Ka-band power amplifier concepts in 22 nm CMOS FDSOI
Rusanen, Jere (2024-10-17)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202409095753
Kuvaus
Tiivistelmä
The fifth-generation (5G) mobile communications introduced millimeter-wave (mmWave) frequency bands for faster data transmission. With the sixth-generation (6G) already under development, the need for efficient and linear power amplifiers (PAs) in these frequency ranges becomes critical. However, the characteristics of spectrally efficient telecommunications signals, such as high peak-to-average power ratio (PAPR) and strict linearity requirements, present challenges that demand innovative PA designs. Traditional approaches, like relying on digital predistortion (DPD) for linearizing efficient but nonlinear PAs, face limitations in addressing the wide bandwidth and large number of parallel PAs in mmWave phased arrays.
This thesis explores various complementary metal oxide semiconductor (CMOS) PA concepts at the lower Ka-band 26–28 GHz. It discusses transistor stacking and examines the back-gate biasing feature of the 22 nm CMOS fully depleted silicon on insulator (FDSOI) process for improved linearity and efficiency. Experimental results and linearity analysis with a three-stacked PA demonstrate that positive back-biasing improved linearity by reducing odd-order nonlinearity coefficients. Next, circuit-level techniques for linearity improvement and efficiency enhancement are explored. It is shown that dual-input PA can improve linearity by compensating amplitude to phase modulation (AM-PM) distortion with load modulation. An integrated quadrature balanced PA operating at 26 GHz is presented, along with techniques to mitigate frequency-dependent amplitude response of the quadrature hybrid. Compensating for the quadrature hybrid’s frequency response through asymmetric biasing improves the linearity of the balanced amplifier. An integrated PA following the orthogonal load-modulated balanced amplifier (OLMBA) topology is also introduced. The OLMBA achieves good average output power around 12 dBm and better efficiency with slightly decreased linearity compared to the reference balanced amplifier, showcasing its potential for 5G mmWave applications.
Through examination of PA concepts, this thesis contributes to advancing CMOS PA designs for mmWave communications and lays groundwork for future research aimed at achieving higher integration levels and improved performance in next-generation wireless transmitters.
Viidennen sukupolven (5G) mobiiliviestintäverkoissa otettiin käyttöön kapasiteetin lisäämiseksi millimetritaajuusalue, ja kuudennen sukupolven (6G) vieläkin korkeamman taajuuden järjestelmät ovat jo suunnitteilla. Lähettimet tarvitsevat energiatehokkaita tehovahvistimia (power amplifier, PA), mutta suurten datanopeuksien spektritehokkaat signaalit asettavat tiukat lineaarisuusvaatimukset. Perinteisesti ongelma on ratkaistu käyttämällä energiatehokkaita mutta epälineaarisia tehovahvistimia ja lineaarisoimalla ne digitaalisella esisärötyksellä. Korkeilla taajuuksilla käytetään usein vaiheistettua antenniryhmää kantaman lisäämiseksi, mikä tekee digitaalisesta esisärötyksestä todella haastavaa, koska vaiheistettu antenniryhmä sisältää suuren määrän rinnakkaisia tehovahvistimia ja kaistanleveys on suuri. Tarvitaan siis innovatiivisia PA-arkkitehtuureja, jotka toimivat lineaarisesti ilman digitaalista esisärötystä.
Tässä väitöskirjassa käsitellään PA-konsepteja, joille kaikille on yhteistä se, että ne toimivat samalla taajuusalueella (noin 26–28 GHz) ja ne on valmistettu 22 nm CMOS (complementary metal oxide semiconductor) FDSOI (fully depleted silicon on insulator) -teknologialla. Väitöskirjassa käsitellään integroiduissa CMOS-tehovahvistimissa yleistä transistorien pinoamistekniikkaa ja substraattibiaksen vaikutusta lineaarisuuteen. Mittaukset ja analyysi osoittivat, että PA:n toimintapisteen muodostaminen substraattibiasta käyttämällä paransi lineaarisuutta, koska parittomat epälineaarisuuskertoimet pienenivät. Väitöskirja käsittelee myös piiritason konsepteja, kuten kuormamodulaatiota. Testipiirillä demonstroidaan, että kaksituloista PA-arkkitehtuuria käyttämällä voidaan kuormamodulaation avulla kompensoida vaihevääristymistä. Työssä esitellään tekniikoita, joilla voidaan parantaa integroidun balansoidun vahvistimen toimintaa kompensoimalla kvadratuurikytkimen taajuusriippuvainen amplitudivaste. Testeissä ja analyyseissä nähdään, että kompensoimalla kvadratuurikytkimen vaste käyttämällä balansoidulle vahvistinparille epäsymmetristä biasta voidaan parantaa myös lineaarisuutta. Viimeiseksi väitöskirja esittelee integroidun OLMBA-tehovahvistimen (orthogonal load-modulated balanced amplifier). OLMBA saavuttaa hyvän, noin 12 dBm keskimääräisen lähtötehon. OLMBA:ta verrataan myös balansoituun vahvistimeen ja nähdään, että OLMBA saavuttaa paremman energiatehokkuuden, mutta on hieman epälineaarisempi. Tämä työ edistää CMOS-tehovahvistimien kehitystä tutkimalla näitä eri PA-konsepteja ja auttaa kehittämään parempia seuraavan sukupolven lähettimiä.
Original papers
-
Rusanen, J., Hietanen, M., Sethi, A., Rahkonen, T., Pärssinen, A., & Aikio, J. P. (2019). Ka-band stacked power amplifier on 22 nm CMOS FDSOI technology utilizing back-gate bias for linearity improvement. 2019 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS): NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC), 1–4. https://doi.org/10.1109/NORCHIP.2019.8906915 https://doi.org/10.1109/NORCHIP.2019.8906915
-
Hietanen, M., Rusanen, J., Aikio, J. P., Tervo, N., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2021). Ka-band time-domain multiplexing front-end with minimum switch area utilization on 22 nm fully depleted silicon-on-insulator CMOS technology. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 13(7), 641–651. https://doi.org/10.1017/S1759078721000428 https://doi.org/10.1017/S1759078721000428
-
Rusanen, J., Tervo, N., Rahkonen, T., Pärssinen, A., & Aikio, J. P. (2021). Ka-band dual input stacked 22 nm CMOS FDSOI power amplifier with transformer-based power combiner. 2020 15th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 145–148. https://ieeexplore.ieee.org/document/9337420
-
Rusanen, J., Shabanzadeh, N., Pärssinen, A., Rahkonen, T., & Aikio, J. P. (2023). Compensating quadrature hybrid mismatch effects in integrated balanced power amplifier. 2023 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NorCAS), 1–5. https://doi.org/10.1109/NorCAS58970.2023.10305456 https://doi.org/10.1109/NorCAS58970.2023.10305456
-
Rusanen, J., Shabanzadeh, N., Pärssinen, A., Rahkonen, T., & Aikio, J. P. (2024). Improving a Ka-band integrated balanced power amplifier performance by compensating quadrature Hybrid mismatch effects. Manuscript on preparation.
-
Rusanen, J., Sethi, A., Tervo, N., Rahkonen, T., Parssinen, A., Kiuru, V., & Aikio, J. P. (2022). Ka-band orthogonal load-modulated balanced amplifier in 22 nm CMOS FDSOI. 2022 17th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 161–164. https://doi.org/10.23919/EuMIC54520.2022.9923540 https://doi.org/10.23919/EuMIC54520.2022.9923540
-
Rusanen, J., Sethi, A., Tervo, N., Kiuru, V., Rahkonen, T., Pärssinen, A., & Aikio, J. P. (2023). Ka-band stacked and pseudo-differential orthogonal load-modulated balanced power amplifier in 22 nm CMOS FDSOI. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. Advance online publication. https://doi.org/10.1017/S1759078723001137 https://doi.org/10.1017/S1759078723001137
Osajulkaisut
-
Rusanen, J., Hietanen, M., Sethi, A., Rahkonen, T., Pärssinen, A., & Aikio, J. P. (2019). Ka-band stacked power amplifier on 22 nm CMOS FDSOI technology utilizing back-gate bias for linearity improvement. 2019 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NORCAS): NORCHIP and International Symposium of System-on-Chip (SoC), 1–4. https://doi.org/10.1109/NORCHIP.2019.8906915 https://doi.org/10.1109/NORCHIP.2019.8906915
-
Hietanen, M., Rusanen, J., Aikio, J. P., Tervo, N., Rahkonen, T., & Pärssinen, A. (2021). Ka-band time-domain multiplexing front-end with minimum switch area utilization on 22 nm fully depleted silicon-on-insulator CMOS technology. International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 13(7), 641–651. https://doi.org/10.1017/S1759078721000428 https://doi.org/10.1017/S1759078721000428
-
Rusanen, J., Tervo, N., Rahkonen, T., Pärssinen, A., & Aikio, J. P. (2021). Ka-band dual input stacked 22 nm CMOS FDSOI power amplifier with transformer-based power combiner. 2020 15th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 145–148. https://ieeexplore.ieee.org/document/9337420
-
Rusanen, J., Shabanzadeh, N., Pärssinen, A., Rahkonen, T., & Aikio, J. P. (2023). Compensating quadrature hybrid mismatch effects in integrated balanced power amplifier. 2023 IEEE Nordic Circuits and Systems Conference (NorCAS), 1–5. https://doi.org/10.1109/NorCAS58970.2023.10305456 https://doi.org/10.1109/NorCAS58970.2023.10305456
-
Rusanen, J., Shabanzadeh, N., Pärssinen, A., Rahkonen, T., & Aikio, J. P. (2024). Improving a Ka-band integrated balanced power amplifier performance by compensating quadrature Hybrid mismatch effects. Manuscript on preparation.
-
Rusanen, J., Sethi, A., Tervo, N., Rahkonen, T., Parssinen, A., Kiuru, V., & Aikio, J. P. (2022). Ka-band orthogonal load-modulated balanced amplifier in 22 nm CMOS FDSOI. 2022 17th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 161–164. https://doi.org/10.23919/EuMIC54520.2022.9923540 https://doi.org/10.23919/EuMIC54520.2022.9923540
-
Rusanen, J., Sethi, A., Tervo, N., Kiuru, V., Rahkonen, T., Pärssinen, A., & Aikio, J. P. (2023). Ka-band stacked and pseudo-differential orthogonal load-modulated balanced power amplifier in 22 nm CMOS FDSOI. International Journal of Microwave and Wireless Technologies. Advance online publication. https://doi.org/10.1017/S1759078723001137 https://doi.org/10.1017/S1759078723001137
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38320]