Amplificateur et détecteur d’enveloppe large-bande pour la polarisation dynamique des amplificateurs RF CMOS en rétroaction positive d’enveloppe

Bourgault, Philippe (2023). Amplificateur et détecteur d’enveloppe large-bande pour la polarisation dynamique des amplificateurs RF CMOS en rétroaction positive d’enveloppe. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La technologie de 5e génération (5G) pour les communications mobiles vise une augmentation considérable du nombre d’appareils sur le réseau en plus d’augmenter la bande passante pour offrir plus de débits aux usagés. Bien que ces changements soient bénéfiques pour les applications mobiles, les appareils IoT, les voitures autonomes, etc., ceux-ci ajoutent une pression sur le système matériel en place, notamment au niveau des performances, incluant la consommation énergétique. L’amplificateur de puissance radiofréquence est souvent l’élément le plus énergivore dans les systèmes mobiles et sa présence est primordiale pour les systèmes sans-fil.

Plusieurs techniques développées dans la littérature ont démontré une amélioration de l’efficacité. Notamment, les approches EER et ET améliorent le compromis d’efficacité et de linéarité. Des approches numériques de prédistorsions permettent aussi l’amélioration de ce compromis. Bien qu’elles offrent d’excellentes performances, ces approches sont complexes, demandent une surface sur puce non négligeable et il pourrait être difficile d’intégrer certaines configurations en technologie CMOS sur une puce unique. Basée sur une technologie développée à l’ÉTS et brevetée par Skyworks Solutions Inc. en 2019, la technique PEF (Positive Envelope Feedback) a déjà démontré un potentiel intéressant comme solution pour l’intégration sur puce unique, pour l’amélioration du compromis d’efficacité et de linéarité des amplificateurs de puissance radiofréquence. La technique utilise la rétroaction positive d’enveloppe (PEF) afin d’ajuster dynamiquement la polarisation de grille de l’amplificateur de puissance. Aussi, cette approche bénéficie d’une large bande passante qui s’avère intéressante pour les systèmes de communication moderne tout en ayant une faible empreinte sur puce.

Un nouveau type de détecteur d’enveloppe radiofréquence a été développé avec la technologie CMOS 180 nm pour une fréquence de 5.4 GHz afin de répondre aux critères spécifiques de la technique PEF. Une caractérisation de la puce en simulation a démontré une bande passante d’enveloppe de 842 MHz avec une consommation statique de 7.5 mW avec une tension d’alimentation de 1.8 V. La faible empreinte sur puce, la simplicité et la bonne réjection de la porteuse rendent cette structure intéressante et compétitive par rapport à d’autres topologies présentes dans la littérature.

Un amplificateur radiofréquence différentiel avec une structure « stacked-FET » sur deux étages fonctionnant à 5 GHz a été conçu avec la technologie CMOS 180 nm. Les résultats expérimentaux ont démontré un gain de 12.6 dB avec un point de compression de 10.37 dBm. La bande passante à 3 dB a été mesurée à 480 MHz.

Finalement, deux détecteurs d’enveloppe développés dans ce travail ont été ajoutés à la sortie de l’amplificateur dans le but de valider les performances large bande de la technique PEF. Aussi, la grande simplicité d’intégration en comparaison avec les autres techniques d’amélioration du compromis d’efficacité et de linéarité retrouvée dans la littérature, a été démontrée. Dans cette configuration, le nouveau détecteur d’enveloppe développé utilise moins de 3.5% de la surface sur puce et une consommation en puissance de moins de 5% par rapport à celle de l’amplificateur radiofréquence.

Titre traduit

Amplifier and broadband envelope detector for dynamic biasing of CMOS RF amplifiers in positive envelope feedback

Résumé traduit

5th generation (5G) technology for mobile communications aims to dramatically increase the number of devices on the network in addition to increasing bandwidth to offer more speeds to users. Although these changes are beneficial for mobile applications, IoT devices, autonomous cars, etc., they add pressure on the hardware system in place, particularly in terms of performance including energy consumption. The radiofrequency power amplifier is often the most energy-intensive element in mobile systems, and its presence is essential for wireless systems.

Several techniques developed in the literature have demonstrated improved efficacy. In particular, the EER and ET approaches improve the trade-off of efficiency and linearity. Numerical approaches of predistortions also allow the improvement of this trade-off. Although they offer excellent performance, these approaches are complex, require a significant on-chip surface, and it could be difficult to integrate certain configurations in CMOS technology on a single chip. Based on a technology developed at ETS and patented by Skyworks Solutions Inc. in 2019, the PEF (Positive Envelope Feedback) technique has already demonstrated interesting potential as a solution for single-chip integration, for improving the efficiency and linearity trade-off of RF power amplifiers. The technique uses positive envelope feedback to dynamically adjust the gate bias of the power amplifier. Also, this approach benefits from a large bandwidth which proves attractive for modern communication systems while having a small on-chip footprint.

A new type of radio frequency envelope detector has been developed with 180 nm CMOS technology for a frequency of 5.4 GHz in order to meet the specific criteria of the PEF technique. Characterization of the chip in simulation demonstrated an envelope bandwidth of 842 MHz with a static power consumption of 7.5 mW with a supply voltage of 1.8 V. The small on-chip footprint, simplicity, and good carrier rejection make this structure interesting and competitive compared to other topologies in the literature.

A differential radiofrequency amplifier with two stages « stacked-FET » structure operating at 5 GHz has been designed with 180 nm CMOS technology. Experimental results demonstrated a gain of 12.6 dB with a compression point of 10.37 dBm. The 3 dB bandwidth was measured at 480 MHz.

Finally, two envelope detectors developed in this work were added to the output of the amplifier in order to validate the broadband performance of the PEF technique. Also, the great simplicity of integration in comparison with other techniques for improving the efficiency and linearity trade-off found in the literature has been demonstrated. In this configuration, the newly developed envelope detector uses less than 3.5% of the on-chip area and a power consumption of less than 5% compared to that of the radio frequency amplifier.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire". Comprend des références bibliographiques (pages 151-157).
Mots-clés libres:	détecteur d’enveloppe, amplificateur RF, 5G, polarisation dynamique, rétroaction positive, PEF, linéarisation, CMOS 180 nm
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Constantin, Nicolas
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	20 sept. 2023 14:12
Dernière modification:	20 sept. 2023 14:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3279

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