Amélioration des performances intrinsèques d'un amplificateur de puissance grâce à une méthode de linéarisation

Intrinsic performance improvement of a power amplifier using a linearization technique

• Auteur / Autrice : Jérôme Loraine
• Direction : Myriam Ariaudo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : STIC (Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication) - ED EM2PSI
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Économie, Management, Mathématiques, Physique et Sciences Informatiques (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipes Traitement de l'Information et Systèmes (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) - Equipes Traitement de l'Information et Systèmes / ETIS
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Myriam Ariaudo, Eric Bergeault, Nathalie Deltimple, Cédric Duperrier, Catherine Algani, Bruno Barelaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Bergeault, Nathalie Deltimple

Mots clés

Mots clés libres

Linéarisation

Amplificateur de puissance

Cmos

3g

Linearization

Power amplifier

Cmos

3g

Résumé

La demande toujours croissante de connectivité sans fil entraine le développement de nouvelles générations de normes de communication utilisant les dernières technologies en matière de télécommunication. Pour atteindre les débits annoncés, l'utilisation de signaux de plus en plus complexes est nécessaire afin d'occuper le plus efficacement le spectre radio restreint. Cela implique notamment des contraintes de plus en plus strictes sur les emetteurs radio afin d'assurer l'intégrité des informations tranmises et une bonne qualité de service. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif l'amélioration des performances énergétiques et spectrales d'un amplificateur de puissance (PA) en technologie CMOS pour appareil mobile en utilisant une méthode de linéarisation. Le PA conçu dans cette thèse est basé sur la cellule MASMOS (cellule brevettée) et doit répondre à notre cahier des charges basé sur le standard 3G.L'étude des interconnexions flip-chip sur les performances de la cellule révèle que son impact doit être atténué. Pour cela, la topologie différentielle est retenue pour la conception du PA. Une structure différentielle de référence (n'incluant pas de méthode de linéarisation) est conçue et mesurée. Elle consiste en un étage de puissance terminé par un balun sur substrat stratifié synthétisant les impédances optimales de l'étage à la fréquence fondamentale et au second harmonique. Les résultats obtenus sont proches de l'état de l'art existant en PA CMOS pour la 3G sans utiliser de technique de linéarisation.Nous proposons ensuite deux méthodes de linéarisation circuit spécifiques aux structures différentielles. Nous retenons l'utilisation d'un filtre différentiel au second harmonique au sein de la cellule d'amplification. Un PA complet (étage driver + étage de puissance) est conçu. Nous proposons une méthode de conception pour le balun de sortie et du réseau d'adaptation inter-étage. Les résultats finals de simulation permettent de conclure que le PA proposé dépasse les objectifs du cahier des charges.

The increasing demande of wireless connectivity drives the development of the new genration standards using the leading edge technologies in terms of telecommunication. To meet announced data rates, the use of more and more complex signal is necessary to have the most efficient use of the finite radio spectrum. This involve more stringent constraints on the radio emitter to ensure information integrity and a good quality of service. In this context, this thesis aims to the energetic and spectral performance improvement of a CMOS Power Amplifier (PA) for handheld application through a linearization scheme. The PA designed in this thesis is based on the MASMOS (patented cell) and must meet our specifications.The flip-chip interconnection study shows that its impact must be mitigated. For that, we select the differential topology pour the PA design. A differential reference structure (withtout linearization scheme) are designed and measured. It consists in a power stage terminated by a balun integrated on a laminate substrate synthesizing optimal impedance at the fundamental and second harmonic frequencies. The obtained results are close to the state of the art for the CMOS PA for 3G without any linearization scheme.Then, we propose two circuit linearization scheme specific to differential structures. We have selected the use of a differential second harmonic filter within the amplifying cell. The full PA (driver stage + power stage) is then designed. We propose a design method for the output balun as well as the inter-stage matching network. The final simulation results allow us to conclude that the proposed PA exceed the specifications.