Design and Optimization of a Switched-Capacitor RF Power Amplifier in a 130nm CMOS Technology

Abstract

This dissertation presents the design and simulation of a Switched-Capacitor Power Amplifier (SCPA) implemented in a 130nm Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) node. It was designed to operate at 2.1 𝐺𝐻𝑧 and to be compliant with the technical specifications of Long Term Evolution Machine Type Communication (LTE-M). The SCPA is a promising type of Power Amplifier (PA) that has seen a rise in popularity in recent years for its good linearity and energy efficiency, especially while operating at output power levels lower than the peak output power (commonly known as output Power Back- Off (PBO)). This is extremely relevant for modern-day wireless communication systems that employ signal modulation schemes with high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR). These pressure the PA’s operation to be most efficient at the infrequent peak output power level, while it operates at a significantly lower average output power level with reduced efficiency. The SCPA also completely shifts the design paradigm of the transmitter architecture since it aggregates most of its component’s functions into a single circuit. This effectively pushes the digital and analog frontier closer to the antenna, facilitating the full integration of the transmitter into a single CMOS radio chip. With a 6-bit polar architecture, a 2.4 𝑉 supply voltage, and an integrated matching network, this SCPA was able to reach a peak output power of 20.56 𝑑𝐵𝑚, a peak Drain Efficiency (DE) of 41.12%, and a peak System Efficiency (SE) of 21.98%. At a -6dB PBO from the peak output power, a DE of 20.64% and a SE of 11.2% were reached.

A presente dissertação demonstra o design e a simulação de um amplificador de potência com condensadores comutados, implementado em tecnologia CMOS de 130 nm. Este foi dimensionado para operar a uma frequência de 2.1 𝐺𝐻𝑧 e para cumprir as especificações técnicas necessárias para ser usado em comunicações com LTE-M. O amplificador de potência com condensadores comutados tem ganho popularidade nos últimos anos devido à sua boa linearidade e eficiência energética, principalmente quando operado em níveis de potência mais baixos do que o máximo atingível (também conhecido como PBO). Isto é extremamente relevante para os sistemas de comunicações sem fios modernos, que usam modelações de sinal com rácios entre a potência máxima e potência média bastante elevados. Estes pressionam o funcionamento dos amplificadores de potência a ser o mais eficiente possível para as potências máximas que são menos recorrentes, enquanto que estes operam a uma potência média mais baixa com menos eficiência. O amplificador de potência com condensadores comutados também muda totalmente o paradigma de design da arquitetura de um transmissor, uma vez que este incorpora a maioria das suas funcionalidades num único circuito. A fronteira entre o domínio digital e analógico passa a estar efetivamente mais perto da antena, facilitando a total integração do transmissor num único chip de rádio em tecnologia CMOS. Com uma arquitetura polar de 6-bits, tensão de alimentação de 2.4 𝑉, e malha de adaptação totalmente integrada, o presente trabalho foi capaz de atingir uma potência máxima de 20.56 𝑑𝐵𝑚, 41.12% de eficiência de dreno máxima, e 21.98% de eficiência de sistema máxima. A um PBO 6dB abaixo da potência máxima, foi obtida uma eficiência de dreno de cerca de 20.64% e uma eficiência de sistema de 11.2%.