High Efficiency Class E Microwave Frequency Multipliers

A novel design methodology for the successful implementation of high efficiency class E frequency multipliers is presented in this work. An innovative class E configuration is proposed for a frequency tripler that provides an advantage over the conventional designs, by allowing a 50 %duty cycle drive with a realisable load for 100 %DC-to-RF efficiency operation. A novel quantitative analysis of class E networks is developed that aids in the rapid yet accurate assessment of circuit performance. The first-order analysis provides an intuitive evaluation of class E operation and harmonic content of the switch waveforms. The analysis is shown to be applicable to both class E amplifiers and multipliers, providing closed-form equations for an intelligent first design. The proposed class E tripler configuration is evaluated using this technique and is shown to be a practically viable solution for achieving high DC-to-RF efficiency. Techniques involved in the design and implementation of the novel frequency tripler are investigated, and three microstrip circuits are presented that provide high drain efficiency, high unwanted harmonic rejection and low DC power consumption. Innovative design of the input matching circuit that exploits the nonlinear input capacitance of the device, and the output matching circuit that simultaneously provides appropriate harmonic terminations and unwanted harmonic rejection, ensure a simultaneously high achievable conversion gain and DC-to-RF efficiency. Practical demonstration of the three novel circuits display the highest reported DC-to-RF efficiency and conversion gain for m~crowave frequency triplers to date. Trade-oITs between circ.uit complexity,size and simultaneously achievable high efficiency and high conversion gain are identified and elucidated with the three novel designs

DESIGN OF A GAAS DISTRIBUTED AMPLIFIER WITH LC TRAPS BASED BROADBAND LINEARIZATION

Increasing the linearity of power amplifiers has been an important area of research because its signal integrity influences the performance of the entire transreceiver system and there are strict regulatory requirements on them. Due to the nonlinear behaviour of power amplifiers, third order intermodulation products are generated close to the desired signals and cannot be removed by filters. Increasing linearity will help bring these distortion products closer to the noise floor. However, it is not an easy task to increase linearity without trading off output power. To maintain the same level of output power generated but with higher linearity, many techniques, each with its own pros and cons, have been implemented to linearize an amplifier. Techniques involving feedback are seriously limited in terms of modulation bandwidth whereas methods such as predistortion and feedforward are very difficult to implement. This project seeks to use a simple method of placing terminations directly to the distributed amplifier (DA), making it a device level linearization technique and can be used in addition to the other system level techniques mentioned earlier. To increase linearity over a broad bandwidth of 0.5 to 3.0 GHz, this work proposes using low impedance terminations (LC traps) at the envelope frequency to the input and output of several distributed amplifiers. This research is novel since this is the first time broadband improvement in linearity has been demonstrated using the LC trap method. Two design iterations were completed (first design iteration has four variants to test the output trap while the second design iteration has three variants to test the input trap). The low impedance terminations are implemented using inductor-capacitor networks that are external to the monolithic microwave integrated circuit (MMIC). Design and layout of the DAs were carried out using Agilent’s Advanced Design System (ADS). Results show that placing the traps at the output of the DA does not truly affect the linearity of the device at lower frequencies but provide an improvement of 1.6 dB and 3.4 dB to the third-order output intercept point (OIP3) at 2.5 GHz and 3.0 GHz, respectively. With traps at the input, measurement results at -5 dBm input power, viii 1.375 V base bias (61 mA total collector current) and 10 MHz two tone spacing show a broadband improvement throughout the band (0.5 GHz to 3.0 GHz) of 3.3 dB to 7.4 dB in OIP3. Furthermore, the OIP3 is increased to 19.2 dB above P1dB. Results show that the improvement in OIP3 comes without lowering gain, return loss or P1dB and without causing any stability problems

Analysis and Design of a Sub-THz Ultra-Wideband Phased-Array Transmitter

This thesis investigates circuits and systems for broadband high datarate transmitter systems in the millimeter-wave (mm-wave) spectrum. During the course of this dissertation, the design process and characterization of a power efficient and wideband binary phase-shift keying (BPSK) transmitter integrated circuit (IC) with local oscillator (LO) frequency multiplication and 360° phase control for beam steering is studied. All required circuit blocks are designed based on the theoretical analysis of the underlying principles, optimized, fabricated and characterized in the research laboratory targeting low power consumption, high efficiency and broadband operation. The phase-controlled push-push (PCPP) architecture enabling frequency multiplication by four in a single stage is analytically studied and characterized finding an optimum between output power and second harmonic suppression depending on the input amplitude. A PCPP based LO chain is designed. A circuit is fabricated establishing the feasibility of this architecture for operation at more than 200 GHz. Building on this, a second circuit is designed, which produces among the highest saturated output powers at 2 dBm. At less than 100 mW of direct current (DC) power consumption, this results in a power-added efficiency (PAE) of 1.6 % improving the state of the art by almost 30 %. Phase-delayed and time-delayed approaches to beam steering are analyzed, identifying and discussing design challenges like area consumption, signal attenuation and beam squint. A 60 GHz active vector-sum phase-shifter with high gain of 11.3 dB and output power of 5 dBm, improving the PAE of the state of the art by a factor of 30 achieving 6.29 %, is designed. The high gain is possible due to an optimization of the orthogonal signal creation stage enabled by studying and comparing different architectures leading to a trade off of lower signal attenuation for higher area consumption in the chosen electromagnetic coupler. By combining this with a frequency quadrupler, a phase steering enabled LO chain for operation at 220 GHz is created and characterized, confirming the preceding analysis of the phase-frequency relation during multiplication. It achieves a power gain of 21 dB, outperforming comparable designs by 25 dB. This allows the combination of phase control, frequency multiplication and pre-amplification. The radio frequency (RF) efficiency is increased 40-fold to 0.99 %, with a total power consumption of 105 mW. Motivated by the distorting effect of beam squint in phase-delayed broadband array systems, a novel analog hybrid beam steering architecture is devised, combining phase-delayed and time-delayed steering with the goal of reducing the beam squint of phase-delayed systems and large area consumption of time-delayed circuits. An analytical design procedure is presented leading to the research finding of a beam squint reduction potential of more than 83 % in an ideal system. Here, the increase in area consumption is outweighed by the reduction in beam squint. An IC with a low power consumption of 4.3 mW has been fabricated and characterized featuring the first time delay circuit operating at above 200 GHz. By producing most of the beam direction by means of time delay the beam squinting can be reduced by more than 75 % in measurements while the subsequent phase shifter ensures continuous beam direction control. Together, the required silicon area can be reduced to 43 % compared to timedelayed systems in the same frequency range. Based on studies of the optimum signal feeding and input matching of a Gilbert cell, an ultra-wideband, low-power mixer was designed. A bandwidth of more than 100 GHz was achieved exceeding the state of the art by 23 %. With a conversion gain of –13 dB, this enables datarates of more than 100 Gbps in BPSK operation. The findings are consolidated in an integrated transmitter operating around 246 GHz doubling the highest published measured datarates of transmitters with LO chain and power amplifier in BPSK operation to 56 Gbps. The resulting transmitter efficiency of 7.4 pJ/bit improves the state of the art by 70 % and 50 % over BPSK and quadrature phaseshift keying (QPSK) systems, respectively. Together, the results of this work form the basis for low-power and efficient next-generation wireless applications operating at many times the datarates available today.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 241Diese Dissertation untersucht Schaltungen und Systeme für breitbandige Transmittersysteme mit hoher Datenrate im Millimeterwellen (mm-wave) Spektrum. Im Rahmen dieser Arbeit werden der Entwurfsprozess und die Charakterisierung eines leistungseffizienten und breitbandigen integrierten Senders basierend auf binärer Phasenumtastung (BPSK) mit Frequenzvervielfachung des Lokaloszillatorsignals und 360°-Phasenkontrolle zur Strahlsteuerung untersucht. Alle erforderlichen Schaltungsblöcke werden auf Grundlage von theoretischen Analysen der zugrundeliegenden Prinzipien entworfen, optimiert, hergestellt und im Forschungslabor charakterisiert, mit den Zielen einer niedrigen Leistungsaufnahme, eines hohen Wirkungsgrades und einer möglichst großen Bandbreite. Die phasengesteuerte Push-Push (PCPP)-Architektur, welche eine Frequenzvervierfachung in einer einzigen Stufe ermöglicht, wird analytisch untersucht und charakterisiert. Dabei wird ein Optimum zwischen Ausgangsleistung und Unterdrückung der zweiten Harmonischen des Eingangssignals in Abhängigkeit von der Eingangsamplitude gefunden. Es wird eine LO-Kette auf PCPP-Basis entworfen. Eine Schaltung wird präsentiert, die die Machbarkeit dieser Architektur für den Betrieb bei mehr als 200 GHz nachweist. Darauf aufbauend wird eine zweite Schaltung entworfen, die mit 2 dBm eine der höchsten publizierten gesättigten Ausgangsleistungen erzeugt. Mit einer Leistungsaufnahme von weniger als 100mW ergibt sich ein Leistungswirkungsgrad (PAE) von 1.6 %, was den Stand der Technik um fast 30 % verbessert. Es werden phasenverzögerte und zeitverzögerte Ansätze zur Steuerung der Strahlrichtung analysiert, wobei Entwicklungsherausforderungen wie Flächenverbrauch, Signaldämpfung und Strahlschielen identifiziert und diskutiert werden. Ein aktiver Vektorsummen-Phasenschieber mit hoher Verstärkung von 11.3 dB und einer Ausgangsleistung von 5 dBm, der mit einer PAE von 6.29 % den Stand der Technik um den Faktor 30 verbessert, wird entworfen. Die hohe Verstärkung ist zum Teil auf eine Optimierung der orthogonalen Signalerzeugungsstufe zurückzuführen, die durch die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Architekturen ermöglicht wird. Bei der Entscheidung für einen elektromagnetischen Koppler rechtfertigt die geringere Signaldämpfung einen höheren Flächenverbrauch. Durch die Kombination mit einem Frequenzvervierfacher wird eine LO-Kette mit Phasensteuerung für den Betrieb bei 220 GHz geschaffen und charakterisiert, was die vorangegangene Analyse der Phasen-FrequenzBeziehung während der Multiplikation bestätigt. Sie erreicht einen Leistungsgewinn von 21 dB und übertrifft damit vergleichbare Designs um 25dB. Dies ermöglicht die Kombination von Phasensteuerung, Frequenzvervielfachung und Vorverstärkung. Der HochfrequenzWirkungsgrad wird um das 40-fache auf 0.99 % bei einer Gesamtleistungsaufnahme von 105 mW gesteigert. Motiviert durch den verzerrenden Effekt des Strahlenschielens in phasengesteuerten Breitbandarraysystemen, wird eine neuartige analoge hybride Strahlsteuerungsarchitektur untersucht, die phasenverzögerte und zeitverzögerte Steuerung kombiniert. Damit wird sowohl das Strahlenschielen phasenverzögerter Systeme als auch der große Flächenverbrauch zeitverzögerter Schaltungen reduziert. Es wird ein analytisches Entwurfsverfahren vorgestellt, das zu dem Forschungsergebnis führt, dass in einem idealen System ein Potenzial zur Reduktion des Strahlenschielens von mehr als 83 % besteht. Dabei wird die Zunahme des Flächenverbrauchs durch die Verringerung des Strahlenschielens aufgewogen. Es wird ein IC mit einer geringen Leistungsaufnahme von 4.3mW hergestellt und charakterisiert. Dabei wird die erste Zeitverzögerungsschaltung entworfen, die bei über 200 GHz arbeitet. Durch die Erzeugung eines Großteils der Strahlrichtung mittels Zeitverzögerung kann das Schielen des Strahls bei Messungen um mehr als 75% reduziert werden, während der nachfolgende Phasenschieber eine kontinuierliche Steuerung der Strahlrichtung gewährleistet. Insgesamt kann die benötigte Siliziumfläche im Vergleich zu zeitverzögerten Systemen im gleichen Frequenzbereich auf 43 % reduziert werden. Auf der Grundlage von Studien zur optimalen Signaleinspeisung und Eingangsanpassung einer Gilbert-Zelle wird ein Ultrabreitband-Mischer mit geringem Stromverbrauch entworfen. Dieser erreicht eine Ausgangsbandbreite von mehr als 100 GHz, die den Stand der Technik um 23% übertrifft. Bei einer Wandlungsverstärkung von –13dB ermöglicht dies Datenraten von mehr als 100 Gbps im BPSK-Betrieb. Die Erkenntnisse werden in einem integrierten, breitbandigen Sender konsolidiert, der um 246 GHz arbeitet und die höchsten veröffentlichten gemessenen Datenraten für Sender mit LO-Signalkette und Leistungsverstärker im BPSK-Betrieb auf 56 Gbps verdoppelt. Die daraus resultierende Transmitter-Effizienz von 7.4 pJ/bit verbessert den Stand der Technik um 70 % bzw. 50 % gegenüber BPSKund Quadratur Phasenumtastung (QPSK)-Systemen. Zusammen bilden die Ergebnisse dieser Arbeit die Grundlage für stromsparende, effiziente, mobile Funkanwendungen der nächsten Generation mit einem Vielfachen der heute verfügbaren Datenraten.:Abstract 3 Zusammenfassung 5 List of Symbols 11 List of Acronyms 17 Prior Publications 19 1. Introduction 21 1.1. Motivation........................... 21 1.2. Objective of this Thesis ................... 25 1.3. Structure of this Thesis ................... 27 2. Overview of Employed Technologies and Techniques 29 2.1. IntegratedCircuitTechnology................ 29 2.2. Transmission Lines and Passive Structures . . . . . . . . 35 2.3. DigitalModulation ...................... 41 3. Frequency Quadrupler 45 3.1. Theoretical Analysis of Frequency Multiplication Circuits 45 3.2. Phase-Controlled Push-Push Principle for Frequency Quadrupling.......................... 49 3.3. Stand-alone Phase-Controlled Push-Push Quadrupler . 60 3.4. Phase-Controlled Push-Push Quadrupler based LO-chain with High Output Power ............... 72 9 4. Array Systems and Dynamic Beam Steering 91 4.1. Theoretical Analysis of BeamSteering. . . . . . . . . . . 95 4.2. Local Oscillator Phase Shifting with Vector-Modulator PhaseShifters......................... 107 4.3. Hybrid True-Time and Phase-Delayed Beam Steering . 131 5. Ultra-Wide Band Modulator for BPSK Operation 155 6. Broadband BPSK Transmitter System for Datarates up to 56 Gbps 167 6.1. System Architecture ..................... 168 6.2. Measurement Technique and Results . . . . . . . . . . . 171 6.3. Summary and performance comparison . . . . . . . . . 185 7. Conclusion and Outlook 189 A. Appendix 195 Bibliography 199 List of Figures 227 Note of Thanks 239 Curriculum Vitae 24

Design of CMOS transimpedance amplifiers for remote antenna units in fiber-wireless systems.

La memoria de la tesis doctoral: Diseño de Amplificadores de Transimpedancia para Unidades de Antena Remota en Sistemas Fibra-Inalámbrico, se presenta en la modalidad de compendio de Publicaciones. A continuación, se expone un resumen del contexto, motivation y objetivos de la tesis.A lo largo de las últimas décadas, los avances tecnológicos y el esfuerzo por desarrollar nuevos sistemas de comunicaciones han crecido al ritmo que la demanda de información aumentaba a nivel mundial. Desde la aparición de Internet, el tráfico global de datos ha incrementado de forma exponencial y se han creado infinidad de aplicaciones y contenidos desde entonces.Con la llegada de la fibra óptica se produjo un avance muy significativo en el campo de las comunicaciones, ya que la fibra de vidrio y sus características fueron la clave para crear redes de largo alcance y alta velocidad. Por otro lado, los avances en las tecnologías de fabricación de circuitos integrados y de dispositivos fotónicos de alta velocidad han encabezado el desarrollo de los sistemas de comunicaciones ópticos, logrando incrementar la tasa de transmisión de datos hasta prácticamente alcanzar el ancho de banda de la fibra óptica.Para conseguir una mayor eficiencia en las comunicaciones y aumentar la tasa de transferencia, se necesitan métodos de modulación complejos que aprovechen mejor el ancho de banda disponible. No obstante, esta mayor complejidad de la modulación de los datos requiere sistemas con mejores prestaciones en cuanto a rango dinámico y linealidad. Estos esquemas de modulación se emplean desde hace tiempo en los sistemas de comunicaciones inalámbricos, donde el ancho de banda del canal, el aire, es extremadamente limitado y codiciado.Actualmente, los sistemas inalámbricos se enfrentan a una saturación del espectro que supone un límite a la tasa de transmisión de datos. Pese a los esfuerzos por extender el rango frecuencial a bandas superiores para aumentar el ancho de banda disponible, se espera un enorme aumento tanto en el número de dispositivos, como en la cantidad de datos demandados por usuario.Ante esta situación se han planteado distintas soluciones para superar estas limitaciones y mejorar las prestaciones de los sistemas actuales. Entre estas alternativas están los sistemas mixtos fibra-inalámbrico utilizando sistemas de antenas distribuidas (DAS). Estos sistemas prometen ser una solución económica y muy efectiva para mejorar la accesibilidad de los dispositivos inalámbricos, aumentando la cobertura y la tasa de transferencia de las redes a la vez que disminuyen las interferencias. El despliegue de los DAS tendrá un gran efecto en escenarios tales como edificios densamente poblados, hospitales, aeropuertos o edificios de oficinas, así como en áreas residenciales, donde un gran número de dispositivos requieren una cada vez mayor interconectividad.Dependiendo del modo de transmisión de los datos a través de la fibra, los sistemas mixtos fibra-inalámbrico se pueden categorizar de tres formas distintas: Banda base sobre fibra (BBoF), radiofrecuencia sobre fibra (RFoF) y frecuencia intermedia sobre fibra (IFoF). Actualmente, el esquema BBoF es el más utilizado para transmisiones de larga y media distancia. No obstante, utilizar este esquema en un DAS requiere unidades de antena remota (RAU) complejas y costosas, por lo que no está claro que esta configuración pueda ser viable en aplicaciones de bajo coste que requieran de un gran número de RAUs. Los sistemas RFoF e IFoF presentan esquemas más simples, sin necesidad de integrar un modulador/demodulador, puesto que la señal se procesa en una estación base y no en las propias RAUs.El desarrollo de esta tesis se enmarca en el estudio de los distintos esquemas de DAS. A lo largo de esta tesis se presentan varias propuestas de amplificadores de transimpedancia (TIA) adecuadas para su implementación en cada uno de los tres tipos de RAU existentes. La versatilidad y el amplio campo de aplicación de este circuito integrado, tanto en comunicaciones como en otros ámbitos, han motivado el estudio de la implementación de este bloque específico en las diferentes arquitecturas de RAU y en otros sistemas, tales como un receptor de televisión por cable (CATV) o una interfaz de un microsensor inercial capacitivo.La memoria de tesis se ha dividido en tres capítulos. El Capítulo 1 se ha empleado para introducir el concepto de los DAS, proporcionando el contexto y la motivación del diseño de las RAU, partiendo desde los principios básicos de operación de los dispositivos fotónicos y electrónicos y presentando las distintas arquitecturas de RAU. El Capítulo 2 supone el núcleo principal de la tesis. En este capítulo se presenta el estudio y diseño de los diferentes TIAs, que han sido optimizados respectivamente para cada una de las configuraciones de RAU, así como para otras aplicaciones. En un tercer capítulo se recogen los resultados más relevantes y se exponen las conclusiones de este trabajo.Tras llevar a cabo la descripción y comparación de las topologías existentes de TIA, se ha llegado a las siguientes conclusiones, las cuales nos llevan a elegir la topología shunt-feedback como la más adecuada para el diseño: - El compromiso entre ancho de banda, transimpedancia, consumo de potencia y ruido es menos restrictivo en los TIAs de lazo cerrado. - Los TIAs de lazo cerrado tienen un mayor número de grados de libertad para acometer su diseño. - Esta topología presenta una mejor linealidad gracias al lazo de realimentación. Si la respuesta frecuencial del núcleo del amplificador se ajusta de manera adecuada, el TIA shunt-feedback puede presentar una respuesta frecuencial plana y estable.En esta tesis, se ha propuesto una nueva técnica de reducción de ruido, aplicable en receptores ópticos con fotodiodos con un área activa grande (~1mm2). Esta estrategia, que se ha llamado la técnica del fotodiodo troceado, consiste en la fabricación del fotodiodo, no como una estructura única, sino como un array de N sub-fotodiodos, que ocuparían la misma área activa que el original. Las principales conclusiones tras hacer un estudio teórico y realizar un estudio de su aplicación en una de las topologías de TIA propuestas son: - El ruido equivalente a la entrada es menor cuanto mayor es el número de sub-fotodiodos, dado que la contribución al ruido que depende con el cuadrado de la frecuencia (f^2) decrece con una dependencia proporcional a N. - Con una aplicación simple de la técnica, replicando el amplificador de tensión del TIA N veces y utilizando N resistencias de realimentación, cada una con un valor N veces el original, la sensibilidad del receptor aumenta aproximadamente en un factor √N y la estabilidad del sistema no se ve afectada. - Al dividir el fotodiodo en N sub-fotodiodos, la capacidad parásita de cada uno de ellos es N veces menor a la original. Con esta nueva capacidad parásita, el diseño del TIA se puede optimizar, consiguiendo una sensibilidad mucho mejor que con un único fotodiodo para el mismo valor de consumo de potencia.Las principales conclusiones respecto a los diseños de los distintos TIAs para comunicaciones son las siguientes: TIA para BBoF: - El TIA propuesto, alcanza, con un consumo de tan solo 2.9 mW, un ancho de banda de 1 GHz y una sensibilidad de -11 dBm, superando las características de trabajos anteriores en condiciones similares (capacidad del fotodiodo, tecnología y tasa de transmisión). - La técnica del fotodiodo troceado se ha aplicado a este circuito, consiguiendo una mejora de hasta 7.9 dBm en la sensibilidad para un diseño optimizado de 16 sub-fotodiodos, demostrando, en una simulación a nivel de transistor, que la técnica propuesta funciona correctamente. TIA para RFoF: - El diseño propuesto logra una figura de mérito superior a la de trabajos previos, gracias a la combinación de su bajo consumo de potencia y su mayor transimpedancia. - Además, mientras que en la mayoría de trabajos previos no se integra un control de ganancia en el TIA, esta propuesta presenta una transimpedancia controlable desde 45 hasta 65 dBΩ. A través de un sistema de control simultáneo de la transimpedancia y de la ganancia en lazo abierto del amplificador de voltaje, se consigue garantizar una respuesta frecuencial plana y estable en todos los estados de transimpedancia, que le otorga al diseño una superior versatilidad y flexibilidad. TIA para CATV: - Se ha adaptado una versión del TIA para RFoF para demostrar la capacidad de adaptación de esta estructura en una implementación en un receptor CATV con un rango de control de transimpedancia de 18 dB. - Con la implementación del control de ganancia en el TIA, no es necesario el uso de un atenuador variable en el receptor, simplificando así el número de etapas del mismo. - Gracias al control de transimpedancia, el TIA logra rangos de entrada similares a los publicados en trabajos anteriores basados en una tecnología mucho menos accesible como GaAs PHEMT. TIA para IFoF Se ha fabricado un chip en una tecnología CMOS de 65 nm que opera a 1.2 V de tensión de alimentación y se ha realizado su caracterización eléctrica y óptica. - El TIA presenta una programabilidad de su transimpedancia con un control lineal en dB entre 60 y 76 dBΩ mediante un código termómetro de 4 bits. - El ancho de banda se mantiene casi constante en todo el rango de transimpedancia, entre 500 y 600 MHz.Como conclusión general tras comparar el funcionamiento de los TIAs para las distintas configuraciones de RAU, vale la pena mencionar que el TIA para IFoF consigue una figura de mérito muy superior a la de otros trabajos previos diseñados para RFoF. Esto se debe principalmente a la mayor transimpedancia y al muy bajo consumo de potencia del TIA para IFoF propuesto. Además, se consigue una mejor linealidad, ya que, para una transmisión de 54 Mb/s con el estándar 802.11a, se consigue un EVM menor de 2 % en un rango de entrada de 10 dB, comparado con los entre 3 y 5 dB reportados en trabajos previos. El esquema IFoF presenta un gran potencial y ventajas frente al RFoF, lo que lo coloca como una buena alternativa para disminuir los costes y mejorar el rendimiento de los sistemas de antenas distribuidas.Por último, cabe destacar que el diseño de TIA propuesto y fabricado para IFoF contribuye en gran medida al desarrollo y validación de una RAU completa. Se ha demostrado la capacidad de la estructura propuesta para alcanzar un bajo ruido, alta linealidad, simplicidad en la programabilidad de la transimpedancia y adaptabilidad de la topología para diferentes requisitos, lo cual es de un gran interés en el diseño de receptores ópticos.Por otra parte, una versión del TIA para su uso en una interfaz de sensores MEMS capacitivos se ha propuesto y estudiado. Consiste en un convertidor capacidad-voltaje basado en una versión del TIA para RFoF, con el objetivo de conseguir un menor ruido y proveer de una adaptabilidad para diferentes sensores capacitivos. Los resultados más significativos y las conclusiones de este diseño se resumen a continuación: - El TIA presenta un control de transimpedancia con un rango de 34 dB manteniendo el ancho de banda constante en 1.2 MHz. También presenta un control independiente del ancho de banda, desde 75 kHz hasta 1.2 MHz, manteniendo la transimpedancia fija en un valor máximo. - Con un consumo de potencia de tan solo 54 μW, el TIA alcanza una sensibilidad máxima de 1 mV/fF, que corresponde a una sensibilidad de 4.2 mV/g y presenta un ruido de entrada de tan solo 100 µg/√("Hz" ) a 50 kHz en la configuración de máxima transimpedancia.La principal conclusión que destaca de este diseño es su versatilidad y flexibilidad. El diseño propuesto permite adaptar fácilmente la respuesta de la interfaz a una amplia gama de dispositivos sensores, ya que se puede ajustar el ancho de banda para ajustarse a distintas frecuencias de operación, así como la transimpedancia puede ser modificada para conseguir distintas sensibilidades. Este doble control independiente de ancho de banda y transimpedancia le proporcionan una adaptabilidad completa al TIA.<br /

Supply modulated GaN HEMT power amplifiers - From transistor to system

Power amplifiers (PAs) for mobile communication applications are required to fulfil stringent requirements concerning linearity while keeping a high efficiency over a wide power range and bandwidth. To achieve this, a number of advanced PA topologies have been developed, mostly based on either load modulation, such as Doherty PAs or load modulation balanced PAs, or on supply modulation such as envelope tracking or envelope elimination and restoration. Supply modulation has an advantage over other topologies as the power range of high efficiency can be realised over arbitrary bandwidths, only limited by the bandwidth of the PA. This does, however, come at the cost of a significantly more complicated voltage supply. Instead of a static supply voltage, the PA needs to be provided with one which is rapidly changing, requiring a supply modulator capable of powering the PA while modulating its supply voltage. This thesis investigates a number of challenges in supply modulated power amplifiers, ranging from the transistor itself to circuit design and system level considerations and focusses on power levels up to 10 W and frequencies between 1 GHz and 4 GHz. Transistors, as the centre-piece of a PA, determine how well the PA reacts to a changing supply voltage. In this work, the traits that make GaN HEMTs suitable for supply modulated PAs were investigated, and gain variation with changing supply voltage was established as an important parameter. This gain variation is described in detail and its impacts on PA performance are discussed. By comparing transistors in literature, gain variation has been demonstrated to be a prevalent characteristic in transistors with GaN HEMTs showing a very wide range of gain variation. Using a small-signal model based on measurements, the voltage dependent behaviour of the feedback capacitance CGD is, for the first time, identified as the origin of small-signal gain variation. This is traced down to the gate field plate which is commonly used to combat surface trapping effects in GaN HEMTs. With this in mind, two different ways of changing the transistor geometry to reduce the impact of gain variation and thus optimise the transistor for operation in supply modulated PAs are discussed and demonstrated using a 250 nm GaN HEMT. As a result of the non-linearity of the feedback and gate-source capacitances, the input impedance of GaN HEMTs changes with supply voltage and drive power. This prevents the transistor from being matched at all supply voltages and input powers and introduces phase distortion. Using simulation and measurement, the impact of input impedance on linearity and efficiency of supply modulated power amplifiers is demonstrated on a 2.9 GHz 10 W PA. Careful selection of the input impedance allows improvement of AM/PM distortion of a supply modulated PA with little cost in terms of AM/AM and PAE. I Supply modulators have a significant impact on efficiency and linearity of the ET system. One supply modulator topology with the potential to generate a supply voltage with a high modulation bandwidth is the RF modulator in which the input DC voltage is turned into an RF signal and rectified, resulting in an output voltage which depends on the excitation of the PA. While PAs are well understood in every detail, there are gaps in the understanding of RF rectifiers. Using active load-pull/source-pull measurements, intrinsic gate and drain waveforms of a GaN HEMT operated as a rectifier are demonstrated for the first time. This allows in-detail evaluation of the impact of the gate termination in self-synchronous rectifiers. It also allows detailed analysis of the loss mechanisms in rectifiers and formulation of the required impedances to realise efficient self-synchronous operation, resulting in efficiencies exceeding 90% over wide power ranges. Using waveform engineering, a new type of RF modulator, with potentially very high bandwidths, based on even harmonic generation/injection is proposed. The necessary operating conditions of the rectifier part of the modulator are emulated using an active load-pull/source-pull system to successfully demonstrate that the rectifier behaves as predicted. Using a simple demonstrator, preliminary measurements were conducted and the RF modulator was shown to work, reaching efficiencies up to 78%. As PA and supply modulator are combined, they present impedances to each other. These impedances have a significant impact on the behaviour of both sub-systems. A simple way to characterise both the impedance presented to the PA by the modulator and the impedance presented to the modulator by the PA is described. Using a state-of-the-art modulator, these impedances are measured, the modulator impedance is demonstrated to be close to the simulated value. These measurements also demonstrate that the impedances change significantly with the operating conditions

Efficient, High power Precision RF and mmWave Digital Transmitter Architectures

Digital transmitters offer several advantages over conventional analog transmitters such as reconfigurability, elimination of scaling-unfriendly, power hungry and bulky analog blocks and portability across technology. The rapid advancement of technology in CMOS processes also enables integration of complex digital signal processing circuitry on the same die as the digital transmitter to compensate for their non-idealities. The use of this digital assistance can, for instance, enable the use of highly efficient but nonlinear switching-class power amplifiers by compensating for their severe nonlinearity through digital predistortion. While this shift to digitally intensive transmitter architectures is propelled by the benefits stated above, several pressing challenges arise that vary in their nature depending on the frequency of operation - from RF to mmWave. Millimeter wave CMOS power amplifiers have traditionally been limited in output power due to the low breakdown voltage of scaled CMOS technologies and poor quality of on-chip passives. Moreover, high data-rates and efficient spectrum utilization demand highly linear power amplifiers with high efficiency under back-off. However, linearity and high efficiency are traditionally at odds with each other in conventional power amplifier design. In this dissertation, digital assistance is used to relax this trade-off and enable the use of state-of-the-art switching class power amplifiers. A novel digital transmitter architecture which simultaneously employs aggressive device-stacking and large-scale power combining for watt-class output power, dynamic load modulation for linearization, and improved efficiency under back-off by supply-switching and load modulation is presented. At RF frequencies, while the problem of watt-class power amplification has been long solved, more pressing challenges arise from the crowded spectrum in this regime. A major drawback of digital transmitters is the absence of a reconstruction filter after digital-to-analog conversion which causes the baseband quantization noise to get upconverted to RF and amplified at the output of the transmitter. In high power transmitters, this upconverted noise can be so strong as to prevent their use in FDD systems due to receiver desensitization or impose stringent coexistence challenges. In this dissertation, new quantization noise suppression techniques are presented which, for the first time, contribute toward making watt-class fully-integrated digital RF transmitters a viable alternative for FDD and coexistence scenarios. Specifically, the techniques involve embedding a mixed-domain multi-tap FIR filter within highly-efficient watt-class switching power amplifiers to suppress quantization noise, enhancing the bandwidth of noise suppression, enabling tunable location of suppression and overcoming the limitations of purely digital-domain filtering techniques for quantization noise

Optical generation of mm-wave signals for use in broadband radio over fiber systems

In future cellular radio networks Radio over Fiber (RoF) is a very attractive technology to deliver microwave and millimeter-wave signals containing broad band multimedia services to numerous base stations of the network. The radio signals are placed on an optical carrier and distributed by means of an optical fiber network to the base stations (BS). In the BS the optical signals heterodyne in a photodiode to produce the radio signals which are then sent via a wireless link to the mobile units (MU). The optical fiber network provides high frequency, wideband, low loss and a means of signal distribution immune to electromagnetic interference. In this thesis, different methods of electrooptical upconversion were investigated. The generation of an optical double-sideband with suppressed carrier (DSB-SC) signal is a straightforward method due to the fact that only one optical modulator driven at half the millimeter-wave frequency is required. One or both sidebands were ASK-modulated with baseband data rates of up to 10 Gbps. Optical single sideband modulation proves to be dispersion resilient as error free transmission was demonstrated after 53 km of single mode fiber transmission for data rates up to 10 Gbps. Wireless links up to 7 m were also demonstrated, proving the feasibility of this approach for broadband wireless inhouse access systems.Für zukünftige zellulare Funknetze ist „Radio over Fiber (RoF)“ eine sehr attraktive Technologie, um breitbandige Multimedia-Dienste mit Mikro- und Millimeterwellen zu übertragen. Die Funksignale werden dabei auf eine optische Trägerwelle aufmoduliert und mittels eines optischen Fasernetzes zu den Basisstationen (BS) verteilt. In den BS erfolgt die Überlagung der optischen Signale durch eine Fotodiode, um die Funksignale zu erzeugen. Diese werden dann über eine drahtlose Verbindung zu den beweglichen Multimedia-Endgeräten geschickt. Vorteile des optischen Fasernetzes sind Breitbandigkeit, geringe Dämpfung und eine gegenüber elektromagnetischen Störungen immune Signalverteilung. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der elektrooptischen Aufwärtskonversion erforscht und die wichtigsten Eigenschaften dieser untersucht. Die Erzeugung eines optischen Zweiseitenbandsignales mit unterdrücktem Träger (DSB-SC) ist eine einfache Methode, da nur ein optischer Modulator, betrieben mit der halben elektrischen Trägerfrequenz, benötigt wird. Eine oder beide Seitenbänder konnten mit Bitraten bis zu 10 Gbps amplitudenmoduliert werden. Optische Einseitenbandmodulation ist extrem tolerant bezüglich der chromatischen Dispersion der Faser, wie die fehlerfreie Übertragung nach 53 km Glasfaser beweist. Drahtlose Links bis zu 7 m wurden realisiert und zeigen die Möglichkeit dieser Verfahren für breitbandige drahtlose Inhouse-Zugangssysteme