Projeto e linearização de um amplificador de potência Doherty em tecnologia CMOS 45 nm dedicado a aplicações 5G

Abstract

Resumo: A presente dissertação demonstra o projeto do circuito de radiofreqüência de um amplificador de potência (PA) Doherty e sua linearização a partir da aplicação da técnica de pré-distorção digital. A topologia de amplificador de potência Doherty é escolhida, pois sua principal vantagem é proporcionar uma boa relação linearidadeeficiência, viabilizando sua escolha em cenários onde a relação entre potência média e potência de pico de sinais modulados é alta. A técnica de pré-distorção digital é aplicada a fim de melhorar a linearidade do amplificador, permitindo que o circuito respeite os valores exigidos para a métrica de magnitude do vetor de erro (EVM), estabelecidas pela European Telecommunications Institute (ETSI) para padrões do 5G New Radio (5G NR). O circuito é projetado com base na tecnologia de processo CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) em 45 nm e operando em uma frequência central de 26 GHz. Simulações de equilíbrio harmônico foram feitas para caracterização de parâmetros de linearidade e eficiência do amplificador, enquanto simulações de envoltória foram realizadas para determinar se o circuito estava em conformidade com os valores máximos de EVM estabelecidos para os padrões de desempenho em equipamentos de usuário. Para simulações de onda contínua, o amplificador apresenta 22,2 dBm de potência de saturação, com pico de PAE de 23,76% e um valor de 12,6% na região de recuo de 6 dB. Simulações de envoltória foram realizadas para os esquemas de modulação de 16, 64 e 256 QAM, na bandas de 50 MHz e 100 MHz. O cenário de simulações de envoltória considerou sinais modulados com potência média de entrada de 1 dBm, situada na região de recuo do PA. A aplicação da técnica de linearização foi necessária para que o circuito atingisse o valor mínimo de EVM para o esquema de modulação de 256QAM, para as bandas de 50 MHz e 100 MHz. A aplicação da pré-distorção digital foi baseada na modelagem do amplificador de potência a partir do modelo de Polinómios com Memória. O valor de EVM melhorou de -27 dB para -46 dB e de -27,86 dB para -30 dB, levando em consideração um sinal modulado 5G NR 256QAM, com bandas de 50 MHz e 100 MHz, respectivamente, e potências médias de saída de 9,7 dBm e 10,4 dBm.

Abstract: This dissertation demonstrates the design of a Doherty power amplifier (PA) and its linearization based on the application of a digital pre-distortion technique. Doherty topology is chosen considering that its main advantage is the trade off between linearity and efficiency, enabling its choice at particular scenarios where the relationship between peak-to-average-power-ratio of modulated signals is high. Digital pre-distortion technique is applied in order to improve circuit linearity and allowing it to perform accordingly to the EVM standards established by the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) for 5G New Radio (5G NR) scenario. Circuit design is made in CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) process 45 nm and its main frequency is 26 GHz. Harmonic balance simulations are done in order to measure the power amplifier linearity and efficiency parameters, while envelope simulations are done to determine whether the amplifier performs within the maximal threshold values to meet the standards for error vector magnitude (EVM) in user equipment (UE) applications. For continuous wave simulations, the power amplifier exhibits 22,2 dBm of saturation power, with its peak PAE in 23,76% and 12,6% in 6 dB power back-off region. Envelope simulations were done for modulations schemes of 16, 64 and 256 QAM in 50 MHz and 100 MHz bands. Envelope simulations considered a scenario with an average input power of 1 dBm, within the back-off region of the PA. A linearization techique was applied so the power amplifier could meet the standards requirements for a 256QAM modulation scheme, in 50 MHz and 100 MHz bands. Digital pre-distortion technique was applied, based on Memory Polynomial model. EVM had a improvement from -27 dB to -46 dB and from -27,86 dB to -30 dB for a 5G NR 256QAM signal with 50 MHz and 100 MHz bandwidth signals, respectively, and average output power of 9,7 dBm and 10,4 dBm.