Transmitter architectures with digital modulators, D/A converters and switching-mode power amplifiers

This thesis is composed of nine publications and an overview of the research topic, which also summarises the work. The research described in this thesis focuses on research into the digitalisation of wireless communication base station transmitters. In particular it has three foci: digital modulation, D/A conversion and switching-mode power amplification. The main interest in the implementation of these circuits is in CMOS. The work summarizes the designs of several circuit blocks of a wireless transmitter base station. In the baseband stage, a multicarrier digital modulator that combines multiple modulated signals at different carrier frequencies digitally at baseband, and a multimode digital modulator that can be operated for three different communications standards, are implemented as integrated circuits. The digital modulators include digital power ramping and power level control units for transmission bursts. The upconversion of the baseband signal is implemented using an integrated digital quadrature modulator. The work presented provides insight into the digital-to-analogue interface in the transmitters. This interface is studied both by implementing an intermediate frequency D/A converter in BiCMOS technology and bandpass Delta-Sigma modulator-based D/A conversion in CMOS technology. Finally, the last part of the work discusses switching-mode power amplifiers which are experimented with both as discrete and integrated implementations in conjunction with 1-bit Delta-Sigma modulation and pulse-width modulation as input signal generation methods.Tämä väitöskirja koostuu yhdeksästä julkaisusta ja tutkimusaiheen yhteenvedosta. Väitöskirjassa esitetty tutkimus keskittyy langattaman viestinnän tukiasemien lähettimien digitalisoinnin tutkimukseen. Yksityiskohtaisemmin tutkimusalueet ovat: digitaalinen modulaatio, D/A muunnos ja kytkinmuotoiset tehovahvistimet. Näiden elektronisten piirien toteutuksessa keskitytään CMOS teknologiaan. Työ vetää yhteen useiden langattoman viestinnän tukiasemien lähettimien piirilohkojen suunnittelun. Kantataajuusasteella toteutetaan integroituna piirinä monikantoaaltoinen digitaalinen modulaattori, joka yhdistää useita moduloituja signaaleja eri kantoaalloilla digitaalisesti ja monistandardi digitaalinen modulaatori, joka tukee kolmea eri viestintästandardia. Digitaaliset modulaattoripiirit sisältävät digitaalisen tehoramping ja tehotason säätöyksikön lähetyspurskeita varten. Kantataajuussignaalin ylössekoitus toteutetaan integroitua digitaalista kvadratuurimodulaattoria käyttäen. Esitetty työ antaa näkemystä lähettimien digitalia-analogia rajapintaan, jota tutkitaan toteuttamalla välitaajuinen D/A muunnin BiCMOS teknologialla ja päästökaistainen Delta-Sigma-modulaattoripohjainen D/A muunnin CMOS teknologialla. Lopuksi työn viimeinen osa käsittelee kytkinmuotoisia tehovahvistimia, joita tutkitaan kokeellisesti sekä erilliskompontein toteutettuina piirein että integroiduin piirein toteutettuina käyttäen sisääntulosignaalin muodostamismenetemänä yksibittistä Delta-Sigma-modulaatiota ja pulssin leveys modulaatiota.reviewe