Projeto e simulação de amplificador de potência CMOS com topologia empilhada

Abstract

Resumo : Este trabalho investiga os resultados de projeto e simulação de amplificadores de potência (PA) em 2,4 GHz com topologias de transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFET) empilhados, apresentando configurações de quatro e cinco transistores e utilizando um processo em metal-óxido-semicondutor complementar (CMOS) de 130 nm. No desenvolvimento do trabalho foram realizadas simulações de pequenos e grandes sinais, e geradas as curvas de S11 e S21, e ganho versus potência de saída (Pout), e a Eficiência de Potência Adicionada (PAE) versus Pout, para cada um dos modos de operação para uma topologia com quatro e cinco transistores empilhados operando em uma configuração capaz de gerar múltiplos perfis de eficiência (multimodo) operando com um caminho único de propagação de sinal de radiofrequência (RF). Em relação aos resultados obtidos para as duas pilhas no modo de operação de alta potência, a configuração com cinco MOSFETs apresenta parâmetros melhores que a com quatro, com maior ganho (15,56 dB contra 8,8 dB), melhor eficiência PAE (39,61% contra 25,7%), e maior Ponto de Compressão de Saída de 1dB (OCP1dB) (24,72 dBm contra 19,9 dBm). Os resultados para além de mostrar as vantagens da topologia com cinco MOSFETs, permite vislumbrar melhorias adicionais para pilhas ainda mais altas. Este estudo estabelece as bases para futuras melhorias no projeto de PAs empilhados em regime de operação multimodo para dispositivos de telecomunicações móveis.

Abstract : This work investigates the design and simulation results of 2.4 GHz power amplifiers (PAs) with stacked metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) topologies, presenting four- and five-transistor configurations and using a 130 nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process. In the development of this work, small-signal and large-signal simulations were conducted, generating S11 and S21 curves, gain versus output power (Pout), and Power-Added Efficiency (PAE) versus Pout for each operating mode for a topology with four and five stacked transistors operating in a configuration capable of generating multiple efficiency profiles (multi-mode) with a single radio frequency (RF) signal propagation path. Regarding the results obtained for the two stacks in high-power operation mode, the configuration with five MOSFETs exhibits better parameters than the one with four. It achieves higher gain (15.56 dB compared to 8.8 dB), better power-added efficiency (PAE) (39.61% compared to 25.7%), and a higher 1dB Output Compression Point (OCP1dB) (24.72 dBm compared to 19.9 dBm). These results not only highlight the advantages of the five-MOSFET topology but also suggest potential for further improvements with even higher stacks. This study establishes a foundation for future improvements in the design of stacked PAs operating in multi-mode regimes for mobile telecommunications devices.