Etude et intégration en SOI d’amplificateurs de puissance reconfigurables pour applications multi-modes multi-bandes

High efficiency reconfigurable RF power amplifiers in SOI CMOS technology for multi standard applications

• Auteur / Autrice : Gauthier Tant
• Direction : Jean-Michel Fournier, Jean-Daniel Arnould, Alexandre Giry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 19/11/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Tuami Lasri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Fournier, Jean-Daniel Arnould, Alexandre Giry
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Parra, Thierry Taris

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Radiofréquences

Amplificateurs de puissance

Mots clés libres

Amplificateur de puissance (PA)

PA multimode multibande (MMPA)

PA reconfigurable

SOI CMOS

LDMOS

Power amplifiers (PA)

Multi-mode multi-bande PA (MMPA)

Reconfigurable PA

SOI CMOS

LDMOS

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude et l'intégration en technologie SOI CMOS d'un circuit amplificateur de puissance multimode multibande (MMPA) reconfigurable capable d'adresser les modes 2G/3G/4G sur plusieurs bandes de fréquences. Les modules MMPA actuels (modules hybrides) reposent sur l'utilisation de plusieurs technologies, en particulier la technologie GaAs en ce qui concerne les chaines d'amplification, et représentent une part importante du coût et de l'encombrement d'une tête d'émission radiofréquences. La solution originale proposée dans cette thèse représente une avancée significative en termes d'intégration par rapport à l'état de l'art et les premiers résultats mesurés démontrent la pertinence de l'architecture proposée. Une étude sur l'optimisation du rendement énergétique au niveau de l'étage de puissance en présence de signaux modulés en amplitude et phase de type 3G et 4G est également proposée. Cette étude adresse les potentialités des techniques de modulation de la charge et de l'alimentation et permet de comparer les deux approches.Après une présentation du contexte et de l'état de l'art, une méthodologie de conception originale reposant sur l'étude de différentes classes de fonctionnement est proposée. Cette méthodologie permet en particulier de pré-dimensionner les cellules de puissance reconfigurables ainsi que leurs impédances de source et de charge en fonction des contraintes de puissance et de linéarité dans les différents modes pour avoir le meilleur rendement. Elle permet aussi de choisir les topologies de réseaux d'adaptation accordables pertinentes.Ces études ont conduit à la réalisation de deux démonstrateurs intégrés en technologies SOI CMOS 130 nm. Le premier prototype est un amplificateur multimode et multibande reconfigurable à deux étages capable de fonctionner en mode saturé et en mode linéaire pour des bandes de fréquence situées entre 700MHz et 900MHz. L'architecture proposée est composée d'un étage de puissance reconfigurable constitué de deux cellules de puissance de type LDMOS pouvant être activées ou non en fonction du mode adressé. Différents réseaux d'adaptation accordables à base de capacités commutées utilisant des transistors NMOS à body flottant permettent une optimisation des performances du MMPA en fonction du mode et de la bande de fréquence. Avec ce prototype, des puissances de sortie de 35dBm en mode saturé et 30dBm en mode linéaire ont été mesurées avec des rendements correspondants supérieurs respectivement à 58% et 47%. Par rapport aux simulations initiales, des différences ont été observées puis analysées afin d'en identifier l'origine. Notamment, la surestimation du facteur de qualité des capacités MOM dans les réseaux de capacités commutées et des interconnections sous optimales sont la cause des écarts observés.Le deuxième prototype est un amplificateur de puissance à modulation de charge passive intégrée. Cet amplificateur repose sur une cellule de puissance de type LDMOS associée à un réseau d'adaptation accordable à base de capacités commutées capables de supporter une puissance supérieure à 33dBm. Ce réseau permet de présenter à l'étage de puissance une trajectoire de charge optimale en fonction de la puissance de sortie. Avec ce prototype, une amélioration du rendement supérieure à 55% par rapport à la configuration utilisant une charge constante a été mesurée pour un recul en puissance compris entre 7dB et 11dB.

This work focuses on the study and integration of a reconfigurable multi-mode multi-band power amplifier (MMPA) supporting 2G/3G/4G at several frequency bands in SOI CMOS 130nm technology. Current hybrid MMPA modules take advantage of multiple technologies, in particular GaAs for power devices. This adds to the cost and complexity of radiofrequency front-end modules. The original solution presented in this thesis is a significant step toward the integration of MMPA compared to the state of the art and initial results illustrates the relevance of the proposed architecture. A study on PA efficiency under 3G / 4G modulated signals is also presented by comparing load and supply modulation PA architectures.First, the context and state of the art are presented. A design methodology based on the study of different operating classes is then presented, which allows pre-sizing of power cells and optimal load impedance determination for high efficiency reconfigurable PA design.The proposed PA design methodology led to the implementation of PA demonstrators integrated in SOI CMOS 130nm technology. The first demonstrator is a two stage reconfigurable MMPA operating from 700MHz to 900MHz and supporting saturated and linear modes. The power stage comprises two SOI LDMOS power cells that are activated according to the desired mode. Tunable matching networks based on switched capacitor arrays allow optimization of the MMPA performance according to the mode and band. The measured prototype delivers up to 35dBm of output power in saturated mode with more than 58% efficiency. In linear mode, the measured output power exceeds 30dBm with efficiency higher than 47%. Compared to initial simulations, some differences were observed. In particular, underestimation of losses associated with MOM capacitors and sub-optimal interconnections are the root cause of the observed discrepancies.The second demonstrator is a passive load modulation PA architecture. It includes a SOI LDMOS power cell and a tunable matching network made of high power binary weighted switched capacitor arrays. The tunable matching network allows presenting an optimal load trajectory to the PA in order to maximize its back-off efficiency. Measured efficiency enhancement is higher than 55% compared to a fixed load configuration for 7dB to 11dB power back-offs.