System Analyses of Class-S Power Amplifier

217 Pages·2009·12.83 MB·German

System Analyses of Class-S Power
Amplifier
Systemanalysen des
Klasse-S-Leistungsverst¨arkers
Der Technischen Fakulta¨t der
Universita¨t Erlangen–Nu¨rnberg
zur Erlangung des Grades
Doktor–Ingenieur
vorgelegt von
Andrzej Samulak
Erlangen - 2010
Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakult¨at der
Universit¨at Erlangen-Nu¨rnberg
Tag der Einreichung: 28.10.2009
Tag der Promotion: 24.02.2010
Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. Reinhard German
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Georg Fischer
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Heinrich
Abstract
The Class-S Power Amplifier concept theoretically offers up to 100% of effi-
ciency and seems to be a very attractive solution for high power amplifier sys-
tems. Nevertheless,theconsideredarchitectureofthepoweramplifiersrequires
detailedsystemanalysisandareviewofthetheoreticalbackground. Presented
work defines theoretical principles and shows the complexity of Class-S opera-
tion mode for architectures based on Voltage Switching Class-D (VSCD) and
Current Switching Class-D (CSCD). The main research work was focused on
current mode operation. Moreover main requirements of efficient Class-S op-
eration have been defined. The fundamental part of work has been focused on
detailed analyses of Class-S PA (CSCD mode) based on GaN HEMT switch-
ing transistors. The novel figures of merit of switching transistors which can
identify the utility for Class-S architecture have been defined and introduced.
Furthermore new analyzing methods, which are dedicated mainly to switching
mode power amplifiers, have been defined and applied. The significant part
of research has been focused on optimizing modulation strategies based on
Delta-Sigma (∆ − Σ) modulation, because the total performance of Class-S
PA is strongly determined by modulation parameters. In addition, simulation
results of the complete system for all defined modulation strategies have been
presented and ideas of performance enhancement have been proposed. Finally
the demonstrator of Class-S PA has been presented, which confirms main ex-
pectations and limits. To sum up, the presented work constitutes a complete
and universal system analysis of Class-S PA architecture.
Keywords: Class-S Power Amplifier, Delta-Sigma Modulation, GaN
HEMT Power Transistors
iv
Kurzfassung
In der Theorie bietet das Konzept der Klasse-S-Leistungsverst¨arker eine sehr
hohe Effizienz von bis zu 100% und scheint eine sehr attraktive L¨osung fu¨r
die Hochleistungsverst¨arkersysteme zu sein. Nichtsdestotrotz, die untersuchte
Leistungsverst¨arkerarchitektur erfordert sowohl eine detaillierte Systemanal-
yse als auch eine U¨berpru¨fung der theoretischen Grundlagen. Diese Arbeit
erl¨autert die theoretischen Prinzipien und zeigt die Komplexit¨at des Klasse-
S-Betriebs fu¨r Architekturen die auf Voltage-Switching-Class-D (VSCD) und
Current-Switching-Class-D (CSCD) basieren. Die Forschungsarbeit konzen-
triert sich haupts¨achlich auf den CSCD-Betrieb. Daru¨ber hinaus wurden die
Hauptanforderungen fu¨r einen effizienten Klasse-S-Betrieb definiert. In dem
Hauptteil der Arbeit wird der Klasse-S-Leistungsverst¨arker basierend auf den
GaN HEMT-Leistungstransistoren ausfu¨hrlich analysiert. Die neuen Bewer-
tungskriterien fu¨r die Schalttransistoren, die die Nu¨tzlichkeit der Klasse-S-
Architekturaufzeigenk¨onnen,sinddefiniertundvorgestelltworden. DesWeit-
eren sind neue Analysemethoden fu¨r Schaltverst¨arker eingefu¨hrt und ange-
wandt worden. Ein wesentlicher Teil der Forschungsarbeit fokussiert auf die
Optimierung der Modulationsstrategien basierend auf der ∆ − Σ Modula-
tion,denndietotaleLeistungsf¨ahigkeitderKlasse-S-Leistungsverst¨arkerh¨angt
massgeblich von der Wahl der Modulationsparameter ab. Ferner sind die Sim-
ulationsergebnisse von dem kompletten System fu¨r alle definierten Modula-
tionsstrategien vorgestellt und Ideen zur Verbesserung der Leistungsf¨ahigkeit
der Klasse-S-Leistungsverst¨arker vorgeschlagen worden. Schliesslich ist ein
DemonstratorderKlasse-S-Leistungsverst¨arkervorgestelltworden, welcherdie
grunds¨atzlichen Erwartungen erfu¨llt und die aufgezeigten Betriebsgrenzen
best¨atigt. Zusammenfassend stellt diese Arbeit eine umfassende und allge-
meine Systemanalyse der Architektur der Klasse-S-Leistungsverst¨arker dar.
Schlagw¨orter: Klasse-S-Leistungsverst¨arker, Delta-Sigma Modula-
tion, GaN HEMT-Leistungstransistoren

Dedicated to my parents, brother and friends.
viii
Acknowledgements
First of all, I would like to express my appreciation to some individuals who
supported my work throughout the last three years. At the beginning I would
like to mention Prof. Dr.-Ing. Robert Weigel who gave me the opportunity to
work in this project. My main appreciation goes to to Prof. Dr.-Ing. Georg
Fischer for his supervising, support and motivation during my whole research
work.
Moreover I am very grateful to all my colleagues for creative discussions and
experience exchange during my work. At this point I want to emphasize the
cooperation with all project partners: Alcatel-Lucent Deutschland AG, FBH
in Berlin, EADS Microwave Factory in Ulm, TU Ilmenau and IHP in Frank-
furt/Oder. In addition I would like to thank the German Ministry of Re-
search and Education BMBF that is funding part of the activities under grant
01BU0602 Class-S.
Finally I would like express my appreciation to my family - my parents and
brother for their endless patience and understanding, my friends, who helped
me throughout recent years.
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