Amplificateur et détecteur d’enveloppe large-bande pour la polarisation dynamique des amplificateurs RF CMOS en rétroaction positive d’enveloppe

Résumé

La technologie de 5e génération (5G) pour les communications mobiles vise une augmentation considérable du nombre d’appareils sur le réseau en plus d’augmenter la bande passante pour offrir plus de débits aux usagés. Bien que ces changements soient bénéfiques pour les applications mobiles, les appareils IoT, les voitures autonomes, etc., ceux-ci ajoutent une pression sur le système matériel en place, notamment au niveau des performances, incluant la consommation énergétique. L’amplificateur de puissance radiofréquence est souvent l’élément le plus énergivore dans les systèmes mobiles et sa présence est primordiale pour les systèmes sans-fil. Plusieurs techniques développées dans la littérature ont démontré une amélioration de l’efficacité. Notamment, les approches EER et ET améliorent le compromis d’efficacité et de linéarité. Des approches numériques de prédistorsions permettent aussi l’amélioration de ce compromis. Bien qu’elles offrent d’excellentes performances, ces approches sont complexes, demandent une surface sur puce non négligeable et il pourrait être difficile d’intégrer certaines configurations en technologie CMOS sur une puce unique. Basée sur une technologie développée à l’ÉTS et brevetée par Skyworks Solutions Inc. en 2019, la technique PEF (Positive Envelope Feedback) a déjà démontré un potentiel intéressant comme solution pour l’intégration sur puce unique, pour l’amélioration du compromis d’efficacité et de linéarité des amplificateurs de puissance radiofréquence. La technique utilise la rétroaction positive d’enveloppe (PEF) afin d’ajuster dynamiquement la polarisation de grille de l’amplificateur de puissance. Aussi, cette approche bénéficie d’une large bande passante qui s’avère intéressante pour les systèmes de communication moderne tout en ayant une faible empreinte sur puce. Un nouveau type de détecteur d’enveloppe radiofréquence a été développé avec la technologie CMOS 180 nm pour une fréquence de 5.4 GHz afin de répondre aux critères spécifiques de la technique PEF. Une caractérisation de la puce en simulation a démontré une bande passante d’enveloppe de 842 MHz avec une consommation statique de 7.5 mW avec une tension d’alimentation de 1.8 V. La faible empreinte sur puce, la simplicité et la bonne réjection de la porteuse rendent cette structure intéressante et compétitive par rapport à d’autres topologies présentes dans la littérature. Un amplificateur radiofréquence différentiel avec une structure « stacked-FET » sur deux étages fonctionnant à 5 GHz a été conçu avec la technologie CMOS 180 nm. Les résultats expérimentaux ont démontré un gain de 12.6 dB avec un point de compression de 10.37 dBm. La bande passante à 3 dB a été mesurée à 480 MHz. Finalement, deux détecteurs d’enveloppe développés dans ce travail ont été ajoutés à la sortie de l’amplificateur dans le but de valider les performances large bande de la technique PEF. Aussi, la grande simplicité d’intégration en comparaison avec les autres techniques d’amélioration du compromis d’efficacité et de linéarité retrouvée dans la littérature, a été démontrée. Dans cette configuration, le nouveau détecteur d’enveloppe développé utilise moins de 3.5% de la surface sur puce et une consommation en puissance de moins de 5% par rapport à celle de l’amplificateur radiofréquence.

Date	7 juin 2023
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicolas Constantin (Directeur(-trice))