Reconfigurable high efficiency class-F power amplifier using CMOS-MEMS technology

Abstract

The increasing demand for wireless products to be part of our daily lives brings the need for longer battery lifetime, smaller size and lower cost. To increase battery lifetime, high efficiency power amplifiers (PAs) are needed; To make them smaller, integration or reconfiguration is aimed and to reach lower costs, technologies such as CMOS are final goals. However integration of high efficiency PA in CMOS is challenging due to the technology limitations which restricts the achievable output power and efficiency of the PA. In order to bring solutions for the above-mentioned requirements, in this thesis novel reconfigurable class-F PAs, frequency-reconfiguration, CMOS integration, impedance-reconfiguration and CMOS-MEMS implementation are addressed.

Starting with a single frequency operation, a novel class-F PA for mobile applications is proposed in which with a proper harmonic tuning structure the need for extra filtering sections is eliminated, achieving an excellent harmonic-suppression level. This topology uses transmission lines and is developed to cover multiple frequency bands for purpose of global coverage with aim of size reduction. Three novel frequency reconfigurable PAs are proposed using MEMS and semiconductor switches to accomplish class-F operation at two frequencies. The main novelty of this structure is that the reconfiguration is done not only at fundamental frequency but also at harmonics with reduced number of tuning elements. Moreover, by proper placement of the switches in the stubs, the maximum voltages over the switches are minimized. The proposed structure overcomes the narrow band performance of class-F, giving an efficiency more than 60% over a 225 MHz and 175 MHz bandwidth at 900 MHz and 1800 MHz respectively. Measurement results showed high performance at both frequency bands giving 69.5% and 57.9% PAE at 900 MHz and 1800 MHz respectively.

A novel CMOS class-F PA is proposed that controls up to the 3rd harmonic and can adapt to load variations due to the effect of the human body on mobile phones. It enables the integration of the PA with other devices in a single chip leading to better matching, higher performance, lower cost and smaller size. In addition, it achieves load impedance reconfigurability by using impedance tuner in its output network and by proper tuning of the network, effects of load variation on the performance are compensated. Two designs at 2.4 GHz have been done using either MOS varactors or MEMS variable capacitors as tuning devices. The design using MOS varactors show a maximum measured values of 26% PAE and 19.2 dBm output power for 50 load. For loads other than 50 ohm an improvement of 15% for PAE and 4.4 dB for output power is obtained in comparison to non-tuned one. The second design is done using MEMS variable capacitors integrated in CMOS technology through a mask-less post-processing technique. Simulations results for 50 ohm load show a peak PAE of 32.8% while delivering 18.2 dBm output power.

La creixent demanda de productes sense fils en la nostra vida diària requereix dispositius de menor grandària, menor cost i amb una gran autonomia. Per reduir la mida i augmentar l'autonomia és necessari utilitzar sistemes integrats multiestàndard o reconfigurables, amb amplificadors de RF d'alta eficiència, mentre que per reduir el cost, és preferible utilitzar tecnologies econòmiques com CMOS. No obstant això, la integració en CMOS d'amplificadors de radiofreqüència, i en especial, d'alta eficiència, és un repte a causa de les limitacions de la tecnologia que restringeixen la potència de sortida realitzable i l'eficiència de l'amplificador. En aquesta tesi es tracten els diferents reptes anteriorment esmentats, proposant una nova topologia d'amplificador classe-F amb reconfiguració de freqüència, i proposant la integració d'un amplificador classe-F que s¿adapta a impedància de càrrega variable, implementat en CMOS i CMOS-MEMS. Inicialment en la tesi es proposa una topologia d'amplificador classe-F en què, gràcies a una estructura adequada a la xarxa d'adaptació, s¿elimina la necessitat de filtrat extra, aconseguint un nivell de rebuig d'harmònics excel·lent. La topologia proposada utilitza línies de transmissió i s'ha desenvolupat per dues bandes diferents, amb el disseny orientat a implementar un sistema reconfigurable. S'han aconseguit PAE de l'ordre del 80 % amb potències properes a 10 W. Un cop descrita i analitzada la topologia, s'han proposat tres amplificadors reconfigurables per doble banda freqüencial. Per a la reconfiguració s'han utilitzat MEMS i commutadors basats en semiconductors. L'estructura proposada permet la reconfiguració no només en la freqüència fonamental sinó també en els harmònics, però mantenint un nombre reduït d'elements d'ajust. A més, gràcies a l'adequada col·locació dels commutadors en les línies de transmissió, s'ha minimitzat la tensió màxima en els mateixos. Així mateix, l'estructura proposada evita la característica de banda estreta a classe-F, proporcionant una eficiència superior al 60% en unes amplades de banda de 225 MHz i de 175 MHz, per a les banda de 900 MHz i 1800 MHz respectivament. En aquestes bandes, la PAE màxima mesurada és del 69,5% i del 57,9% respectivament. Finalment, s'ha proposat un amplificador integrat en CMOS, classe-F amb control fins al tercer harmònic. L'amplificador proposat incorpora un sintonitzador a la sortida, podent així adaptar-se a variacions d'impedància de càrrega, típiques en dispositius sense fil (WLAN), degudes a l'efecte del cos humà sobre l'antena. La implementació en CMOS permet la integració de l'amplificador de potència amb altres dispositius en un únic xip, donant lloc a una millor adaptació, millor rendiment, menor cost i menor grandària del sistema. A més, gràcies a l'adaptació a les variacions de la impedància de càrrega, permet mantenir el rendiment en diferents rangs d'operació. S'han realitzat dos dissenys de l'amplificador a 2,4 GHz, un basat en varactors MOS i un altre en condensadors variables MEMS. El disseny que utilitza varactors MOS mostra una PAE màxima del 26% i una potència de 19,2 dBm per a càrrega adaptada 50 ohm. Per altres càrregues, gràcies a l'adaptació d'impedància, s'obté una millora de PAE del 15% i de 4,4 dB en potència de sortida. El disseny utilitzant condensadors MEMS s'integra en CMOS gràcies a post-processat sense màscares addicionals. Els resultats de simulació per a 50 ohm mostren una PAE del 32,8% per 18,2 dBm de potència de sortida