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Introducing positive envelope feedback – a new method for linearity improvement in radio frequency integrated circuit power amplifiers

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Sharma, Smarjeet (2020). Introducing positive envelope feedback – a new method for linearity improvement in radio frequency integrated circuit power amplifiers. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In the first part of this doctoral thesis, the author introduces Positive Envelope Feedback in Radio Frequency Integrated Circuit (RFIC) Power Amplifiers (PAs) - a new method for improving the PA’s linearity-efficiency trade-off and based on a signal flow directly from the PA output, through a single envelope detector, to its bias input. The proposed technique requires minimum additional circuit area, consumes negligible additional current, does not suffer from bandwidth limitations and does not degrade PA noise performances. The inherent simplicity of positive envelope feedback enables its incorporation into existing PA architectures with minimum re-design, as well as its use in conjunction with other circuit techniques aimed at PA performance enhancement. The theory, design and implementation of positive envelope feedback are described in detail while underscoring the various design conditions that must be taken into consideration to ensure PA performance improvement through the proposed technique. Its implementation is highlighted with the help of multiple PA designs, using results obtained through simulation as well as experiments on fabricated designs. Measurements on one experimental Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) Silicon-on-Insulator (SOI) PA design using positive envelope feedback show an increase of 1.7dB in the PA’s 1dB gain compression point (P1dB) and an output third-order intermodulation distortion (IMD3) improvement of up to ~3.44dB while requiring only an equivalent ~5% increase in chip area and 1.2% increase in quiescent current consumption. Simulations on a modified version of this PA design demonstrate an IMD3 improvement of up to 3.5dB and Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) improvement of up to 6dB thanks to the use of positive envelope feedback with larger signal bandwidths, and at output power levels where the open-loop PA is under significant gain compression.

In the second part of this thesis, the author develops the analytical foundations of a novel multi-port PA representation based on distinct sets of nonlinear complex polynomials that describe a combiner, a nonlinear baseband-to-RF converter and a nonlinear RF amplifying function, for the processing of the PA’s input modulated RF signal and any envelope-dependent dynamic biasing signal. The proposed representation is shown to allow an accurate prediction of the PA’s output distortion components as a function of an input RF multi-tone excitation and a multi-tone envelope-dependent biasing signal. This novel representation of a PA’s nonlinearities renders possible closed-form analytical formulations to describe a three-port PA system, and allows determining the adjustments necessary in the dynamic biasing signal and circuitry for PA linearity improvement under multi-tone as well as modulated excitation signals. It is intended for a context introduced for the first time in the author’s research work and envisioned as promising for current and future mobile communication equipment – the automatic optimization of linearity performance in RFIC PAs that employ envelope-dependent dynamic biasing, through embedded self-calibration functions implemented within the transmitter front-ends of mobile equipment. The proposed representation allows the optimization of the PA’s envelope-dependent dynamic biasing for linearity improvement from one mobile unit to another through embedded self-calibration, starting from quasi-static measurements alone of the PA’s input and output power, in contrast to more complex training sequences that are required for high-order Volterra-based and other PA representations. The applicability of the proposed representation is highlighted through simulation and benchmarking against experimental results, demonstrating accurate characterization of PA performances under different dynamic biasing techniques, for multiple RFIC PA platforms and in different semiconductor technologies. In one experimental implementation using an industry-designed Gallium Arsenide (GaAs) PA, it accurately predicts the necessary dynamic biasing adjustments to achieve more than 4dB reduction in the output IMD3. A similar reduction in Adjacent Channel Power (ACP) is demonstrated with a modulated signal. In a second experimental PA implementation, the proposed representation allows, for the first time, using an analytical approach for predicting the condition of system stability under closed-loop positive envelope feedback operation, as well as determining the optimum performance requirements for the feedback system components.

Titre traduit

Présentation de la rétroaction positive de l'enveloppe - une nouvelle méthode d'amélioration de la linéarité dans les amplificateurs de puissance radiofréquences intégrés sur puces de semiconducteur

Résumé traduit

Dans la première partie de cette thèse de doctorat, l'auteur présente la technique de rétroaction positive de l'enveloppe dans les amplificateurs de puissance radiofréquences intégrés sur puces (acronyme en anglais: RFIC PAs). Il s’agit d’une nouvelle méthode introduite dans cette thèse, pour améliorer le compromis linéarité-efficacité énergétique d’un amplificateur et basé sur un cheminement du signal directement à partir de la sortie de l’amplificateur, à travers un seul détecteur d'enveloppe et vers son entrée de polarisation. La technique proposée nécessite une surface de circuit supplémentaire minimale, consomme un courant supplémentaire négligeable, ne présente pas de limitations sévères de la bande passante et ne dégrade pas les performances de bruit de l’amplificateur de puissance. La simplicité inhérente de la technique proposée permet son intégration dans les architectures d’amplificateur existantes avec un minimum de modifications dans la conception, ainsi que son utilisation conjointement avec d'autres techniques de circuit pour l'amélioration de la performance des amplificateurs. La théorie, la conception et l’implémentation de la technique proposée sont décrites en détail, tout en considérant les différentes conditions de conception à respecter pour améliorer les performances des amplificateurs utilisant cette technique. L’implémentation de la technique proposée est démontrée en utilisant plusieurs conceptions d'amplificateurs de puissance, à l'aide des résultats obtenus par simulation et aussi des expériences sur des conceptions d’amplificateurs qui ont été fabriquées. Les mesures sur une conception expérimentale d’un amplificateur de puissance en technologie CMOS SOI démontrent une augmentation de 1,7 dB de la puissance correspondant au point de compression de 1dB du gain (P1dB) de l’amplificateur en utilisant la technique proposée ici, ainsi qu’une amélioration de la distorsion d'intermodulation de troisième ordre en sortie (IMD3) allant jusqu'à environ 3,44 dB. Des simulations sur une version modifiée de cette conception montrent une amélioration IMD3 allant jusqu'à 3,5 dB et une amélioration de la réjection de puissance aux canaux adjacents (ACPR) allant jusqu'à 6 dB pour les signaux à large bande passante, aux niveaux de puissance de sortie où l'amplificateur subit une compression de gain importante.

Dans la seconde partie de cette thèse, l'auteur développe les fondements analytiques d’une nouvelle représentation non-linéaire multi-ports pour amplificateurs radiofréquences. Elle est basée sur des ensembles distincts de polynômes complexes non-linéaires décrivant un combineur, un convertisseur non-linéaire de l’information en bande de base jusqu’aux radiofréquences, ainsi qu’une fonction d'amplification non-linéaire aux radiofréquences, pour le traitement d’un signal RF modulé à l’entrée de l’amplificateur et d’un signal de polarisation dynamique dépendant de l’enveloppe. La représentation proposée permet une prédiction précise des composantes de distorsion en sortie de l’amplificateur, en fonction d’une excitation RF à tonalités multiples en entrée et d’un signal de polarisation dépendant de l’enveloppe et à tonalités multiples. Cette nouvelle représentation des effets non-linéaires d’un amplificateur rend possible des formulations analytiques pour décrire un système amplificateur non-linéaire à trois ports et permet de déterminer les ajustements nécessaires dans le signal de polarisation dynamique ainsi que dans les circuits pour l’amélioration de la linéarité de l’amplificateur en présence de signaux d’excitation à tonalités multiples et modulés. La nouvelle représentation proposée est destinée à un contexte qui, du mieux des connaissances de l’auteur, est introduit pour la première fois et qui est envisagé comme prometteur pour les équipements de communication mobile actuels et futurs – soit l'optimisation automatique des performances de linéarité d’un amplificateur utilisant une polarisation dynamique dépendante de l'enveloppe du signal modulé, à l’aide de fonctions d’auto-calibration intégrées à la tête-RF d’un émetteur à l’intérieur d’un équipement de communication mobile. La représentation proposée permet ainsi d’optimiser la polarisation dynamique dépendante de l’enveloppe dans un amplificateur pour l’amélioration de la linéarité dans la transmission de signaux modulés par chaque equipment de communication mobile individuellement. Une telle optimisation de chaque unité d’équipement de communication est donc possible grâce à ces fonctions d’auto-calibration intégrées qui ne requièrent, comme séquences d’entraînement, que des mesures quasi-statiques de la puissance d'entrée et celle de la sortie de l’amplificateur. Cela contraste avec les séquences d’entraînement beaucoup plus complexes qui sont nécessaires pour les représentations non-linéaires d'ordre élevés telles que les séries de Volterra, ou d’autres représentations proposées dans la litérature scientifique. L'applicabilité de la représentation proposée ici est illustrée par des simulations et des analyses comparées à des résultats expérimentaux, démontrant une caractérisation précise des performances d’amplificateurs conçus selon différentes techniques de polarisation dynamique et utilisant différentes technologies de semiconducteur. Dans une implémentation expérimentale utilisant un amplificateur en technologie d’Arséniure de Gallium (AsGa) et conçu dans un milieu industriel, la représentation proposée prédit avec précision les ajustements de polarisation dynamiques nécessaires pour obtenir une réduction de plus de 4 dB de la valeur IMD3 à la sortie. Une réduction similaire de la puissance du canal adjacent (ACP) est démontrée avec un signal modulé. Dans une deuxième implémentation expérimentale, la représentation proposée permet, pour la première fois, d’utiliser une approche analytique pour prédire l’état de la stabilité d’un amplificateur utilisant la rétroaction d’enveloppe positive en boucle fermée, ainsi que de déterminer les performances optimales requises pour les composants du système en rétroaction.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 197-205).
Mots-clés libres: polarisation dynamique, efficacité, auto-calibration intégrée, linéarité, signaux multi-tons, enveloppe de signaux modulés, rétroaction positive de l'enveloppe, amplificateurs de puissance radiofréquences, circuits intégrés radiofréquences, représentation non-linéaire à trois ports
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Constantin, Nicolas
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 07 oct. 2020 19:41
Dernière modification: 07 oct. 2020 19:41
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2554

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