Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur STI, Section d'électricité, Institut de microélectronique et microsystèmes IMM (Laboratoire d'électronique générale 1 LEG1)

Adaptation dynamique de la compression d'un amplificateur RF pour des signaux modulés en amplitude et en phase

Schlumpf, Nicolas ; Declercq, Michel (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3020.

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    Summary
    Conventional RF power amplifiers usually give their maximum efficiency near the maximum output power level. When the output power decreases, the efficiency drops sharply. Deep class AB or B PAs improve their efficiency by a self-adaptation of the current drawn from the power supply. However, in many cases, both deep class AB and B do not provide enough linearity like, for instance, in CDMA applications where spectral re-growth is of first concern. From class A to class B, RF PAs face the linearity-efficiency trade-off. The class A is linear but power inefficient, whereas class B is efficient but has a poor linearity. An alternative to the linearity-efficiency trade-off is to dynamically adapt the power supply voltage of a linear PA with respect to the instantaneous envelope value of the modulating signal. The linear PA is of class A or class AB and its collector or drain voltage is adapted to avoid RF output voltage to saturate such that, ideally, the linearity is not degraded. The supply voltage adaptation should be capable to follow large envelope bandwidth for CDMA application (3.8MHz for UMTS and 1.2MHz for IS-95). This thesis work treats System and modulator design aspects. System aspects covers mainly the PA bias influence on the system linearity and system simulation issues. The modulator design covers the architecture aspect to address bandwidth and efficiency requirements and the design in a CMOS 0.35µm process. The modulator is a fast high efficiency step down converter providing all necessary functions to transform the main power supply according to the low envelope detected level into a varying supply for an external PA. The typical carrier frequency is around 1900MHz with a typical minimum level of 100µW whereas the PA power consumption is in the order of a couple of hundred milliwatts.
    Résumé
    Les amplificateurs de puissance RF font face au compromis linéarité, rendement en puissance. Dans la téléphonie mobile, les PAs utilisés sont de classe AB. De manière simplifiée, la classe A possède une bonne linéarité mais un mauvais rendement en puissance alors que pour la classe B, c’est l’opposé. Par ailleurs, la tendance pour les nouveaux standards téléphoniques est de maximiser le débit par rapport à la bande fréquentielle occupée. Il en résulte des modulations dont l’enveloppe n’est pas constante. La linéarité du PA pour ce type de modulation est de première importance. En effet, toute non linéarité engendre des produits d’intermodulation qui perturbent les canaux adjacents. Il existe donc un intérêt pour maintenir le rendement en puissance d’un amplificateur de puissance (PA) RF, dit linéaire de classe A ou AB, sans compromettre ses performances de linéarité. Un moyen d’y parvenir est d’adapter de manière dynamique l’alimentation du PA en fonction de l’enveloppe du signal RF afin d’éviter toute compression de son signal de sortie. Cette adaptation doit se faire en fonction de l’enveloppe, c’est-à-dire jusqu’à 3.84MHz dans le cas du standard UMTS et 1.2MHz dans le cas du standard IS-95, le tout avec un rendement élevé pour diminuer la consommation. L’étude porte d’une part sur l’étude du système et d’autre part sur la conception et la réalisation d’un modulateur intégré en technologie CMOS 0.35µm. Ce modulateur est capable de détecter l’enveloppe d’un signal RF dont la fréquence centrale se situe autour de 1900MHz et de convertir cette enveloppe en une alimentation dynamique pour un PA externe. Les problèmes relatifs à cette méthode sont la transformation d’un niveau d’enveloppe RF faible en une alimentation variable à haut rendement, la fréquence élevée de l’enveloppe et la cohabitation sur un même circuit intégré de signaux RF faibles (100µW) avec une alimentation à découpage délivrant une puissance de quelques centaines de milliwatts.