GDR Ondes – 22/11/07 1/38 Les Amplificateurs de Puissance Radiofréquences et Micro-ondes : Applications dans le Cadre des Projets Européens MOBILIS et

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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.

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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

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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

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Plan



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Caractéristiques des frontaux RF TX 2G/3G/4G (a)

Source: Intel

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Caractéristiques frontaux RF TX (b)

/ 812.5Kbps

Source: Intel

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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.

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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.

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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)

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Plan



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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

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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

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Plan



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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

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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)

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Projet MOBILIS: Technique d’assemblage silicium(ST BiCMOS7RF)/passif(ST IPAD)

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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.

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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.

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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

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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

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Technologie IPAD sur substrat verre pour l’adaptation de sortie (ST Tours)

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Plan



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Architecture dédiée au WiFi/WiMAX: projet Uppermost

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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

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• 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

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Plan



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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 %

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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

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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

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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.

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Plan



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*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

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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 [email protected]

Perspectives

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Merci de votre attention

Documents

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