Amplificador de potência RF CMOS banda larga para comunicação 5G sub-6GHz

Abstract

Resumo: O 5G é um sistema de comunicação completo, abrangendo muitos padrões de comunicação de rádio, dentro de seus dispositivos vários circuitos integrados atendem a diversos padrões de camada física das redes de comunicação 5G, como sub-6 GHz, IEEE Std 802.11n-2009, IEEE Std 802.11ac-2013, Bluetooth e UWB. Existe a necessidade de um componente de amplificação de potência (PA) RF flexível e adaptável para se evitar a repetição de PAs, usando frequências distintas, em um dispositivo 5G, bem como a repetição de blocos construtivos, também de frequências distintas, dentro de um circuito integrado (CI) de PA. Neste trabalho, é proposta uma metodologia para projeto e desenvolvimento de um PA banda larga com um único modo de operação, capaz de transmitir em diferentes padrões de comunicação. Comparado com o estado da arte, este PA terá uma boa linearidade em toda a banda projetada, em vez de pontos ideais em determinada frequência, conforme encontrado na literatura. O PA desenvolvido possui dois estágios: um estágio de pré-amplificação que usa uma técnica de reutilização de corrente; e um estágio de potência em cascode. Inicialmente, os estágios foram projetados com transistores convencionais de dedo único, posteriormente a multiplicidade desses transistores foi alterada para melhorar os parâmetros de desempenho e linearidade. Os testes foram realizados substituindo-se transistores convencionais por tipo triple-well para um controle mais preciso da tensão de limiar. O casamento de impedância foi feito em banda estreita, tanto na entrada quanto na saída, com redes-L fixas, mas manteve-se o comportamento banda-larga. O PA foi validado com testes de sinal modulado em três padrões de comunicação e simulações pós-layout. O PA projetado é da classe AB e opera na faixa 2 GHz a 5 GHz, com as simulações teve-se o seguinte desempenho: um ganho de potência de 16 dB a 20,9 dB, uma potência de saturação de saída de 19,1 dBm a 21,7 dBm, um ponto de compressão de 15,8 dBm a 20,4 dBm e uma eficiência de potência adicionada de 9,28% a 22,4%. Embora não se tenha medidas do CI do PA, os dados de desempenho obtidos por simulações pós-layout e os resultados dos testes de sinal modulado em três bandas corroboram o potencial da metodologia proposta, para o projeto de PAs de banda larga. O PA também foi modelo físico para modelagem comportamental de projetos que implementem a linearização de PAs por pré-distorção digital, com transmissão de sinais multi-banda.

Abstract: The 5G is a complete communication system, covering many radio communication standards, within its devices several integrated components meet a variety of standards for physical layer of the 5G communication networks: sub-6 GHz, IEEE Std 802.11n-2009, IEEE Std 802.11ac-2013, Bluetooth and UWB. There is a need for a flexible and adaptable RF power amplifier (PA) component to avoid the repetition of amplifiers, using different frequencies, in a 5G device, as well as the repetition of building blocks, also of different frequencies, within an PA integrated circuit (IC). In this work, a methodology is proposed for the design and development of a wideband PA with a single mode of operation, capable of transmitting in different communication standards. Compared with the state of the art, this PA will have good linearity across the projected band, instead of a sweet spot at a given frequency, as found in the literature. The PA IC developed has two stages: a PPA pre-amplification stage that uses a current reuse technique and a cascode power stage. Initially, the stages were designed using conventional transistors, later the multiplicity of transistors was changed to improve the performance and linearity parameters. Tests were carried out replacing conventional transistors with triple-well type for an accurate control of the threshold voltage. A narrow band impedance matching was made, both at the input and at the output but the wideband behavior was maintained. The PA was validated with modulated signal tests in three communication standards and post-layout simulations. The designed PA is a class AB and operates in the 2-5 GHz range. The results of the simulations: a power gain of 16-20.9 dB, an output saturation power of 19.1-21.7 dBm, a compression point of 15.8-20.4 dBm and a power added efficiency of 9.28-22.4%. Although there are no measurements of the PA IC, the performance data obtained by post-layout simulations and the results of the three-band modulated signal tests corroborate the potential of the proposed methodology for the design of wideband PA. The PA was also a physical model for behavioral modeling of projects that implement the linearization of PAs by digital pre-distortion, with transmission of multi-band signals.