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1/38GDR Ondes – 22/11/07
Les Amplificateurs de Puissance Radiofréquences et Micro-ondes : Applications dans le Cadre des Projets Européens
MOBILIS et UpperMOS et du Projet RNRT VeLo.
Laurent Leyssenne1, Eric Kerhervé1, Yann Deval1, Nejdat Demirel1, Sofiane Aloui1, Nathalie Deltimple1, Didier Belot2, Hilal Ezzedine3
1 IMS-CNRS, Bordeaux.2 ST Microelectronics, Crolles.3 ST Microelectronics, Tours.
2/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
3/38GDR Ondes – 22/11/07
Introduction
• L’IMS est impliqués dans différents projets nationaux et européens sur la conception de PA:– Applications RF : DCS/WCDMA, WiFi/WiMAX– Applications Radar 80GHz– Application WPAN 60GHz
4/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
5/38GDR Ondes – 22/11/07
Caractéristiques des frontaux RF TX 2G/3G/4G (a)
Source: Intel
6/38GDR Ondes – 22/11/07
Caractéristiques frontaux RF TX (b)
/ 812.5Kbps
Source: Intel
7/38GDR Ondes – 22/11/07
Problématique liée aux amplificateurs de puissance RF
• Standards 3G/4G – Modulations QPSK/QAM à enveloppe non constante– “Peak to Average Ratio” élevé
~3dB (EDGE), ~6dB (WCDMA), ~12dB (WiMAX).– Range de puissance RMS TX= fonction des conditions de
trafic.~30dB (GSM) 70dB (WCDMA).
• Largeur de canal de transmission élevé 20MHz (WiMAX)• Les facteurs clefs de performance sont:
– La linéarité (erreur de phase, ACLR, EVM)– Le rendement (durée de vie des batteries)
• Besoin d’architectures pour gérer le compromis rendement/linéarité.
8/38GDR Ondes – 22/11/07
Architectures de gestion du rendement dans les frontaux TX
• LINC (requiert des éléments passifs sensibles et difficiles à intégrer)• Envelope Elimination & Restoration (EER) associé à un PA de
classe non linéaire et à une boucle polaire de la phase du signal d’entrée.– S’applique essentiellement aux PPA.– Requiert un convertisseur AC/AC au niveau du drain/collecteur à
fort rendement (externe).• Un PA de classe non linéaire piloté par un canal RF modulé
delta/sigma– Consommation élevé des étages en amont du PA car large
bande.– Difficultés de respecter l’immunité au bruit pour les larges range
de puissance RMS.
9/38GDR Ondes – 22/11/07
Les architectures choisies en fonction de la reconfiguration souhaitée
• Fondamentalement basée sur l’injection d’enveloppe (au niveau de la grille/base du transistors de puissance).
• Plusieurs méthodes d’injection étudiée.
• Peut s’apparenter à un effet mémoire et peut entrainer une distorsion d’enveloppe.
• Saut de range de puissance par le “bypass” de l’étage de puissance ( pour des raisons de rendement/bruit)
10/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
11/38GDR Ondes – 22/11/07
Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF (a)
• HBTs performants en gain et en densité de courant.• Mais auto-échauffement sensible flyback, ou effondrement de
courant IC (multi-fingers), hystérésis (quand RF et BB sont combinés)
Source: Garlapati & Prasad
12/38GDR Ondes – 22/11/07
Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF (b)
• LDMOS plus stables thermiquement et présentent une résistance thermique plus faibles que HBT.
• Plus robustes vis-à-vis du VSWR de sortie (isolateur non nécessaire).• Impédance d’entrée peu dépendante du point de polarisation adapté pour les applications
de reconfiguration de PA.
• Faible capacité Cgd.
• Mais sensibles aux ESD
0,00E+00
5,00E+09
1,00E+10
1,50E+10
2,00E+10
2,50E+10
3,00E+10
3,50E+10
0,5 0,7222 0,9444 1,167 1,389 1,611 1,833 2,056 2,278 2,5
Vgg (V)
Tra
nsi
tio
n F
req
uen
cy (
Hz)
ft_HS_1G
ft_HS_2G
ft_LS_1Gft_LS_2G
0,00E+00
5,00E+09
1,00E+10
1,50E+10
2,00E+10
2,50E+10
3,00E+10
3,50E+10
0,5 0,7222 0,9444 1,167 1,389 1,611 1,833 2,056 2,278 2,5
Vgg (V)
Tra
nsi
tio
n F
req
uen
cy (
Hz)
ft_HS_1G
ft_HS_2G
ft_LS_1Gft_LS_2G
13/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
14/38GDR Ondes – 22/11/07
Projet MOBILIS: frontal TX WCDMA/EDGE/DCS
• Classe de fonctionnement de l’étage de puissance?• Contraintes de linéarité (ACLR=-33dBc) pour le WCDMA.• Problème d’adaptation PA/duplexeur
15/38GDR Ondes – 22/11/07
Projet MOBILIS:
topologie de l’étage de puissance
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
8,91
E+08
9,77
E+08
1,07
E+09
1,18
E+09
1,29
E+09
1,41
E+09
1,55
E+09
1,70
E+09
1,86
E+09
2,04
E+09
2,24
E+09
2,46
E+09
2,69
E+09
2,95
E+09
3,24
E+09
3,55
E+09
3,89
E+09
S21 (fixed Bias)
Frequence (Hz)
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
8,91
E+08
9,77
E+08
1,07
E+09
1,18
E+09
1,29
E+09
1,41
E+09
1,55
E+09
1,70
E+09
1,86
E+09
2,04
E+09
2,24
E+09
2,46
E+09
2,69
E+09
2,95
E+09
3,24
E+09
3,55
E+09
3,89
E+09
S21 (fixed Bias)
Frequence (Hz)
16/38GDR Ondes – 22/11/07
Projet MOBILIS: Technique d’assemblage silicium(ST BiCMOS7RF)/passif(ST IPAD)
17/38GDR Ondes – 22/11/07
Illustration en mode temporel du pistage d’enveloppe (boucle ouverte)
Pout_peak=1.4W
Pout_peak=1.06W
Pout_peak=0.56W
Pout_peak=0.125W
Pout_peak=0.03W
Pout_peak=0.007W
0 50 100 150 200 250 300
time (ns)
Po
wer
sta
ge
I DD (
A)
0.25
0.5
0.75
1
1.25
1.5
Quiescent IDD
(No RF signal)
IDD self-reconfiguration
• Pour un signal RF à deux tons (1.95G, 1.955G), le courant IDD tiré par l’étage de puissance sur
l’alimentation est un signal de mode commun qui évolue avec l’enveloppe RF.
18/38GDR Ondes – 22/11/07
OUT_RMS
DC0
PAE
2T_RF
DC
IN_RMSOUT_RMS
P2P
1
1
G
11
2
1
P
PPPAE
max
OUT_RMS
DC0
PAE
2T_RF
DC
IN_RMSOUT_RMS
P2P
1
1
G
11
2
1
P
PPPAE
max
Illustration de l’effet du pistage d’enveloppe sur le rendement:
• Amélioration sensible du rendement à basse puissance de sortie (CW).
• L’impact du back-off lié au PAPR sur la PAE moyenne est limité.
19/38GDR Ondes – 22/11/07
Illustration de l’effet du pistage d’enveloppe sur la linéarité:
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-10 -6 -2 2 6 10
26dBm
40dBm
funda_mag @1.95GHz (dB)fundb_mag @1.955GHz (dB)im3a_mag @1.96GHz (dB)im3b_mag @1.945GHz (dB)
POUT (dBm)
PIN (dBm)
Fundamental tones
Third order intermodulation products
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-10 -6 -2 2 6 10
26dBm
40dBm
funda_mag @1.95GHz (dB)fundb_mag @1.955GHz (dB)im3a_mag @1.96GHz (dB)im3b_mag @1.945GHz (dB)
POUT (dBm)
PIN (dBm)
Fundamental tones
Third order intermodulation products
20/38GDR Ondes – 22/11/07
Exemple d’injection d’enveloppe en boucle « fermée »
• Détection de gm2
• Les termes de 3e ordre se combinent constructivement à faible puissance puisque:
• Néanmoins, on constate une amélioration de la linéarité et du rendement à forte puissance.
m3_POWm1_DUMm2 ggg 2
21/38GDR Ondes – 22/11/07
Technologie IPAD sur substrat verre pour l’adaptation de sortie (ST Tours)
22/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
23/38GDR Ondes – 22/11/07
Architecture dédiée au WiFi/WiMAX: projet Uppermost
24/38GDR Ondes – 22/11/07
Uppermost: effet de la reconfiguration dans le domaine spectral
1n
1jj1n21nmax
1n
1jj1n21nminBB
1n
1jj1n21n
ordre3delinéariténondesurcroit
2121321213max212121
ordre2delinéariténondesurcroit
112112max1111
fνf,f,,f,fGfνf,f,,f,fGνFfνf,f,,f,fεavec
...ffνf,f,fεffνf,f,fGffνfXfXfXdνdfdf3!
1
fνf,fεfνf,fGfνfXfXdνdf2!
1fXfGfY
nd
nd
25/38GDR Ondes – 22/11/07
• Une amélioration sensible de la PAE sans dégradation du OCP1
Uppermost: effet de la reconfiguration en boucle fermée sur la PAE et le gain en puissance
27/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
28/38GDR Ondes – 22/11/07
Projet VeLo: PA/Antenne à 77-81GHz- Optimisation conjointe entre le PA et l’antenne pour faire en sorte que la charge présentée par l’antenne soit compatible avec l’impédance optimale en sortie du PA.
- Solution de beam-forming : 4 éléments rayonnants, donc 4 PA. Construction du diagramme de rayonnement en fonction du déphasage au niveau des antennes, chaque PA pouvant délivrer
plus ou moins de puissance dans une direction donnée (déphasages différents).
- Possibilité de coupler ou d’additionner des puissances entre-elles, ce qui dans le cas des 4 PAs en parallèle permet de gagner 6 dB supplémentaires.
Beam-Forming
Bande de fréquence 77-81 GHz
Pout max 21 dBm
Gain 20 dB
PAE 13 %
29/38GDR Ondes – 22/11/07
Spécifications systèmes radar UWB 79GHz
• Fréquences = 76-81 GHz
• Pout (puissance de sortie de l’amplificateur) = 21 dBm
• Gain de l’amplificateur de puissance = 20 dB
• PAE (Power Added Efficient) = 13 %
• Antenna gain = 30-35 dBi
• Portée maximale = 150-200 m
• Modulation UWB suggérée:- Pulse modulation- FHSS- BPSK- Pulsed FM/CW
Spécifications PA
Spécifications Emetteur
30/38GDR Ondes – 22/11/07
Réalisation d’un PA 24 GHz
- PA 24 GHz avec circuit de polarisation et circuits d’adaptations
- BiCMOS9: fT=160 GHz 0.13µm SiGe HBT
- Considérations prises pour modéliser le PA: Via, parasites d’extraction du transistor, capacités MIM, pads entrée/sortie et modèle du transistor (HICUM)
- les impédances en entrée et sortie du PA sont de 50Ω
IN
gnd
gnd
gnd gnd
gnd gnd
gnd
gnd
gnd
gnd
L0=0.3n
gnd
L1=0.3n
L2=0.23n
Q0
Q1
Q2 R0=4000 R1=200
C0=0.2p
C1=0.4p
C3=0.37p
C4=0.27p
R2=150
C5= 8p
Valim
gnd
gnd
C6= 8p
Vcc
gnd
gnd
OUT
Schéma du circuit émetteur communLayout du circuit émetteur commun
- UWB 24 GHz: courte portée- UWB 79 GHz: courte et longue portées
31/38GDR Ondes – 22/11/07
Résultats de simulation (Post Layout) du PA 24 GHz
- Le gain est de 7.8dB et OCP1 est de 15.89dBm. - Le PAE @ CP1 est de 23.3% avec un max de 25.9% @ Psat = 18.0dBm.
Simulation des paramètres SSimulations de la puissance de sortie, du gain en puissance et du PAE à 24 GHz.
32/38GDR Ondes – 22/11/07
Plan
• Introduction:• Généralités sur les standards Radio et les
architectures TX.• Caractéristiques des procédés silicium• Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA• Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX• Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz• Application WPAN 60GHz
33/38GDR Ondes – 22/11/07
*Les réseaux (WxAN) ont des débits faibles(Mbits/s).
*Les technologies CMOS « faible coût » actuelles permettent de monter en Fréquence
*La bande ISM est sans licence à 60 GHz +absorption de 11dB/Km d’énergie
*WPAN - Marché visant le grand public et professionnel *Informatique: Échanges de gros fichiers *Électronique grand public
*Prouver la faisabilité d’un SOC pour des très hauts débits (1.5Gb/s) en CMOS
*Satisfaire les contraintes économiques des marchés grands publics
Motivations
Applications
Objectifs
PA/Antenne WPAN à 60GHz
34/38GDR Ondes – 22/11/07
Etude bibliographique Conception de PA
Comportement du CMOS en HF
Technologie CMOS 65nm
Eléments passifs en HF
Conception Du PA Définition des spécifications du PA : « Pout, Gain, PAE, CP1, IP3, input/output matchings, consommation»
Optimiser le transistor « Nb doigts, cellules en parallèle, longueurs »
Conception du « PA+circuit d’adaptation »
Réalisation/Mesures
Co-design PA-AntenneApproche SiP avec 3 circuits indépendants (PA, réseau d’adaptation de sortie, et antenne)
Approche mixte SiP/SoC
Approche SoC avec l’intégration complète sur une même puce des trois blocs de base
Réalisation des puces et Mesures
Techno 65nm
Fr. [GHz] 60
3-dB BW[GHz]
53-63
S21[dB] 9
S11[dB] -24
S22[dB] -14
S12[dB] -28
Pout max. 10dBm
Alimentation 72mA@0.8V
Perspectives
35/38GDR Ondes – 22/11/07
Merci de votre attention
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