Design of Integrated Power Amplifiers in SiGe Technology for Mobile Terminal Applications

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2006-09-08
Issue Year
2006
Authors
Kitlinski, Krzysztof
Editor
Abstract

The thesis demonstrates the design of high frequency SiGe bipolar integrated power amplifiers (PAs) for mobile communication terminals with the support of electromagnetic (EM) simulation. Three singlended PA designs for mobile terminals operating up to 6GHz have been designed, realized and measured. The realized amplifiers fulfill the assumed requirements in terms of overall performance mainly due to the exact description of parasitics in passive networks. The EM simulation has been introduced in the design of integrated spiral inductors, transistor feeding lines, power transistor surroundings and complete matching circuits. Simultaneously the evaluation and adaptation of SiGe technology for the purposes of state of the art PA applications is being presented. The realized power amplifier designs include: •An integrated linear dual band WLAN PA for the IEEE 802.11a/b/g specification. •A three-staged linear UMTS PA intended for WCDMA application. •A dual band GSM PA with 58% power added efficiency and 35.5dBm output power in the 900MHz band. Additionally, the EM simulation introduced in chip design contributed to the development of new integrated matching structures. Practically applied for PAs, such arrangements result in an overall performance improvement. In particular the newly realized structures include: •A low-loss, high quality factor microstrip line in lossy silicon to improve linearity and efficiency of a WLAN IEEE 802.11a PA. •An integrated, modified microstrip line with defected groundplane structure to im-prove a 5GHz WLAN PA in terms of broadband linearity response. •Several transistor feed network realizations for a GSM PA by which the power transistor’s robustness has been increased. With an optimized transistor feeding network, in a 2GHz WLAN PA, an increase of linearity and efficiency performance was observed.

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf von integrierten Hochfrequenz-Leistungsverstärkern (PAs) für Mobilfunkanwendungen unter Verwendung elektromagnetischer (EM) Simulationssoftware. Es werden drei Leistungsverstärker für Mobilfunkanwendungen gezeigt. Die realisierten Verstärker erfüllen die angenommenen Spezifikationen hauptsächlich aufgrund der exakten Beschreibung der parasitären Effekte in den passiven Netzwerken. Die EM-Simulation wird dabei beim Entwurf der integrierten Induktivitäten, der Transistorzuführungen, der Leistungstransistorumgebung und der kompletten Anpassungsschaltungen eingesetzt. Zudem wird die Evaluierung und Anpassung der SiGe-Technologie an die Anforderungen moderner PA-Anwendungen dargelegt. Die drei Entwürfe umfassen folgende Zielanwendungen: •Ein integrierter WLAN-Leistungsverstärker für die IEEE 802.11a/b/g-Spezifikation, der damit zwei Frequenzbereiche, 2.45GHz und 5.25GHz abdeckt. •Ein dreistufiger linearer UMTS-Leistungsverstärker für WCDMA-Anwendungen. •Ein integrierter GSM-Dual-Band-Leistungsverstärker mit 58% Wirkungsgrad und 35.5dBm Ausgangsleistung im 900MHz-Band. Des Weiteren ermöglichte der gezielte Einsatz von EM-Simulationen den Entwurf von neuen integrierten Anpassstrukturen. In der praktischen Umsetzung ergab sich daraus eine Verbesse-rung wesentlicher Verstärkereigenschaften. In Rahmen dieser Arbeit wurden folgende Strukturen realisiert: •Eine dämpfungsarme Mikrostreifenleitung, realisiert in einem stark leitfähigen Silizium-Substrat, die durch ihre hohe Güte zur Verbesserung der Linearität und des Wirkungsgrades eines WLAN-IEEE-802.11a-Leistungsverstärkers beiträgt. •Eine integrierte Mikrostreifenleitung mit einer periodischen Massestruktur zur weite-ren Verbesserung eines 5GHz-WLAN-Leistungsverstärkers in Hinblick auf die Bandbreite. •Mehrere Transistor-Feeder für einen GSM-Leistungsverstärker, mit dem Ziel einer homogenen Auslastung des Leistungstransistors. Mit einer optimierten Transistorverdrahtung wurde eine Verbesserung der Effizienz und der Linearität eines 2GHz-WLAN-PAs erreicht.

DOI
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