Amplificador de saída de RF CMOS Classe-E com controle de potência para uso em 2,2 GHz

Abstract

É apresentado um amplificador de potência (PA) com controle digital da potência de saída, operando na banda S de frequência (2,2 GHz). Este PA utiliza um transformador de entrada para reduzir as flutuações dos sinais de terra. Um estágio de excitação oferece uma impedância apropriada para a fonte de entrada e ganho para o próximo estágio. O estágio de controle é usado para melhorar a eficiência do PA, composto por quatro ramos paralelos de chaves, onde os estados (ligado ou desligado) são separadamente ativados por uma palavra de controle de 4 bits. O estágio de saída implementa um amplificador classe E, usando uma topologia cascode para minimizar o estresse de tensão sobre os transistores, permitindo sua utilização sob tensão de alimentação de 3,3 V para se atingir uma potência de saída máxima em torno de 1 W, em um processo CMOS 130 nm, cuja tensão típica de alimentação é 1,2 V. O PA proposto foi projetado em uma tecnologia CMOS 130 nm para RF, ocupa uma área de 1,900 x 0,875 mm2 e os resultados das simulações em leiaute extraído obtidos demonstram uma potência de saída máxima de 28,5 dBm (707 mW), com PAE (Power- Added Efficiency) correspondente de 49,7%, para uma tensão de alimentação de 3,3 V. O controle de 4 bits permite um ajuste dentro da faixa dinâmica da potência de saída entre 13,6 a 28,5 dBm (22,9 a 707 mW), divididos em 15 passos, com o PAE variando de 9,1% a 49,7%. O PA proposto permite redução do consumo de potência quando este não está transmitindo na potência máxima. A potência consumida atinge um mínimo de 0,21Wquando a potência de saída é de 13,6 dBm (22,9 mW) e um máximo de 1,4 W quando a potência de saída é de 28,5 dBm (707 mW), o que representa 1,19 W de economia, aumentando a vida da bateria. A linearidade obtida neste circuito mostrou-se suficiente para atender os requisitos da máscara de emissão de espúrios de um padrão de comunicação com envoltória constante largamente utilizado, apresentando desempenho adequado para atender as especificações dos sistemas de comunicações modernos.

A power amplifier with digital power control useful to S-Band (2.2 GHz) applications and with an output power around 1 W is presented. It uses an input transformer to reduce ground bounce effects. A tuned driver stage provides impedance matching to the input signal source and proper gain to the next stage. A control stage is used for efficiency improvement, composed by four parallel branches where the state (on or off) is separately activated by a 4-bit input. The class-E power stage uses a cascode topology to minimize the voltage stress over the power transistors, allowing higher supply voltages. The PA was designed in a 130 nm RF CMOS process and the layout has a total area of 1.900 x 0.875 mm2, post-layout simulations resulted a peak output power of 28.5 dBm with a maximum power added efficiency (PAE) around 49.7% under 3.3 V of supply voltage. The 4-bit control allows a total output power dynamic range adjustment of 14.9 dB, divided in 15 steps, with the PAE changing from 9.1% to 49.7%. The proposed PA allows reduce the power consumption when it isn’t transmitting at the maximum output power. Where the power consumption is only 0.21 W when the PA is at the minimum output power level of 13.6 dBm (22.9 mW), which is 1.19 W smaller than the power consumption at full mode (1.4 W), increasing the battery life. The linearity in this circuit meet the emission mask requirements for a widely used communication standard with constant envelope. Post-layout simulation results indicate an overall performance adequate to fulfill the specifications of modern wireless communication systems.