Les Amplificateurs de Puissance Radiofr

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Les Amplificateurs de Puissance Radiofréquences
et Micro-ondes  Applications dans le Cadre des
Projets Européens MOBILIS et UpperMOS et du
Projet RNRT VeLo.

• Laurent Leyssenne1, Eric Kerhervé1, Yann Deval1,
  Nejdat Demirel1,
• Sofiane Aloui1, Nathalie Deltimple1, Didier
  Belot2, Hilal Ezzedine3
• 1 IMS-CNRS, Bordeaux.
• 2 ST Microelectronics, Crolles.
• 3 ST Microelectronics, Tours.

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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Introduction

• LIMS est impliqués dans différents projets
  nationaux et européens sur la conception de PA
• Applications RF DCS/WCDMA, WiFi/WiMAX
• Applications Radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Caractéristiques des frontaux RF TX 2G/3G/4G (a)
Source Intel
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Caractéristiques frontaux RF TX (b)
Source Intel
/ 812.5Kbps
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Problématique liée aux amplificateurs de
puissance RF

• Standards 3G/4G
• Modulations QPSK/QAM à enveloppe non constante
• Peak to Average Ratio élevé
• 3dB (EDGE), 6dB (WCDMA), 12dB (WiMAX).
• Range de puissance RMS TX fonction des
  conditions de trafic.
• 30dB (GSM) ? 70dB (WCDMA).
• Largeur de canal de transmission élevé ? 20MHz
  (WiMAX)
• Les facteurs clefs de performance sont
• La linéarité (erreur de phase, ACLR, EVM)
• Le rendement (durée de vie des batteries)
• Besoin darchitectures pour gérer le compromis
  rendement/linéarité.

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Architectures de gestion du rendement dans les
frontaux TX

• LINC (requiert des éléments passifs sensibles et
  difficiles à intégrer)
• Envelope Elimination Restoration (EER) associé
  à un PA de classe non linéaire et à une boucle
  polaire de la phase du signal dentrée.
• Sapplique essentiellement aux PPA.
• Requiert un convertisseur AC/AC au niveau du
  drain/collecteur à fort rendement (externe).
• Un PA de classe non linéaire piloté par un canal
  RF modulé delta/sigma
• Consommation élevé des étages en amont du PA car
  large bande.
• Difficultés de respecter limmunité au bruit pour
  les larges range de puissance RMS.

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Les architectures choisies en fonction de la
reconfiguration souhaitée

• Fondamentalement basée sur linjection
  denveloppe (au niveau de la grille/base du
  transistors de puissance).
• Plusieurs méthodes dinjection étudiée.
• Peut sapparenter à un effet mémoire et peut
  entrainer une distorsion denveloppe.
• Saut de range de puissance par le bypass de
  létage de puissance ( pour des raisons de
  rendement/bruit)

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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF
(a)

• HBTs performants en gain et en densité de
  courant.
• Mais auto-échauffement sensible? flyback, ou
  effondrement de courant IC (multi-fingers),
  hystérésis (quand RF et BB sont combinés)

Source Garlapati Prasad
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Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF
(b)

• LDMOS plus stables thermiquement et présentent
  une résistance thermique plus faibles que HBT.
• Plus robustes vis-à-vis du VSWR de sortie
  (isolateur non nécessaire).
• Impédance dentrée peu dépendante du point de
  polarisation
• adapté pour les applications
• de reconfiguration de PA.
• Faible capacité Cgd.
• Mais sensibles aux ESD

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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Projet MOBILIS frontal TX WCDMA/EDGE/DCS

• Classe de fonctionnement de létage de puissance?
• Contraintes de linéarité (ACLR-33dBc) pour le
  WCDMA.
• Problème dadaptation PA/duplexeur

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Projet MOBILIS topologie de létage de
puissance
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Projet MOBILIS Technique dassemblage
silicium(ST BiCMOS7RF)/passif(ST IPAD)
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Illustration en mode temporel du pistage
denveloppe (boucle ouverte)

• Pour un signal RF à deux tons (1.95G, 1.955G), le
  courant IDD tiré par létage de puissance sur
  lalimentation est un signal de mode commun qui
  évolue avec lenveloppe RF.

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Illustration de leffet du pistage denveloppe
sur le rendement

• Amélioration sensible du rendement à basse
  puissance de sortie (CW).
• Limpact du back-off lié au PAPR sur la PAE
  moyenne est limité.

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Illustration de leffet du pistage denveloppe
sur la linéarité
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Exemple dinjection denveloppe en boucle
 fermée 

• Détection de gm2
• Les termes de 3e ordre se combinent
  constructivement à faible puissance puisque
• Néanmoins, on constate une amélioration de la
  linéarité et du rendement à forte puissance.

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Technologie IPAD sur substrat verre pour
ladaptation de sortie (ST Tours)
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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Architecture dédiée au WiFi/WiMAX projet
Uppermost
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Uppermost effet de la reconfiguration dans le
domaine spectral
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Uppermost effet de la reconfiguration en boucle
fermée sur la PAE et le gain en puissance

• Une amélioration sensible de la PAE sans
  dégradation du OCP1

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Chronogramme CW de la reconfiguration

• Le signal denveloppe sur 1 bit pour différentes
  valeur de puissance CW dentrée

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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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Projet VeLo PA/Antenne à 77-81GHz
- Optimisation conjointe entre le PA et lantenne
pour faire en sorte que la charge présentée par
lantenne soit compatible avec limpédance
optimale en sortie du PA. - Solution de
beam-forming  4 éléments rayonnants, donc 4 PA.
Construction du diagramme de rayonnement en
fonction du déphasage au niveau des antennes,
chaque PA pouvant délivrer plus ou moins de
puissance dans une direction donnée (déphasages
différents). - Possibilité de coupler ou
dadditionner des puissances entre-elles, ce qui
dans le cas des 4 PAs en parallèle permet de
gagner 6 dB supplémentaires.
Beam-Forming
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Spécifications systèmes radar UWB 79GHz

• Fréquences 76-81 GHz
• Pout (puissance de sortie de lamplificateur)
  21 dBm
• Gain de lamplificateur de puissance 20 dB
• PAE (Power Added Efficient) 13
• Antenna gain 30-35 dBi
• Portée maximale 150-200 m
• Modulation UWB suggérée
• - Pulse modulation
• - FHSS
• - BPSK
• - Pulsed FM/CW

Spécifications PA
Spécifications Emetteur
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Réalisation dun PA 24 GHz
- UWB 24 GHz courte portée - UWB 79 GHz courte
et longue portées
Schéma du circuit émetteur commun
Layout du circuit émetteur commun
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Résultats de simulation (Post Layout) du PA 24 GHz
Simulation des paramètres S
Simulations de la puissance de sortie, du gain en
puissance et du PAE à 24 GHz.
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Plan

• Introduction
• Généralités sur les standards Radio et les
  architectures TX.
• Caractéristiques des procédés silicium
• Projet MOBILIS frontal TX DCS / WCDMA
• Projet Uppermost frontal TX WiFi / WiMAX
• Projet VeLo PA/antenne radar 80GHz
• Application WPAN 60GHz

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PA/Antenne WPAN à 60GHz
Motivations
Les réseaux (WxAN) ont des débits
faibles(Mbits/s). Les technologies CMOS faible
coût actuelles permettent de monter en
Fréquence La bande ISM est sans licence à 60 GHz
absorption de 11dB/Km dénergie
WPAN - Marché visant le grand public et
professionnel Informatique Échanges de gros
fichiers Électronique grand public
Applications
Objectifs
Prouver la faisabilité dun SOC pour des très
hauts débits (1.5Gb/s) en CMOS Satisfaire les
contraintes économiques des marchés grands publics
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Perspectives
Conception Du PA Définition des spécifications
du PA  Pout, Gain, PAE, CP1, IP3, input/output
matchings, consommation Optimiser le transistor
 Nb doigts, cellules en parallèle,
longueurs  Conception du  PAcircuit
dadaptation  Réalisation/Mesures
Etude bibliographique Conception de PA
Comportement du CMOS en HF Technologie CMOS
65nm Eléments passifs en HF
Co-design PA-Antenne Approche SiP avec 3 circuits
indépendants (PA, réseau dadaptation de sortie,
et antenne) Approche mixte SiP/SoC Approche SoC
avec lintégration complète sur une même puce des
trois blocs de base Réalisation des puces et
Mesures
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Merci de votre attention