A single propagation path multimode CMOS power amplifier based on the stacked topology

Abstract

Resumo: Esta tese apresenta o projeto de um amplificador de potências (PA) prova-de-conceito com quatro perfis de eficiência de um caminho único de propagação, realizado com tecnologia CMOS 130 nm e operando em 2,4 GHz. Esse circuito se baseia em dois conceitos: na seleção da região de operação de transistores (triodo ou saturação) e na alteração da tensão de alimentação de uma arquitetura empilhada modificada. Nos modos de alta e baixa potência (todos transistores em saturação e um transistor em saturação e três em triodo, respectivamente), o ponto de compressão de 1 dB referenciado à saída (OCP1dB) e a eficiência adicionada à potência (PAE) no OCP1dB resultantes de simulação pós-layout são de 19,9 dBm e 25,7%; de 15,1 dBm e 20,5%, respectivamente. Para validar a operação desse PA, quatro tipos de sinais do padrão IEEE 802.11ax foram testados. Para sinais menos complexos (16 QAM) o PA pode operar sem que a ultrapasse os limites impostos pela máscara do padrão até uma potencia de saída (pout) de 17,8 dBm; para sinais mais complexos (1024 QAM) o PA pode operar até uma pout de 8,5 dBm. Por um lado, o circuito apresentado é capaz de ocupar uma pequena área, o que é uma vantagem em processos escaláveis, tais como o CMOS. Por outro lado, a complexidade de design é elevada, tendo em vista que a otimização de eficiência e potência é também função da interação entre os modos de operação.

Abstract: This thesis presents the design of a proof-of-concept single propagation path four-mode power amplifier (PA) in 130 nm CMOS operating at 2.4 GHz. It is based on two concepts: the selection of the transistor's operation region (triode or saturation) and on the scaling of supply voltage of a modified stacked architecture. In high and low power modes (all transistors in saturation and one transistor in saturation and three in triode, respectively), the output-referred 1 dB compression point (OCP1dB) and the power added efficiency (PAE) in OCP1dB post-layout simulation results are 19.9 dBm and 25.7%; 15.1 dBm and 20.5%, respectively. To validate this PA's operation capability, four types of IEEE 802.11ax signals were tested. For less complex signals (16 QAM) the PA can operate without exceeding the limits imposed by the standard's mask up to an output power (pout) of 17.8 dBm; for more complex signals (1024 QAM) the PA can operate up to a pout of 8.5 dBm. On the one hand, the proposed circuit is capable of occupying a small area, which is an advantage in scalable processes, such as CMOS is. On the other hand, its design is complex, as optimization of efficiency and power is also a function of the interaction among operation modes.