On the design of high-efficiency RF Doherty power amplifiers

Power amplifiers (PAs) are one of the most crucial elements in wireless standards becasue they are the most power hungry subsystems. These elements have to face an important issue, which is the power efficiency, a fact related with the output back-off (OBO). But the OBO depends on the kind of modulated signal, in proportion to the modulated signal peak-to-average power ratio (PAPR). The higuer is the data rate, the higer is the OBO, and consequently the lower is the efficiency. A low efficiency of PAs causes the waste of energy as heat. Furthermore, the trade-off between linearity and efficiency in PAs is another major issue. To cope with the undesired circumstances producing efficiency degradation, the Doherty power amplifier (DPA) is one of the useful techniques which provide high efficiency for high PAPR of modern communication signals. Nevertheless, the limited bandwidth (BW) of this kind of PAs (about 10% of fractional bandwidth) and its importance (in modern wireless systems such as LTE, WiMAX, Wi-Fi and satellite systems) have encouraged the researchers to improve this drawback in recent years. Some typical BW limiting factors effect on the performance of DPAs: i) quarter-wave length transformers, ii) phase compensation networks in/output matching circuits, iii) offset lines and device non-idealities; The quarter-wave length transformers performs as an inverter impedance in the load modulation technique of DPAs. The future objective in designing DPAs is to decrease the impact of these issues. In this context, this PhD-thesis is focused on improving fractional bandwidth of DPAs using the new methods that are related to impedance transformers instead of impedance inverters in the load modulation technique. This study is twofold. First, it is presented a novel DPA where a wideband GaN DPA in the 2.5 GHz band with an asymmetrical Wilkinson splitter. The impedance transformer of the proposed architecture is based on a matching network including a tapered line with multi-section transformer in the main stage. The BW of this DPA has ranged from 1.8 to 2.7 GHz. Plus, the obtained power efficiency (drain) is higher than 33% in the whole BW at both maximum and OBO power levels. Second, based on the benefits of the Klopfenstein taper, a promising DPA design is proposed where a Klopfenstein taper replaces the tapered line. In fact, this substitution results on reducing the reflection coefficient of the transformer. From a practical prototype realization of this novel Doherty-like PA in the 2.25 GHz band, this modification has demonstrated that the resulting DPA BW is increased in comparison to the conventional topology while keeping the efficiency figures. Moreover, this study also shows that the Klopfenstein taper based design allows an easy tuning of the group delay through the output reactance of the taper, resulting in a more straightforward adjustments than other recently published designs where the quarter-wave transformer is replaced by multi-section transmission lines (hybrid or similar). Experimental results have shown 43-54% of drain efficiency at 42 dBm output power, in the range of 1.7 to 2.75 GHz. Concretely, the results presented in this novel Doherty-like PA implies an specific load modulation technique that uses the mixed Klopfenstein tapered line together with a multi-section transformer in order to obtain high bandwidth with the usual efficiency in DPAs.Los amplificadores de potencia (PAs) son uno de los elementos más importantes para los transmisores inalámbricos desde el punto de vista del consumo energético. Un aspecto muy importante es su eficiencia energética, un concepto relacionado con el back-off de salida (OBO), que a su vez viene condicionadpo por el PAPR de la señal modulada a amplificar. Una baja eficiencia de los PA hace que la pérdida de energía se manifieste en forma de calor. De hecho, esta cuestión conduce al incremento de los costes y tamaño, esto último por los radiadores. Además, el compromiso entre la linealidad y la eficiencia en los PA es otro problema importante. Para hacer frente a las circunstancias que producen la degradación de la eficiencia, el amplificador de potencia tipo Doherty (DPA) es una de las técnicas más útiles que proporcionan una buena eficiencia incluso para los altos PAPR comunes en señales de comunicación modernos. Sin embargo, el limitado ancho de banda (BW) de este tipo de PA (alrededor del 10% del ancho de banda fraccional) y su importancia (en los sistemas inalámbricos modernos, tales como LTE, WiMAX, Wi-Fi y sistemas de satélites) han animado a los investigadores para mejorar este inconveniente en los últimos años. Algunos aspectos típicos que limitan el BW en los DPA son: i) transformadores de longitud de cuarto de onda, ii) redes de compensación de fase y circuitos de adaptación de salida, iii) compensación de las líneas y los dispositivos no ideales. Los transformadores de cuarto de onda actuan como un inversor de impedancia en la técnica de modulación de carga de la DPA "("load modulation"). Concretamente, el objetivo futuro de diseño de DPA es disminuir el impacto de estos problemas. En este contexto, esta tesis doctoral se centra en mejorar el ancho de banda fraccional de DPA utilizando los nuevos métodos que están relacionados con el uso de transformadores de impedancias en vez de inversores en el subcircuito de modulación de carga. Este estudio tiene dos niveles. En primer lugar, se presenta una novedosa estructura del DPA de banda ancha usándose dispositivos de GaN en la banda de 2,5 GHz con un divisor Wilkinson asimétrico. El transformador de impedancias de la arquitectura propuesta se basa en una red de adaptación, incluyendo una línea cónica con múltiples secciones del transformador en la etapa principal. El BW de este DPA ha sido de 1,8 a 2,7 GHz. Además, se obtiene una eficiencia de drenador de más del 33% en todo el BW, tanto a nivel de potencia máxima como a nivel del OBO. En segundo lugar, aprovechando los beneficios de un adaptador de Klopfenstein, se propone un nuevo diseño del DPA. Con la sustitución de la lina conica por el Klopfenstein se reduce el coeficiente de reflexión de transformador de impedancias. Sobre un prototipo práctico de esta nueva estructura del Doherty, en la banda de 2,25 GHz, se ha demostrado que el BW resultante se incrementa en comparación con la topología convencional mientras se mantienen las cifras de eficiencia. Por otra parte, en este estudio se demuestra que el diseño basado en el Klopfenstein permite una afinación fácil del retardo de grupo a través de la reactancia de salida del taper, lo que resulta en un ajuste más sencillo que otros diseños publicados recientemente en el que el transformador de cuarto de onda se sustituye por multi-líneas de transmisión de la sección (híbridos o similar). Los resultados experimentales han mostrado un 43-54% de eficiencia de drenador sobre 42 dBm de potencia de salida, en el intervalo de 1,7 a 2,75 GHz. Concretamente, los resultados presentados en esta nueva estructura tipo-Doherty implican una técnica de modulación de carga que utiliza una combinación de un Klopfenstein junto con un transformador de múltiples secciones con el fin de obtener un alto ancho de banda con la eficiencia habitual en DPAs.Els amplificadors de potència (PA) són un dels elements més importants per els sistemes ràdio ja que sone ls principals consumidors d'energía. Un aspecte molt important és l'eficiència de l'amplificador, aspecte relacionat amb el back-off de sortida (OBO) que a la seva vegada ve condicionat pel PAPR del senyal modulat. Una baixa eficiència dels PA fa que la pèrdua d'energia en manifesti en forma de calor. De fet, aquesta qüestió porta a l'increment dels costos i grandària, degut als dissipadors de calor. A més, el compromís entre la linealitat i l'eficiència en els PA es un altre problema important. Per fer front a les circumstàncies que porten a la degradació de l'eficiència, l'amplificador de potència Doherty (DPA) és una de les tècniques més útils i que proporcionen una bona eficiència per als alts PAPR comuns en senyals de comunicació moderns. No obstant això, l'ample de banda limitat (BW) d'aquest tipus de PA (al voltant del 10% de l'ample de banda fraccional) i la seva importància (en els sistemes moderns, com ara LTE, WiMAX, Wi-Fi i sistemes de satèl·lits) han animat els investigadors per millorar aquest inconvenient en els últims anys. Alguns aspectes tipicament limitadors del BW en els DPA son: i) transformadors de longitud d'quart d'ona, ii) xarxes de compensació de fase en circuits / adaptacions de sortida, iii) compensació de les línies i els dispositius no ideals. Els transformadors de quart d'ona s'utilitzen com a inversors d'impedàncies en la tècnica de modulació de càrrega del DPA ("load modulation"). Concretament, l'objectiu futur de disseny d'DPA és disminuir l'impacte d'aquests problemes. En aquest context, aquesta tesi doctoral es centra en millorar l'ample de banda fraccional dels DPA utilitzant nous mètodes que estan relacionats amb l'ús de transformadors d'impedàncies, en comptes d'inversors, en el subcircuit de modulació de càrrega. Aquest treball té dos nivells. En primer lloc, es presenta un DPA novedós que fa servir dispositus GaN DPA a la banda de 2,5 GHz amb un divisor Wilkinson asimètric. El transformador d'impedàncies de l'arquitectura proposada es basa en una xarxa d'adaptació, incloent una línia cònica amb múltiples seccions del transformador en l'etapa principal. El BW d'aquest DPA ha mostrat ser d'1,8 a a 2,7 GHz. A més, s'obté una eficiència de drenador de més del 33% en tot el BW, tant a nivell de potència màxima com de OBO. En segon lloc, sobre la base dels beneficis del adaptador de Klopfenstein, un proposa un nou disseny on un Klopfenstein substitueix la anterior línia cònica. Aquesta substitució repercuteix en la reducció del coeficient de reflexió de transformador d'impedàncies.Des d'una realització pràctica (prototipus) d'aquest nou amplificador tipus Doherty a la banda de 2,25 GHz, s'ha demostrat que el BW resultant s'incrementa en comparació amb la topologia convencional mentre es mantenen les xifres d'eficiència. D'altra banda, en aquest estudi es demostra que el disseny basat en el Klopfenstein permet una afinació fàcil del retard de grup a través de la reactància de sortida de la forma cònica, el que resulta en un ajust més senzill que altres dissenys publicats recentment en què el transformador de quart d'ona es substitueix per multi-línies de transmissió de la secció (híbrids o similar). Els resultats experimentals han mostrat un 43-54% d'eficiència de drenador en 42 dBm de potència de sortida, en l'interval de 1,7-2,75 GHz. Concretament, els resultats presentats en aquest nou amplificador tipus Doherty impliquen una tècnica de modulació de càrrega específic que utilitza una combinació del Klopfenstein juntament amb un transformador de múltiples seccions per tal d'obtenir un alt ample de banda amb la usual eficiència en DPAs.Postprint (published version

Performance enhancement in the desing of amplifier and amplifier-less circuits in modern CMOS technologies.

In the context of nowadays CMOS technology downscaling and the increasing demand of high performance electronics by industry and consumers, analog design has become a major challenge. On the one hand, beyond others, amplifiers have traditionally been a key cell for many analog systems whose overall performance strongly depends on those of the amplifier. Consequently, still today, achieving high performance amplifiers is essential. On the other hand, due to the increasing difficulty in achieving high performance amplifiers in downscaled modern technologies, a different research line that replaces the amplifier by other more easily achievable cells appears: the so called amplifier-less techniques. This thesis explores and contributes to both philosophies. Specifically, a lowvoltage differential input pair is proposed, with which three multistage amplifiers in the state of art are designed, analysed and tested. Moreover, a structure for the implementation of differential switched capacitor circuits, specially suitable for comparator-based circuits, that features lower distortion and less noise than the classical differential structures is proposed, an, as a proof of concept, implemented in a ΔΣ modulator

Power-efficient current-mode analog circuits for highly integrated ultra low power wireless transceivers

In this thesis, current-mode low-voltage and low-power techniques have been applied to implement novel analog circuits for zero-IF receiver backend design, focusing on amplification, filtering and detection stages. The structure of the thesis follows a bottom-up scheme: basic techniques at device level for low voltage low power operation are proposed in the first place, followed by novel circuit topologies at cell level, and finally the achievement of new designs at system level. At device level the main contribution of this work is the employment of Floating-Gate (FG) and Quasi-Floating-Gate (QFG) transistors in order to reduce the power consumption. New current-mode basic topologies are proposed at cell level: current mirrors and current conveyors. Different topologies for low-power or high performance operation are shown, being these circuits the base for the system level designs. At system level, novel current-mode amplification, filtering and detection stages using the former mentioned basic cells are proposed. The presented current-mode filter makes use of companding techniques to achieve high dynamic range and very low power consumption with for a very wide tuning range. The amplification stage avoids gain bandwidth product achieving a constant bandwidth for different gain configurations using a non-linear active feedback network, which also makes possible to tune the bandwidth. Finally, the proposed current zero-crossing detector represents a very power efficient mixed signal detector for phase modulations. All these designs contribute to the design of very low power compact Zero-IF wireless receivers. The proposed circuits have been fabricated using a 0.5μm double-poly n-well CMOS technology, and the corresponding measurement results are provided and analyzed to validate their operation. On top of that, theoretical analysis has been done to fully explore the potential of the resulting circuits and systems in the scenario of low-power low-voltage applications.Programa Oficial de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones (RD 1393/2007)Komunikazioen Teknologietako Doktoretza Programa Ofiziala (ED 1393/2007

Class-G Headphone Amplifier Architectures

To maximize the battery life of portable audio devices like iPods, MP3 players and mobile phones, there is a need for audio power amplifiers with low quiescent power, high efficiency along with uncompromising quality (Distortion performance/ THD) and low cost. Despite their high efficiency, Class-D amplifiers are undesirable as headphone drivers in mobile devices, owing to their high EMI radiation, additional costs due to filtering required at the output and also their poor linearity at small signal levels. Almost all of todays headphone drivers are Class-AB linear amplifiers, with poor efficiencies. Here we propose a Class-G linear amplifier, which uses rail switching to improve efficiency. It can be viewed as a Class-AB amplifier operating from the lower supply and a Class-C amplifier from the higher supply. Though the classical definition of efficiency using full-scale sine wave does not show much improvement for Class-G (85.9 percent) over Class-AB (78 percent), we demonstrate that the Class-G audio amplifiers can have significant improvement of efficiencies (battery life) in the practical sense. By considering the amplitude distribution of audio signals a new realistic definition of efficiency has been proposed. This definition helps in demonstrating the advantage of using Class-G over Class-AB and also helps in optimizing the choice of supply voltages which is critical to maximizing the efficiency of Class-G amplifiers. Two new circuit topologies have been proposed and thoroughly investigated. The first circuit is more like a developmental stage and is designed/fabricated in AMI 0.5um. The second proposed Class-G amplifier with modified Class-AB bias, implemented in IBM 90nm, achieves -82.5dB THD N by seamless supply switching and uses the least reported quiescent power (350 mu W) and area (0.08mm^2)

Low temperature sensitivity CMOS transconductor based on GZTC MOSFET condition

Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) Transconductors, or Gm cells, are key building blocks to implement a large variety of analog circuits such as adjustable filters, multipliers, controlled oscillators and amplifiers. Usually temperature stability is a must in such applications, and herein we define all required conditions to design low thermal sensitivity Gm cells by biasing MOSFETs at Transconductance Zero Temperature Condition (GZTC). This special bias condition is analyzed using a MOSFET model which is continuous from weak to strong inversion, and it is proved that this condition always occurs from moderate to strong inversion operation in any CMOS fabrication process. Additionally, a few example circuits are designed using this technique: a single-ended resistor emulator, an impedance inverter, a first order and a second order filter. These circuits have been simulated in a 130 nm CMOS commercial process, resulting in improved thermal stability in the main performance parameters, in the range from 27 to 53 ppm/ºC

Amplifier performance enhancement methods using positive feedback techniques

The dramatic growth in the hi-tech sector of consumer market has created many unprecedented challenges in the area of integrated circuits. The present and future communication and entertainment systems including high speed cable and DSL modems, broadband wired and wireless systems, and high definition visual products require very fast and high accuracy amplifiers, data converters and filters. Analog design in the new digital CMOS submicron processes is becoming an economical necessity in the industry. The task of building fast Op-Amp with very high DC-gain is already a very difficult problem, and this task has become more difficult using these new submicron digital processes, where traditional gain enhancement techniques are loosing their ability to deliver amplifiers with sufficient gain. In this work three new methods of implementing the internal positive-feedback to build very high DC-gain amplifiers with very low gain sensitivity to signal swings are presented. Amplifiers proposed in the first method have very high current-controlled gain. A DC gain larger than 100dB is possible without limiting the speed of the amplifier. Amplifiers proposed in the second method exhibit both enhanced speed, i.e., unity gain frequency, and enhanced gain. Amplifiers proposed in the third method have self-adjusting gain without extra control block. An implementation of a 3 bit multiplying DAC in a 9-bit 165MS/s pipeline ADC built in a 1.8V, 0.21mu digital CMOS process using one of the proposed amplifiers is described. Test results show high gain with very fast settling

Development of a solid state amplifier for the 3rd harmonic cavity for ALBA synchrotron light source

In Synchrotron Light Source facilities with high energy and low emittance electron beams different techniques for improving the quality of the synchrotron light for the users are applied. With this aim ALBA, the Spanish 3rd generation Synchrotron Light Source, is developing a 3rd Harmonic radiofrequency (RF) system as a system additional to the main RF system of the storage ring. This system will consist of four normal conducting active cavities at 1.5 GHz that will provide the required 1.1 MV accelerating voltage to the electron beam and will be fed by four 20 kW power transmitters. This power will be generated by modular Solid State Power Amplifiers (SSPAs) in a continuous wave mode at 1.5 GHz. On the basis of preliminary studies it has been decided that the architecture of each 20 kW power transmitter is a tree diagram made up of primary 1 kW SSPA modules connected in parallel in a combination array. The present PhD thesis is devoted to the design, building and evaluation of a prototype of the 1 kW SSPA module formed four 250 W primary power amplifier modules. Accordingly, all subsystems, namely input and output matching networks of the 250 W primary module, and a four-way power splitter, a four-way power combiner and a novel directivity compensated directional coupler for the non-invasive power monitoring of the 1 kW power amplifier were also designed and their prototypes were tested. A final evaluation of the combined 1 kW SSPA prototype module was successfully carried out and has shown good performance.En las instalaciones de tipo Fuentes de luz de sincrotrón de haz de electrones de alta energía y baja emitancia se aplican diferentes técnicas de mejora de la calidad de la luz de sincrotrón. Con este objetivo, el ALBA, la fuente española de luz de sincrotrón de la tercera generación, está desarrollando un sistema de radiofrecuencia (RF) de la 3ª Harmónica como un sistema adicional al sistema de RF principal del anillo de almacenamiento. Este sistema consistirá de cuatro cavidades activas de conductividad normal de frecuencia 1,5 GHz que suministrarán un voltaje acelerador de 1.1 MV necesario para el haz de electrones y que serán alimentadas por cuatro transmisores de potencia de 20 kW. Esta potencia será generada en modo de onda continua a frecuencia 1.5 GHz por amplificadores de potencia de estado sólido (APES) de estructura modular. A partir de unos estudios preliminares se ha decidido que la arquitectura de cada transmisor de potencia de 20 kW es de tipo diagrama de árbol que consiste de APES primarios de potencia 1 kW conectados en paralelo formando una matriz de combinación. El tema de la presente tesis es el diseño, la construcción y la caracterización de un prototipo del módulo de APES de potencia 1 kW formado por cuatro amplificadores primarios de 250 W de potencia. También, todos subsistemas, concretamente los circuitos de adaptación de entrada y de salida del módulo primario de 250 kW, así como un divisor de cuatro salidas, un combinador de cuatro entradas y un acoplador direccional con una nova solución de compensación de directividad para una monitorización no invasiva han sido diseñados y sus prototipos han sido testeados. La evaluación final de funcionamiento del APES de 1 kW de potencia ha sido realizada con éxito y ha demostrado su buen rendimiento.Postprint (published version

Development of a solid state amplifier for the 3rd harmonic cavity for ALBA synchrotron light source

In Synchrotron Light Source facilities with high energy and low emittance electron beams different techniques for improving the quality of the synchrotron light for the users are applied. With this aim ALBA, the Spanish 3rd generation Synchrotron Light Source, is developing a 3rd Harmonic radiofrequency (RF) system as a system additional to the main RF system of the storage ring. This system will consist of four normal conducting active cavities at 1.5 GHz that will provide the required 1.1 MV accelerating voltage to the electron beam and will be fed by four 20 kW power transmitters. This power will be generated by modular Solid State Power Amplifiers (SSPAs) in a continuous wave mode at 1.5 GHz. On the basis of preliminary studies it has been decided that the architecture of each 20 kW power transmitter is a tree diagram made up of primary 1 kW SSPA modules connected in parallel in a combination array. The present PhD thesis is devoted to the design, building and evaluation of a prototype of the 1 kW SSPA module formed four 250 W primary power amplifier modules. Accordingly, all subsystems, namely input and output matching networks of the 250 W primary module, and a four-way power splitter, a four-way power combiner and a novel directivity compensated directional coupler for the non-invasive power monitoring of the 1 kW power amplifier were also designed and their prototypes were tested. A final evaluation of the combined 1 kW SSPA prototype module was successfully carried out and has shown good performance.En las instalaciones de tipo Fuentes de luz de sincrotrón de haz de electrones de alta energía y baja emitancia se aplican diferentes técnicas de mejora de la calidad de la luz de sincrotrón. Con este objetivo, el ALBA, la fuente española de luz de sincrotrón de la tercera generación, está desarrollando un sistema de radiofrecuencia (RF) de la 3ª Harmónica como un sistema adicional al sistema de RF principal del anillo de almacenamiento. Este sistema consistirá de cuatro cavidades activas de conductividad normal de frecuencia 1,5 GHz que suministrarán un voltaje acelerador de 1.1 MV necesario para el haz de electrones y que serán alimentadas por cuatro transmisores de potencia de 20 kW. Esta potencia será generada en modo de onda continua a frecuencia 1.5 GHz por amplificadores de potencia de estado sólido (APES) de estructura modular. A partir de unos estudios preliminares se ha decidido que la arquitectura de cada transmisor de potencia de 20 kW es de tipo diagrama de árbol que consiste de APES primarios de potencia 1 kW conectados en paralelo formando una matriz de combinación. El tema de la presente tesis es el diseño, la construcción y la caracterización de un prototipo del módulo de APES de potencia 1 kW formado por cuatro amplificadores primarios de 250 W de potencia. También, todos subsistemas, concretamente los circuitos de adaptación de entrada y de salida del módulo primario de 250 kW, así como un divisor de cuatro salidas, un combinador de cuatro entradas y un acoplador direccional con una nova solución de compensación de directividad para una monitorización no invasiva han sido diseñados y sus prototipos han sido testeados. La evaluación final de funcionamiento del APES de 1 kW de potencia ha sido realizada con éxito y ha demostrado su buen rendimiento