Energy Efficient and Compact RF High-Power Amplifiers

207 Pages·2014·5.37 MB·English

Energy Efficient and Compact
RF High-Power Amplifiers
DavidAngel CALVILLO CORTÉS

Energy Efficient and Compact
RF High-Power Amplifiers
Proefschrift
terverkrijgingvandegraadvandoctor
aandeTechnischeUniversiteitDelft,
opgezagvandeRectorMagnificusprof.ir.K.C.A.M.Luyben,
voorzittervanhetCollegevoorPromoties,
inhetopenbaarteverdedigenopmaandag17november2014om12:30uur
door
DavidAngel CALVILLO CORTÉS
elektrotechnischingenieur
geborenteGuadalajara,México.
Ditproefschriftisgoedgekeurddoordepromotor:
Prof.dr.R.B.Staszewski
Copromotor:
Dr.ing.L.C.N.deVreede
Samenstellingpromotiecommissie:
RectorMagnificus, voorzitter
Prof.dr.R.B.Staszewski, TechnischeUniversiteitDelft,promotor
Dr.ing.L.C.N.deVreede, TechnischeUniversiteitDelft,copromotor
Prof.dr.S.C.Cripps, CardiffUniversity,VerenigdKoninkrijk(UK)
Prof.dr.ir.P.Reynaert, KatholiekeUniversiteitLeuven,België(BE)
Prof.dr.H.F.F.Jos, ChalmersUniversityofTechnology,Zweden(SE)
Prof.dr.ir.P.G.M.Baltus, TechnischeUniversiteitEindhoven
Prof.dr.A.Neto, TechnischeUniversiteitDelft
Prof.dr.ir.P.M.Sarro, TechnischeUniversiteitDelft,reservelid
DavidAngelCalvillo-Cortes,
EnergyEfficientandCompactRFHigh-PowerAmplifiers,
Ph.D.Thesis(withsummaryinDutch),
DelftUniversityofTechnology.
Keywords: Poweramplifier(PA),GaN,switch-mode,class-E,class-B,outphasing,
Chireixcombiner,radiofrequency(RF),basestation,bondwire,trans-
former,high-voltageCMOS,driver.
Printedby: Proefschriftmaken.nl||UitgeverijBOXPress
Coverdesign: A.BereniceCalvilloCortés&DavidA.CalvilloCortés
ISBN:978-94-6295-007-8
Copyright©2014byDavidAngelCalvillo-Cortes
Allrightsreserved. Nopartofthispublicationmaybereproduced,storedinaretrieval
system,ortransmittedinanyformorbyanymeanswithoutthepriorwrittenpermission
ofthecopyrightowner.
PrintedinTheNetherlands.
Amispadres,miesposaymiamadafamilia.

C
ONTENTS
ListofFigures xi
ListofTables xv
1 Introduction 1
1.1 Moderncellularnetworks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Theenergycostofwirelesscommunications . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 TheefficiencychallengeinRFpoweramplifiers . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4 Efficiencyenhancementtechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Thesisobjectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Thesisoutline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 OutphasingAmplifierFundamentals 13
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Outphasingmodulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Efficiencyandpowerfactor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Outphasingwithisolatingcombiners. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1 Outphasingwithpowerrecovery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.2 MultilevelLINCamplifiers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Outphasingwithnon-isolatingcombiners . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.1 FundamentalChireixcombiners. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 Chireixcompensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.3 PracticalimplementationsofChireixcombiners. . . . . . . . . . . 24
2.6 Otheradd-onefficiency-enhancementtechniquesforoutphasing . . . . . 28
2.6.1 Mixed-modeoutphasingoperation . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 N-wayoutphasingcombiners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7 Outphasingnon-idealities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.1 Finiteoutputconductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7.2 Finitepowergain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.3 Bandwidthexpansionofthebranchsignals . . . . . . . . . . . . . 36
2.7.4 Branchimbalances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 StudyofLoad-ModulatedAmplifiersI:DesignandEfficiencyPerformance 41
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Asimplifiedlarge-signaltransistormodelforPAstudies . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Propertiesofthemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Modelformulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3 Selectionofmodelparameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
vii
viii CONTENTS
3.3 Stand-alonebranchamplifieroperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.1 Class-Bbranchamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Class-Ebranchamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4 Dohertyamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5 Outphasingamplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.1 Outphasingwithclass-Bbranchamplifiers . . . . . . . . . . . . . 57
3.5.2 Outphasingwithclass-Ebranchamplifiers . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Averageefficiencycomparisonsofload-modulatedamplifiers . . . . . . . 66
3.7 Verificationwithenvelopesimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.8 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4 StudyofLoad-ModulatedAmplifiersII:BandwidthExpansion 77
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.2 Bandwidthexpansioninload-modulatedamplifiers . . . . . . . . . . . . 78
4.3 Effectofnear-originsignaltrajectories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4 Bandwidthexpansionintheidealoutphasingamplifier . . . . . . . . . . 81
4.5 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 BondwireMagneticsforCompactHigh-PowerAmplifiers 89
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 Basicsofinductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.1 Inductancefundamentalcalculations . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.2.2 Inductancesforround-wireconductors . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.3 Lossesandcurrent-handlingofbondwires. . . . . . . . . . . . . . 95
5.3 Designandmodelingofbondwireinductors . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.4 Designandmodelingofbondwiretransformers . . . . . . . . . . . . . . 99
5.5 Practicalimplementationofaparallel-bondwiretransformer. . . . . . . . 101
5.5.1 Transformerdesignandimplementation . . . . . . . . . . . . . . 101
5.5.2 Transformersimulatedperformance. . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.5.3 TransformerRFmeasurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6 TowardsPackage-IntegratedHigh-PowerRFStages 109
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.2 Designingpackage-integratedPAmodules . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.3 CompactPAdesign1:a65Wclass-EPAoperatingat1.7-2.3GHz. . . . . . 111
6.3.1 Widebandclass-EPAdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3.2 CompactPAimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.3.3 Measurementresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.4 CompactPAdesign2:a70Wclass-EPAoperatingat1.7-2.6GHz . . . . . 118
6.4.1 Widebandclass-EPAdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.4.2 CompactPAimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.4.3 Power-scalablePAimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.4.4 RFmeasurementresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.5 Analysisofbondwiretolerances. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
CONTENTS ix
7 Package-IntegratedChireixOutphasingRFAmplifier 129
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2 Broadbandoutphasingswitch-modeamplifier . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2.1 Broadbandoutphasingcombiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2.2 Load-insensitiveSMPAsforoutphasing . . . . . . . . . . . . . . . 133
7.2.3 OutphasingSMPAsystemperformance . . . . . . . . . . . . . . . 136
7.3 OutphasingSMPAdemonstrator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
7.3.1 Transformer-basedChireixcombiner . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3.2 PAdesignandimplementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
7.4 Experimentalresults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.4.1 Measurementsetupandcalibration . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.4.2 Staticcharacterization:single-tone . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
7.4.3 Dynamiccharacterization:W-CDMAsignal . . . . . . . . . . . . . 143
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8 High-VoltageCMOSDriversforSwitch-ModePAs 149
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.2 HVCMOStechnologydescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.3 HVCMOSdriversdesign . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
8.4 HVCMOSdriversmeasurementresults. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.5 ExamplesofHVCMOSdriversinGaNSMPAs. . . . . . . . . . . . . . . . 160
8.6 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9 ConclusionsandRecommendations 163
9.1 Conclusions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.1.1 Outphasingamplifiertechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.1.2 System-levelstudiesofload-modulatedamplifiers . . . . . . . . . 164
9.1.3 Designofcompactbondwiremagneticcomponents. . . . . . . . . 166
9.1.4 Package-integratedhigh-powerRFstages . . . . . . . . . . . . . . 166
9.1.5 Package-integratedChireixoutphasingamplifier . . . . . . . . . . 167
9.1.6 High-voltageCMOSdriversforswitch-modePAs . . . . . . . . . . 167
9.2 Recommendationsforfurtherresearch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
References 171
Summary 183
Samenvatting 185
ListofPublications 187
Acknowledgements 189
AbouttheAuthor 191