Digital-Intensive Transmitters and Power Amplifiers for Integrated Radio Systems

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-10-11
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
96 + app. 78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 157/2019
Abstract
This dissertation presents research advancing theoretical and practical knowledge on digital-intensive integrated sub-6-GHz radio transmitters with special focus on power amplifiers (PAs). New radio standards and CMOS process scaling create demand for innovative solutions to push the digital-to-analog boundary closer to the antenna, while the goal of maximizing efficiency calls for transmitter architectures that enable using nonlinear switch-mode power amplifiers. This work explores the possibilities and limitations of integrated multilevel outphasing transmitters in this context, and develops new techniques to overcome shortcomings that were observed. These objectives are pursued with methods ranging from analysis and simulations to design, implementation and characterization of prototype circuits. The original research consists of three parts, the first of which focuses on system-level development of digital-intensive transmitters. This includes analysis of spectral degradation caused by discrete-time amplitude levels in polar and multilevel outphasing transmitters, which is shown to be canceled by a voltage-subtracting power combiner. In addition, it is demonstrated that discontinuities in harmonic content can limit the spectral performance of multilevel outphasing transmitters, and a new transmitter architecture called tri-phasing is proposed to eliminate the problem. Two integrated transmitter implementations in 28-nm CMOS are presented, one of which uses multilevel outphasing, while the other verifies the functionality of tri-phasing. The second part describes analysis and design of multilevel CMOS PAs intended for highly integrated transmitters. A cascoded class-D output stage complicates the task of switching PA units on and off during transmission, which is required by multilevel operation. This is solved with on/off logic that constructs the desired signal after biasing circuitry. This section presents the design of two eight-unit class-D PAs in 28-nm CMOS utilizing variations of the on/off logic. One of the PAs was implemented on the same die with other parts of the tri-phasing transmitter, constituting the highest achieved level of integration among multilevel outphasing-based transmitters. The final part of this work examines power combining with transmission-line-based circuits implemented on printed circuit boards. The presented analysis demonstrates that the choice of power-combiner type can be critical for suppressing detrimental voltage ripple at the supply and ground of a wire-bonded PA circuit. Two power combiners were designed for the presented PAs, the first of which uses a voltage-adding structure based on quarter-wave transmission lines. The second combiner design relies on the extended Marchand balun, a new coupled-line structure for voltage-subtracting combiners, which introduces an additional degree of freedom by including arbitrarily long input lines. The latter combiner was measured as part of the tri-phasing transmitter.

Tämä väitöskirja edistää teoreettista ja käytännöllistä tietämystä digitaali-intensiivisistä integroiduista radiolähettimistä painottuen erityisesti tehovahvistimiin. Uudet radiostandardit sekä CMOS-teknologian pieneneminen luovat tarvetta ratkaisuille, joilla voidaan kasvattaa digitaali-piirien osuutta. Samalla korkean hyötysuhteen saavuttaminen edellyttää epälineaaristen kytkin-muotoisten tehovahvistimien käytön sallivaa lähetinarkkitehtuuria. Tässä työssä tutkitaan integroitujen monitasoisten poisvaiheistuslähettimien mahdollisuuksia ja rajoitteita sekä kehitetään uusia tekniikoita puutteiden korjaamiseksi. Tutkimusmenetelmiin sisältyvät niin analyysi ja simulaatiot kuin prototyyppipiirien suunnittelu, toteutus ja karakterisointi. Tutkimuksen kolmesta osa-alueesta ensimmäinen painottuu digitaali-intensiivisten lähettimien kehittämiseen järjestelmätasolla. Tähän sisältyy analyysi spektrin huononemisesta, jonka aiheuttavat polaari- ja monitasopoisvaiheistuslähettimien diskreettiaikaiset amplituditasot. Kyseisen vaikutuksen voi kumota käyttämällä jännitteitä vähentävää tehonyhdistintä. Lisäksi osoitetaan, että harmonisten taajuuskomponenttien epäjatkuvuudet rajoittavat monitasoisilla poisvaiheistus-lähettimillä saavutettavaa spektrin laatua. Ratkaisuksi esitellään uusi lähetinarkkitehtuuri, kolmi-vaiheistus. Tässä osassa esitetään kaksi 28 nm:n CMOS-teknologialla toteutettua integroitua lähetintä, joista toinen käyttää monitasoista poisvaiheistusta ja toinen todentaa kolmivaiheistuksen toimivuuden. Toinen osa käsittelee integroituihin lähettimiin tarkoitettujen monitasoisten CMOS-tehovahvis-tinten analyysia ja suunnittelua. Kaskadirakenteinen D-luokan lähtöaste vaikeuttaa tehovahvisti-men kytkemistä päälle ja pois, kuten monitasotoiminta edellyttää. Tämä ratkaistaan päälle/pois-logiikalla, joka muodostaa halutun signaalin biasointipiirien jälkeen. Tässä osassa esitetään kaksi 28 nm:n CMOS-teknologialla toteutettua tehovahvistinta, jotka hyödyntävät päälle/pois-logiikkaa. Näistä toinen sisällytettiin samalle integroidulle piirille muiden kolmivaiheistuslähettimen osien kanssa, mikä on korkein saavutettu integrointiaste monitasoiseen poisvaiheistukseen perustuvien lähettimien joukossa. Työn viimeisessä osassa tarkastellaan tehonyhdistämistä siirtojohtopiireillä, jotka toteutetaan piirilevyllä. Esitetyn analyysin mukaan tehonyhdistintyypin valinta voi olla ratkaiseva tekijä käyttö-jännitteen ja maatason haitallisen heilahtelun ehkäisemiseksi lankaliitetyissä tehovahvistin-piireissä. Edellä mainituille tehovahvistimille suunniteltiin kaksi tehonyhdistintä, joista ensimmäinen perustuu jännitesummaukseen neljännesaaltojohdoilla. Jälkimmäisen tehonyhdistimen perustana toimiva laajennettu Marchand-symmetrointimuuntaja on uusi kytkeytyviin siirto-johtoihin perustuva rakenne, jonka tulojohtojen mielivaltainen pituus lisää suunnitteluun uuden vapausasteen. Viimeksi mainittu tehonyhdistin mitattiin osana kolmivaiheistuslähetintä.
Description
Supervising professor
Ryynänen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Stadius, Kari, Dr., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Keywords
integrated circuits, radio transmitters, power amplifiers, power combiners, multilevel outphasing, tri-phasing, integroidut piirit, radiolähettimet, tehovahvistimet, tehonyhdistimet
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. Martelius, K. Stadius, J. Lemberg, E. Roverato, M. Kosunen, J. Ryynänen, L. Anttila, M. Valkama. Spectral Effects of Discrete-Time Amplitude Levels in Digital-Intensive Wideband Radio Transmitters. In 2018 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), Florence, Italy, May 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106167
    DOI: 10.1109/ISCAS.2018.8350970 View at publisher
  • [Publication 2]: M. Kosunen, J. Lemberg, M. Martelius, E. Roverato, T. Nieminen, M. Englund, K. Stadius, L. Anttila, J. Pallonen, M. Valkama, J. Ryynänen. A 0.35-to-2.6GHz Multilevel Outphasing Transmitter with a Digital Interpolating Phase Modulator Enabling up to 400MHz Instantaneous Bandwidth. In 2017 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), San Francisco, CA, USA, pp. 224–225, February 2017.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106165
    DOI: 10.1109/ISSCC.2017.7870342 View at publisher
  • [Publication 3]: J. Lemberg, M. Martelius, M. Kosunen, E. Roverato, K. Stadius, L. Anttila, M. Valkama, J. Ryynänen. Tri-Phasing Modulation for Efficient and Wideband Radio Transmitters. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2018, vol. 65, no. 9, pp. 3085–3098.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808214667
    DOI: 10.1109/TCSI.2018.2821269 View at publisher
  • [Publication 4]: J. Lemberg, M. Martelius, E. Roverato, Y. Antonov, T. Nieminen, K. Stadius, L. Anttila, M. Valkama, M. Kosunen, J. Ryynänen. A 1.5–1.9-GHz All-Digital Tri-Phasing Transmitter With an Integrated Multilevel Class-D Power Amplifier Achieving 100-MHz RF Bandwidth. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2019, vol. 54, no. 6, pp. 1517–1527.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201906203931
    DOI: 10.1109/JSSC.2019.2902753 View at publisher
  • DOI: 10.1109/ISCAS.2016.7527339 View at publisher
  • [Publication 6]: M. Martelius, K. Stadius, J. Lemberg, E. Roverato, T. Nieminen, Y. Antonov, L. Anttila, M. Valkama, M. Kosunen, J. Ryynänen. A 30-dBm Class-D Power Amplifier with On/Off Logic for an Integrated Tri-Phasing Transmitter in 28-nm CMOS. In 2018 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium (RFIC), Philadelphia, PA, USA, pp. 136–139, June 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201812106134
    DOI: 10.1109/RFIC.2018.8429024 View at publisher
  • [Publication 7]: M. Martelius, K. Stadius, J. Lemberg, T. Nieminen, E. Roverato, M. Kosunen, J. Ryynänen, L. Anttila, M. Valkama. Multilevel Outphasing Power Amplifier System with a Transmission-Line Power Combiner. In 2016 12th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), Lisbon, Portugal, June 2016.
    DOI: 10.1109/PRIME.2016.7519469 View at publisher
  • [Publication 8]: M. Martelius, K. Stadius, J. Lemberg, E. Roverato, T. Nieminen, Y. Antonov, L. Anttila, M. Valkama, M. Kosunen, J. Ryynänen. A Class-D Tri-Phasing CMOS Power Amplifier With an Extended Marchand-Balun Power Combiner. Submitted to IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, August 2019.
  • [Errata file]: Errata of P1 and P6
Citation