Design of integrated power amplifiers in SiGe technology for mobile terminal applications [Elektronische Ressource] = Entwurf von integrierten Leistungsverstärkern in SiGe-Technologie für Mobilfunkanwendungen / von Krzysztof Kitliński

Kitlinsk

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• Publié le: 01 janvier 2006
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Extrait

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



Entwurf von integrierten Leistungsverstärkern in
SiGe-Technologie für Mobilfunkanwendungen






Der Technischen Fakultät der

Universität Erlangen-Nürnberg



zur Erlangung des akademischen Grades

DOKTOR-INGENIEUR




Verlegt von

Krzysztof Kitli ński








Erlangen – 2006











































Als Dissertation genehmigt von der Technischen Fakultät der Universität Erlangen-
Nürnberg

Tag der Einreichung: 24.04.2006
Tag der Promotion: 06.07.2006
Dekan: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. Robert Weigel
Prof. Dr.-Ing. Werner Wiesbeck




Abstract

The thesis demonstrates the design of high frequency SiGe bipolar integrated power amplifi-
ers (PAs) for mobile communication terminals with the support of electromagnetic (EM)
simulation.
Three single-ended PA designs for mobile terminals operating up to 6GHz have been de-
signed, 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 net-
works. 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 transis-
tor’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.















I

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Entwurf von integrierten Hochfrequenz-
Leistungsverstärkern (PAs) für Mobilfunkanwendungen unter Verwendung elektromagneti-
scher (EM) Simulationssoftware.
Es werden drei Leistungsverstärker für Mobilfunkanwendungen gezeigt. Die realisierten Ver-
stärker erfüllen die angenommenen Spezifikationen hauptsächlich aufgrund der exakten Be-
schreibung der parasitären Effekte in den passiven Netzwerken. Die EM-Simulation wird da-
bei beim Entwurf der integrierten Induktivitäten, der Transistorzuführungen, der Leistungs-
transistorumgebung 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 Struk-
turen realisiert:

• Eine dämpfungsarme Mikrostreifenleitung, realisiert in einem stark leitfähigen Silizi-
um-Substrat, die durch ihre hohe Güte zur Verbesserung der Linearität und des Wir-
kungsgrades 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 Band-
breite.
• Mehrere Transistor-Feeder für einen GSM-Leistungsverstärker, mit dem Ziel einer
homogenen Auslastung des Leistungstransistors. Mit einer optimierten Transistorver-
drahtung wurde eine Verbesserung der Effizienz und der Linearität eines 2GHz-
WLAN-PAs erreicht.










II

Table of content

1. Introduction 1
1.1. Motivation
1.2. Aim ofwork 4
1.3. Thesis outline 4
2. Power amplifer basic 9
2.1. PA charcteristc
2.1.1. Transfer characteristics 9
2.1.2. Linearity 11
2.1.3. Noise nPAs 7
2.2. PA topologies 17
2.2.1. Single ended amplifier 17
2.2.2. Balanced amplifier 18
2.2.3. Push-pull amplifier 19
2.3. Operating clase 20
2.3.1. A, AB, B, C operating classes 20
2.3.2. D, E, F operating 21
2.4. Input and output transistor matching 22
2.5. Bipolar transistor basics 26
3. Infineon’s bipolar technology and transistor modeling 35
3.1. The original SiGe bipolar process; B7 HF 36
3.2. SiGe bipolar process for WLAN applications; B7 HF 70 38
3.3. for GSM applications; B7 HF HV 40
3.4. Transistor modeling 43
3.4.1. SGP (SPICE Gummel Poon) models 43
3.4.2. HICUM models 44
3.5. Transistor model enhancement through EM simulation 46
3.6. Conclusions 48
4. Matching networks for PAs 49
4.1. Matching network principles 52
4.1.1. Lumped elements matching networks 53
4.1.2. Matching with distributed lines and stubs 56
4.1.3. with lumped and distributed elements 56
4.1.4. Smith Chart for matching networks 57
4.1.5. Matching limitations 58
III

4.2. Realization of on-chip matching networks 60
4.2.1. Inductors 60
4.2.1.1.Losses in integrated inductors 66
4.2.1.2.Influence of inductor Q-factor on matching circuits 70
4.2.2. Capcitors 76
4.2.3. Transmison lines 78
4.2.4. ransitor fedrs 83
4.2.4.1. Inductor and feeder optimization 88
4.2.5. Integrated periodic structures 91
4.2.5.1. Enhanced compact circuits with periodic structures 99
4.3. Conclusions 100
5. PA design methodology 101
5.1. CAD environment: circuit simulators and system simulators 102
5.2. CAD environment for EM simulation 104
5.3. State of the art design methodology 110
5.4. Proposed PA design methodology 117
5.5. Conclusions 126
6. SiGe PAs for mobile terminal applications 129
6.1. Dual band WLAN power amplifier 129
6.1.1. PA circuit design 130
6.1.2. Measurement results 133
6.2. UMTS power amplifier 138
6.2.1. Circuit description
6.2.2. Experimental results 140
6.3. GSM power amplifier 144
6.3.1. Circuit description 145
6.3.2. Experimental results 147
6.4. Conclusions 152
7. and outlook 153
Appendix A: Designing matching networks for two frequencies by applying the 157
Chebyshev passband filter technique

Appendix B: Integrated inductor design flow 161

8. Bibliography 165


IV

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1
1.1. Motivation 1
1.2. Ziel dr Abeit 4
1.3. Gliedrung der Abeit 4
2. Leistungsverstärkergrundlagen 9
2.1. Leistungsverstärkerkenngrößen 9
2.1.1. Transferkenngrößen
2.1.2. Linearität 11
2.1.3. Rauschen in Leistungsverstärkern 17
2.2. Leistungsverstärker-Topologien 17
2.2.1. Gleichtakverstäker 17
2.2.2. Balancierter Verstärker 18
2.2.3. Gegntakverstäker 9
2.3. Verstäkerlasen 20
2.3.1.