Design of Integrated Power Amplifiers in SiGe Technology for Mobile Terminal Applications ...

187 Pages·2006·7.01 MB·English

Design of Integrated Power Amplifiers in SiGe
Technology for Mobile Terminal Applications

Entwurf von integrierten Leistungsverstärkern in
SiGe-Technologie für Mobilfunkanwendungen

Der Technischen Fakultät der

Universität Erlangen-Nürnberg

zur Erlangung des akademischen Grades

DOKTOR-INGENIEUR

Verlegt von

Krzysztof Kitliński

Erlangen – 2006
Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-
Nürnberg

Tag der Einreichung: 24.04.2006
Tag der Promotion: 06.07.2006
Dekan: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Robert Weigel
Prof. Dr.-Ing. Werner Wiesbeck
Abstract

The thesis demonstrates the design of high frequency SiGe bipolar integrated power amplifi-
ers (PAs) for mobile communication terminals with the support of electromagnetic (EM)
simulation.
Three single-ended PA designs for mobile terminals operating up to 6GHz have been de-
signed, realized and measured. The realized amplifiers fulfill the assumed requirements in
terms of overall performance mainly due to the exact description of parasitics in passive net-
works. The EM simulation has been introduced in the design of integrated spiral inductors,
transistor feeding lines, power transistor surroundings and complete matching circuits.
Simultaneously the evaluation and adaptation of SiGe technology for the purposes of state of
the art PA applications is being presented.
The realized power amplifier designs include:

• An integrated linear dual band WLAN PA for the IEEE 802.11a/b/g specification.
• A three-staged linear UMTS PA intended for WCDMA application.
• A dual band GSM PA with 58% power added efficiency and 35.5dBm output power
in the 900MHz band.

Additionally, the EM simulation introduced in chip design contributed to the development of
new integrated matching structures. Practically applied for PAs, such arrangements result in
an overall performance improvement. In particular the newly realized structures include:

• A low-loss, high quality factor microstrip line in lossy silicon to improve linearity and
efficiency of a WLAN IEEE 802.11a PA.
• An integrated, modified microstrip line with defected groundplane structure to im-
prove a 5GHz WLAN PA in terms of broadband linearity response.
• Several transistor feed network realizations for a GSM PA by which the power transis-
tor’s robustness has been increased. With an optimized transistor feeding network, in a
2GHz WLAN PA, an increase of linearity and efficiency performance was observed.

I
Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf von integrierten Hochfrequenz-
Leistungsverstärkern (PAs) für Mobilfunkanwendungen unter Verwendung elektromagneti-
scher (EM) Simulationssoftware.
Es werden drei Leistungsverstärker für Mobilfunkanwendungen gezeigt. Die realisierten Ver-
stärker erfüllen die angenommenen Spezifikationen hauptsächlich aufgrund der exakten Be-
schreibung der parasitären Effekte in den passiven Netzwerken. Die EM-Simulation wird da-
bei beim Entwurf der integrierten Induktivitäten, der Transistorzuführungen, der Leistungs-
transistorumgebung und der kompletten Anpassungsschaltungen eingesetzt.
Zudem wird die Evaluierung und Anpassung der SiGe-Technologie an die Anforderungen
moderner PA-Anwendungen dargelegt.
Die drei Entwürfe umfassen folgende Zielanwendungen:

• Ein integrierter WLAN-Leistungsverstärker für die IEEE 802.11a/b/g-Spezifikation,
der damit zwei Frequenzbereiche, 2.45GHz und 5.25GHz abdeckt.
• Ein dreistufiger linearer UMTS-Leistungsverstärker für WCDMA-Anwendungen.
• Ein integrierter GSM-Dual-Band-Leistungsverstärker mit 58% Wirkungsgrad und
35.5dBm Ausgangsleistung im 900MHz-Band.

Des Weiteren ermöglichte der gezielte Einsatz von EM-Simulationen den Entwurf von neuen
integrierten Anpassstrukturen. In der praktischen Umsetzung ergab sich daraus eine Verbesse-
rung wesentlicher Verstärkereigenschaften. In Rahmen dieser Arbeit wurden folgende Struk-
turen realisiert:

• Eine dämpfungsarme Mikrostreifenleitung, realisiert in einem stark leitfähigen Silizi-
um-Substrat, die durch ihre hohe Güte zur Verbesserung der Linearität und des Wir-
kungsgrades eines WLAN-IEEE-802.11a-Leistungsverstärkers beiträgt.
• Eine integrierte Mikrostreifenleitung mit einer periodischen Massestruktur zur weite-
ren Verbesserung eines 5GHz-WLAN-Leistungsverstärkers in Hinblick auf die Band-
breite.
• Mehrere Transistor-Feeder für einen GSM-Leistungsverstärker, mit dem Ziel einer
homogenen Auslastung des Leistungstransistors. Mit einer optimierten Transistorver-
drahtung wurde eine Verbesserung der Effizienz und der Linearität eines 2GHz-
WLAN-PAs erreicht.

II
Table of content

1. Introduction 1
1.1. Motivation 1
1.2. Aim of work 4
1.3. Thesis outline 4
2. Power amplifier basics 9
2.1. PA characteristics 9
2.1.1. Transfer characteristics 9
2.1.2. Linearity 11
2.1.3. Noise in PAs 17
2.2. PA topologies 17
2.2.1. Single ended amplifier 17
2.2.2. Balanced amplifier 18
2.2.3. Push-pull amplifier 19
2.3. Operating classes 20
2.3.1. A, AB, B, C operating classes 20
2.3.2. D, E, F operating classes 21
2.4. Input and output transistor matching 22
2.5. Bipolar transistor basics 26
3. Infineon’s bipolar technology and transistor modeling 35
3.1. The original SiGe bipolar process; B7 HF 36
3.2. SiGe bipolar process for WLAN applications; B7 HF 70 38
3.3. SiGe bipolar process for GSM applications; B7 HF HV 40
3.4. Transistor modeling 43
3.4.1. SGP (SPICE Gummel Poon) models 43
3.4.2. HICUM models 44
3.5. Transistor model enhancement through EM simulation 46
3.6. Conclusions 48
4. Matching networks for PAs 49
4.1. Matching network principles 52
4.1.1. Lumped elements matching networks 53
4.1.2. Matching with distributed lines and stubs 56
4.1.3. Matching with lumped and distributed elements 56
4.1.4. Smith Chart for matching networks 57
4.1.5. Matching limitations 58
III
4.2. Realization of on-chip matching networks 60
4.2.1. Inductors 60
4.2.1.1.Losses in integrated inductors 66
4.2.1.2.Influence of inductor Q-factor on matching circuits 70
4.2.2. Capacitors 76
4.2.3. Transmission lines 78
4.2.4. Transistor feeders 83
4.2.4.1. Inductor and feeder optimization 88
4.2.5. Integrated periodic structures 91
4.2.5.1. Enhanced compact circuits with periodic structures 99
4.3. Conclusions 100
5. PA design methodology 101
5.1. CAD environment: circuit simulators and system simulators 102
5.2. CAD environment for EM simulation 104
5.3. State of the art design methodology 110
5.4. Proposed PA design methodology 117
5.5. Conclusions 126
6. SiGe PAs for mobile terminal applications 129
6.1. Dual band WLAN power amplifier 129
6.1.1. PA circuit design 130
6.1.2. Measurement results 133
6.2. UMTS power amplifier 138
6.2.1. Circuit description 138
6.2.2. Experimental results 140
6.3. GSM power amplifier 144
6.3.1. Circuit description 145
6.3.2. Experimental results 147
6.4. Conclusions 152
7. Conclusions and outlook 153
Appendix A: Designing matching networks for two frequencies by applying the 157
Chebyshev passband filter technique

Appendix B: Integrated inductor design flow 161

8. Bibliography 165

IV
Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1
1.1. Motivation 1
1.2. Ziel der Arbeit 4
1.3. Gliederung der Arbeit 4
2. Leistungsverstärkergrundlagen 9
2.1. Leistungsverstärkerkenngrößen 9
2.1.1. Transferkenngrößen 9
2.1.2. Linearität 11
2.1.3. Rauschen in Leistungsverstärkern 17
2.2. Leistungsverstärker-Topologien 17
2.2.1. Gleichtaktverstärker 17
2.2.2. Balancierter Verstärker 18
2.2.3. Gegentaktverstärker 19
2.3. Verstärkerklassen 20
2.3.1. A, AB, B, C 20
2.3.2. D, E, F 21
2.4. Ein- und Ausganganpassung von Transistoren 22
2.5. Grundlagen von Bipolartransistoren 26
3. Infineon’s Bipolar-Technologie und Transistormodellierung 35
3.1. Der originale SiGe-Bipolarprozess; B7 HF 36
3.2. SiGe Bipolarprozess für WLAN Anwendungen; B7 HF 70 38
3.3. SiGe Bipolarprozess für GSM Anwendungen; B7 HF HV 40
3.4. Transistormodellierung 43
3.4.1. SGP (SPICE Gummel Poon)-Modell 43
3.4.2. HICUM-Modell 44
3.5. Erweiterung von Transistormodellen durch EM-Simulation 46
3.6. Zusammenfassung 48
4. Anpassnetzwerke für Leistungsverstärker 49
4.1. Grundlagen der Anpassnetzwerke 52
4.1.1. Anpassung mit konzentrierten Bauelementen 53
4.1.2. Anpassung mit Streuelementen 56
4.1.3. Anpassung mit konzentrierten Elementen und Streuelementen 56
4.1.4. Smith Diagramm für Anpassnetzwerke 57
4.1.5. Anwendungsgrenzen von Anpassnetzwerken 58
V
4.2. Realisierung von On-Chip-Anpassnetzwerken 60
4.2.1. Induktivitäten 60
4.2.1.1.Verluste in integrierten Induktivitäten 66
4.2.1.2. Einfluss der Induktivitätsgüte auf Anpassnetzwerke 70
4.2.2. Kapazitäten 76
4.2.3. Leitungen 78
4.2.4. Realisierung von Transistor-Feedern 83
4.2.4.1. Optimierung von Induktivität und Transistor-Feeder 88
4.2.5. Integrierte periodische Strukturen 91
4.2.5.1. Erweiterte integrierte periodische Strukturen 99
4.3. Zusammenfassung 100
5. Leistungsverstärker-Entwurfsmethodik 101
5.1. CAD für Schaltungssimulation und Systemsimulation 102
5.2. CAD für EM-Simulation 104
5.3. Stand der Technik bei der Entwurfsmethodik 110
5.4. Vorgeschlagener Leistungsverstärker-Design-Flow 117
5.5. Zusammenfassung 126
6. SiGe-Leistungsverstärker für Mobilfunkanwendungen 129
6.1. Zweiband-WLAN-Leistungsverstärker 129
6.1.1. Schaltungsentwurf 130
6.1.2. Messergebnisse 133
6.2. UMTS-Leistungsverstärker 138
6.2.1. Schaltungsbeschreibung 138
6.2.2. Messergebnisse 140
6.3. GSM-Leistungsverstärker 144
6.3.1. Schaltungsbeschreibung 145
6.3.2. Messergebnisse 147
6.4. Zusammenfassung 152
7. Zusammenfassung und Ausblick 153
Appendix A: Entwurf von Anpassnetzwerken für zwei Frequenzen unter Verwendung 157
Der Chebyshev-Passbandfilter-Technik

Appendix B: Design-Flow für integrierte Induktivitäten 161

8. Literatur 165

VI
List of abbreviations

A Area
AC Alternating Current
ACLR Adjacent Channel Leakage Ratio
ACPR Adjacent Channel Power Ratio
ADC Analog Digital Converter
ADS Advanced Design System
AM Amplitude Modulation
APD Allegro Package Designer
B Magnetic flux density
BALUN Balanced Unbalanced
BiCMOS Bipolar and Complementary Metal Oxide Semiconductor
BJT Bipolar Junction Transistor
BoM Bill of Material
BW Bandwidth
C Capacitance
CAD Computer Aided Design
C Collector base capacitance
BC
C Emitter base capacitance
BE
CCK Complementary Code Keying
C Collector emitter capacitance
EC
R Serial base resistance
BX
C Fringing capacitances between metal windings
F
CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
C Metal oxide capacitance
OX
C Substrate capacitance
SUB
DAC Digital to Analog Converter
DC Direct Current
DGS Defected Groundplane Structure
DSP Digital Signal Processing
Eff Effective collector efficiency
CE
EM Electromagnetic
EMI Emission Microscope
EVM Error Vector Magnitude
FDM Finite Difference Method
FDTD Finite Difference Time Domain
FEM Finite Element Method
FET Field Effect Transistor
f Maximal oscillating frequency
MAX
f Maximal transit frequency
T
G Gain
GaAs Gallium Arsenide
g Transcondutance
m
GMSK Gaussian Maximum Shift Key
GSM Global System for Mobile communication
HB Harmonic Balance
HBT Heterojunction Bipolar Transistor
VII
HF High Frequency
HICUM High Current Model
I Current
I Collector current
C
IC Integrated Circuit
IF Intermediate Frequency
IM Intermodulation
I Maximal current
MAX
InP Indium Phosphide
IP Intercept Point
J Current density
l Length
L Inductance
LDBL Lightly Doped Buried Layer
L Effective inductance
eff
LNA Low Noise Amplifier
VCO Voltage Controlled Oscillator
L Series inductance
S
LSSP Large Signal S-Parameter
LTCC Low Temperature Cofired Ceramic
MEXTRAM Most EXquisite TRAnsistor Model
MIM Metal Isolator Metal
MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit
MoM Method of Moments
MOS Metal Oxide Semiconductor
MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
PA Power Amplifier
PAE Power Added Efficiency
PCB Printed Circuit Board
P Input power
IN
PM Phase Modulation
P Output power
OUT
PSS Periodic Steady State
Q Quality
QAM Quadrature Amplitude Modulation
Q Effective quality factor
eff
Q Matching quality factor
match
R Resistance
R Serial collector resistance
CX
RF Radio Frequency
RL Return Loss
RMS Root Mean Square
R Series resistance
S
R Substrate resistance
SUB
r Thermal resistance
th
RX Receive path
S Surface
SGP Spice Gummel Poon
SiGe Silicon Germanium
SiGeC Silicon Germanium Carbide
VIII