CMOS Class E power amplifiers for wireless communications

Abstract

İletişimin insanlığın uygarlaşmasında önemli bir işlevi vardır. Son zamanlarda kablosuz iletişime olan ihtiyacın önemli ölçüde artması düşük maliyetli, düşük güçlü ve yüksek oranlarda etkin RF alıcılarının elde edilmesi için tetikleyici faktör olmuştur. Son zamanlarda, entegre devre RF alıcıları dizaynı çalışmaları, pek çok analog fonksiyonel bloğu tek bir silikon CMOS cipinde yer alacak şekilde daha yüksek seviyede entegrasyon gerçekleştirmek üzere yoğunlaşmıştır. Güç kuvvetlendiricileri (PA), RF alıcıları içerisinde en fazla güç sarfiyatının olduğu bölümdür ve düşük maliyetli CMOS teknolojisi ile henüz tam olarak entegre edilememiş fonksiyon bloklarından biridir. Güç kuvvetlendiricileri, iletim yolundaki son fonksiyonel blok olup; iletilen sinyali istenen iletim güç seviyesine getirmek işlevini görür. Genel olarak, güç kuvvetlendiricilerinin CMOS teknolojisi ile entegre edilmesi kuvvetlendiricinin etkinliliğini kısıtlamasından dolayı zordur. Bu çalışma, kablosuz iletişimdeki CMOS teknolojileri için tasarlanmış olan RF E-sınıfı güç kuvvetlendiricilerinin teorik analizini ve devre tekniklerini ele almaktadır. Teorik çalışma, şönt kapasitesi olarak parazitik savak kapasitesini kullanan RF E-sınıfı güç kuvvetlendiricileri tasarımı için bir sayısal metodu içermektedir. Yeni yaklaşım, kapasitelerin fiziksel özelliklerini baz almaktadır, bu yüzden herhangi bir kapasitans modeli ile sınırlanmamıştır. Lineer olmayan şönt kapasitesi ve sonlu DC -besleme endüktansmı kullanan RF E-sınıfı güç kuvvetlendiricileri için ana frekansta ve ikinci harmonikte basit empedans uydurma önerilmektedir.

Communication is an important drive of human civilization. Recently, the demand for wireless communication has been increasing rapidly. Such demand encourages the pursuit of low cost, low power and highly efficient radio frequency (RF) transceivers. Recent efforts in the design of integrated circuits for RF communication transceivers have focused on achieving higher levels of integration by including more and more analog functional blocks onto a single silicon CMOS chip. The power amplifier is the most power-consuming part in RF transceivers and it is one of the RF functional blocks that has not yet been successfully integrated in a low-cost CMOS technology. The PA is the final functional block in the transmit path; its function is to amplify the signal to be transmitted to the required transmit power level. In general, PAs are difficult to integrate in CMOS because of technology limitations that severely limit the efficiency of the PA. This thesis describes theoretical analysis and circuit techniques for the design of RF Class E power amplifiers for wireless communications in CMOS technologies. The theoretical work in this thesis is developed into a numerical method for designing RF Class E power amplifiers with parasitic drain capacitance of a MOS transistor. The new theory is based on physical properties of capacitors and thus not restricted to any capacitance model. Simple load matching at the fundamental frequency and the second harmonic is suggested for Class E power amplifiers with both non-linear shunt capacitance and finite DC-feed inductance.