes dos sub-amplificadores e o comportamento constante de PAE demonstram a implementação de um autêntico amplificador de potência Doherty. O circuito foi projetado com atenção especial para o baixo custo, utiliza apenas componentes discretos, cada sub-amplificador possui topologia cascode de saída simples e suas redes de entrada/saída são otimizadas para economizar área de chip e produzir um desempenho constante de PAE. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACT

The signals of the new communication standards (LTE / LTE-Advanced) show a great difference between the peak and its average power (PAPR) being unsuitable for use with conventional power amplifiers because they present maximum efficiency only when working with maximum power. These signals demands low and medium power for most part of the time, which concentrates the operation of power amplifiers in a region of low efficiency, resulting in excessive heat dissipation and reduction of battery time. Doherty power amplifiers for presenting a constant efficiency for a wide power range represent a favorable solution to this problem. Given the current trend of reducing devices and full integration of RF chain on a single chip, it was decided to implement this power amplifier in 65nm CMOS technology due to its performance for digital circuits, allowing the integration of a whole system. This work presents the design methodology and measurements results of a fully integrated Doherty Power Amplifier in 65 nm CMOS technology with constant PAE over a 7 dB backoff. Measurements from 2.4 GHz to 2.6 GHz show constant PAE performance starting in 20% level up to 24% with a maximum output power of 23.4 dBm. The circuit is fully described with all components values and layout details for further reproduction. Curves showing the active load-pull effect, sub-amplifiers behavior and constant PAE prove that it is a genuine Doherty Power Amplifier. The circuit was designed with special attention to low cost, it is composed by only lumped components, each sub-amplifier has single-ended cascode topology and their input/output networks are optimized to save die area and to produce a constant PAE. _______________________________________________________________________________________ RESUMÉ

L’amplificateur de puissance (PA) est l’élément qui consomme le plus d’énergie dans les architectures d’émission-réception RF des terminaux mobiles. Les PAs conventionnels ont un rendement maximum seulement au niveau de puissance maximum, tandis que pour des niveaux de puissance plus bas, le rendement des PAs est très faible. Or les nouveaux standards de communications à haut débit (4G/LTE advanced) utilisent des modulations à enveloppe non-constante. Ainsi, le rapport entre la puissance maximum et la puissance moyenne du signal (PAPR – Peak to Average Power Ratio) est élevé. C’est le cas également pour l’OFDM qui possède un fort PAPR avec les porteuses multiples. Ainsi, lorsqu’un signal a un fort PAPR, cela signifie que le rendement moyen du PA utilisé est faible. La conséquence directe est la rapide décharge des batteries des terminaux mobiles. L’Amplificateur de Puissance Doherty (APD) est une technique connue d'amélioration du rendement. Cette technique permet d’augmenter le rendement moyen des amplificateurs en améliorant le rendement aux faibles niveaux de puissance, tout en maintenant le rendement maximum sur une plus grande plage de puissance de sortie. Cette technique est bien adaptée pour résoudre le problème de rendement pour les signaux à forts PAPR. De nombreux travaux proposent des solutions intégrées des APD dans une technologie à faible coût, mais au détriment du maintien d’un rendement à puissance ajoutée (Power Added-Efficiency, PAE) constant sur une grande plage de puissance. Nos travaux de recherche proposent un APD totalement intégré en technologie 65nm CMOS de STMicroelectronics à 2,535 GHz avec une PAE constante sur une plage de recul en puissance de sortie de 8 dB. Pour la conception de cet amplificateur, nous avons utilisé sept niveaux de métaux sur les dix couches de métaux de la technologie, les capacités sont de type MOM afin de respecter des contraintes faible coût. Le principe de l’APD est d’utiliser l’effet connu sous le nom de « load-pull actif » : une charge vue par une source de courant peut être modifiée par l’application d’un courant provenant d’une deuxième source. Pour atteindre cet objectif, l’architecture Doherty utilise deux amplificateurs de classes différentes en parallèle. Le PA principal (classiquement polarisé en classe B ou AB) fonctionne pour tous les niveaux de puissance et le PA auxiliaire (classiquement en classe C) ne fonctionne que pour les niveaux de puissance moyens et forts. L’augmentation de rendement s’explique par la transformation d’impédance de drain du PA principal, à cause de la combinaison de deux facteurs en même temps, la charge inversée vue par la ligne de transmission d’un quart d’onde et le courant du PA auxiliaire qui augmente. En effet, lorsque le courant du PA auxiliaire augmente, l’impédance vue par le PA principal se réduit. L’APD a été conçu avec les transistors à drain étendu haute tension pour soutenir une grande excursion de tension et produire des niveaux de puissance de sortie plus élevés. Les limites de Vdd et Vgs du transistor sont de 2.75V et de 5.5V, respectivement. Chaque sous-amplificateur a été conçu avec une topologie cascode pour donner au PA une meilleure isolation vis-à-vis des effets de désadaptation d’impédances entre la sortie et l’entrée. De plus, cette topologie permet d’avoir une plus grande tension d’alimentation Vdd par rapport à la topologie source commune. Les deux amplificateurs, principal et auxiliaire, ne sont cependant pas identiques. En effet, les dimensions des transistors dépendent du courant traversant chaque amplificateur. Ainsi, le transistor grille commune du PA principal est constitué de 28 transistors en parallèle, tandis que le transistor source commune du PA principal est composé de 26 transistors en parallèle. Pour le PA auxiliaire, le transistor grille commune est composé de 26 transistors en parallèle et son transistor source commune est composé de 14 transistors en parallèle. Chaque sous-amplificateur a été conçu et optimisé individuellement en prenant en compte les réseaux d'adaptation, l’inductance d’arrêt, les impédances d'entrée prévues par le diviseur de puissance et l’impédance de sortie prévue pour avoir l’effet loadpull actif de l’APD. Tout au long du travail de conception, les performances des deux PAs ont été tracées sur le même graphique pour équilibrer correctement le point de compression de chacun. Les courbes de PAE de chacun ont été optimisées dans le but de produire un APD avec une PAE constante sur une large gamme de puissance. Après la connexion des sous-amplificateurs dans le même schéma électrique, les lignes de transmission à éléments localisés ont été ajoutées, puis la topologie a été ré-optimisée pour réduire le nombre d'inductances et ainsi réduire l’espace utilisé dans la puce. À l'entrée, le diviseur de Wilkinson, la ligne de transmission déphasage et les réseaux d’adaptation d’entrée des PAs principal et auxiliaire ont été fusionnés et optimisés. À la sortie de l’APD, les réseaux d’adaptation de sortie des deux PAs et la ligne de transmission d’inversion de charge ont aussi été fusionnés et optimisés. Pour atteindre l'objectif d’avoir une PAE constante, une méthodologie d'optimisation séquentielle a été appliquée pour bien équilibrer tous les éléments dans le schéma de l’APD en respectant toutes les limites de tensions des transistors. Le circuit a été implémenté dans une surface de 1,72x1,68mm². Il a été conçu pour être mesuré avec des sondes directement positionnées sur les trois différents types de plots. Ce travail présente la méthodologie de conception et des résultats de mesure d'un amplificateur de puissance Doherty entièrement intégré dans la technologie 65 nm CMOS avec une PAE constante sur 7 dB de plage de puissance. Les mesures de 2,4 GHz à 2,6 GHz montrent des performances constantes en PAE de 20% jusqu'à 24% avec une puissance de sortie maximale de 23,4 dBm. Le circuit est entièrement décrit avec les valeurs des composants et les détails de layout pour permettre sa reproduction. Ce travail montre l'effet de modulation active de charge, le comportement en courant des sous-amplificateurs et la performance constante en PAE, ce qui démontre l’implémentation d’un véritable amplificateur de puissance Doherty. Le circuit est composé uniquement d'éléments localisés, et les réseaux d’entrée et de sortie sont optimisés pour réduire la taille de la puce et pour produire une PAE constante. L’amplificateur de puissance Doherty présenté est le premier APD totalement intégré en technologie 65 nm CMOS avec une PAE constante sur une large gamme de puissance. Il respecte de ce point de vue la théorie de Doherty. La comparaison avec un amplificateur de puissance classique polarisé en classe AB montre une amélioration de la PAE pour les niveaux de faible et moyenne puissance, permettant ainsi d’augmenter nettement le rendement moyen de l’amplificateur. Aucun autre APD publié ne présentait ce type de caractéristique en rendement dans cette technologie. La technologie 65nm CMOS est généralement plus appropriée pour les applications numériques, par conséquent, l’utilisation de cette technologie s'inscrit dans la tendance actuelle du développement d’un système complet sur une seule puce, où les étages numérique et analogique sont intégrés sur la même puce silicium.