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

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 sortid

A very low distortion high efficiency class-F power amplifier at 900 MHz.

This paper presents a novel class - F power amplifier for mobile applications in which with a proper harmonic tuning structure the need f or an extra fil tering section is eliminated . A class - F power a mplifier employing a GaN HEMT device has been designed, fabricated and measured at 900 MHz . The fabricated circuit achieves a n excel lent harmonic - suppression level and the t otal h armonic distortion is around 1.2% . It overcomes the narrow band performance of class - F power amplifier s, giving more than 70% efficiency over a 100 MHz bandwidth . Experimental results show that the amplifier is able to deliver 38.5 dBm output power while achieving the state - of - the - art PAE of 8 0.5 % with a peak drain eff iciency of 8 4 % , and a power gain of 13.6 dB for an input power of 25 dBm . A good agreement between measurement and simulation results is observed for the proposed structure.Peer ReviewedPostprint (published version

A 2.4 GHz CMOS class-F power amplifier with reconfigurable load-impedance matching

© 2019 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.A novel reconfigurable CMOS class-F power amplifier (PA) at 2.4 GHz is proposed in this paper. It is able to match the output load variations mainly due to the effect of hand and head on a mobile phone. The effect of load variation on power-added efficiency (PAE), output power, and distortion is compensated by reconfiguring the output network using an impedance tuner. The tuner controls the output matching at fundamental frequency without affecting the class-F harmonic tuning up to 3rd harmonic. To the best of our knowledge, this is the first design of a CMOS class-F PA addressed to compensate the effect of load variation. Measurement results for 50 ohm load impedance show a maximum PAE of 26% and maximum output power of 19.2 dBm. The measured total harmonic distortion is 4.9%. Measurement results for load values other than 50 ohm show that PAE increases from 6.5% (not-tuned PA) up to 19.9% (tuned PA) with the same output power (19.2 dBm). Tuning also reduces the adjacent-channel leakage ratio by 5 dB and the spectral regrowth of a Wi-Fi signal at the PA output. The size of the fabricated chip is 1.6 mm × 1.6 mm.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

High efficiency reconfigurable class-F power amplifier at 2.4 GHz in CMOS-MEMS technology

A novel reconfigurable CMOS class-F power amplifier is proposed in this paper which can adapt to load variations resulted from the hand effect on a mobile phone. Reconfigurability is achieved by using MEMS switches that are integrated monolithically in the CMOS technology along the rest of the circuit, reducing the cost and size. This structure integrates MEMS varactor inside CMOS technology that are built through a mask-less post-processing technique. Designed for 2.4GHz, for a load impedance of 50O, simulations results show that the power amplifier achieves a power added efficiency of 32.8% and a power gain of 12.9 dB, while delivering peak output power of 18.2 dBm. Simulation results for different load variations have been performed showing a great improvement in efficiency and output power by using the proposed structure. The total size of the fabricated chip is 1.6 mm x 1.6 mm.Peer ReviewedPostprint (published version

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

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 sortidaPostprint (published version

Highly efficient class-F RF power amplifiers with very low distortion

This paper presents a novel class-F power amplifiers for mobile applications in which the need for an extra filtering section is eliminated with a proper harmonic tuning structure. Two class-F power amplifiers are presented (900 MHz and 1800MHz bands). The 900 MHz amplifier is able to deliver 38.6 dBm with a PAE of 80.5 % and a total harmonic distortion of 1.2 %. The 1800 MHZ delivers 38.8 dBm and has a PAE of 75%Peer Reviewe

High-efficiency reconfigurable dual-band class-F power amplifier with harmonic control network using MEMS

©2020 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.This letter presents a novel reconfigurable, high-efficiency class-F power amplifier (PA) structure, using a commercial GaN-HEMT, that achieves dual-band configuration not only at the fundamental frequency but also at the harmonics. With a proper harmonic tuning structure, the need for an extra filtering section is eliminated, resulting in a high dual-band efficiency with a reduced number of components and size. The reconfigurable structure uses commercial singlepole-double-throw (SPDT) and single-pole-single-throw (SPST) MEMS switches optimally placed on the stubs to select between 900 and 1800 MHz. The reconfigurable PA achieves a measured power-added efficiency (PAE) of 69.5% and a power gain of 13.6 dB while delivering an output power of 39.1 dBm at 900 MHz. At 1800 MHz, the amplifier achieves a PAE of 57.9%, a power gain of 10.5 dB, and an output power of 38.5 dBm.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Highly efficient class-F RF power amplifiers with very low distortion

This paper presents a novel class-F power amplifiers for mobile applications in which the need for an extra filtering section is eliminated with a proper harmonic tuning structure. Two class-F power amplifiers are presented (900 MHz and 1800MHz bands). The 900 MHz amplifier is able to deliver 38.6 dBm with a PAE of 80.5 % and a total harmonic distortion of 1.2 %. The 1800 MHZ delivers 38.8 dBm and has a PAE of 75%Peer ReviewedPostprint (published version