Introducing positive envelope feedback – a new method for linearity improvement in radio frequency integrated circuit power amplifiers

Résumé

Dans la première partie de cette thèse de doctorat, l'auteur présente la technique de rétroaction positive de l'enveloppe dans les amplificateurs de puissance radiofréquences intégrés sur puces (acronyme en anglais: RFIC PAs). Il s’agit d’une nouvelle méthode introduite dans cette thèse, pour améliorer le compromis linéarité-efficacité énergétique d’un amplificateur et basé sur un cheminement du signal directement à partir de la sortie de l’amplificateur, à travers un seul détecteur d'enveloppe et vers son entrée de polarisation. La technique proposée nécessite une surface de circuit supplémentaire minimale, consomme un courant supplémentaire négligeable, ne présente pas de limitations sévères de la bande passante et ne dégrade pas les performances de bruit de l’amplificateur de puissance. La simplicité inhérente de la technique proposée permet son intégration dans les architectures d’amplificateur existantes avec un minimum de modifications dans la conception, ainsi que son utilisation conjointement avec d'autres techniques de circuit pour l'amélioration de la performance des amplificateurs. La théorie, la conception et l’implémentation de la technique proposée sont décrites en détail, tout en considérant les différentes conditions de conception à respecter pour améliorer les performances des amplificateurs utilisant cette technique. L’implémentation de la technique proposée est démontrée en utilisant plusieurs conceptions d'amplificateurs de puissance, à l'aide des résultats obtenus par simulation et aussi des expériences sur des conceptions d’amplificateurs qui ont été fabriquées. Les mesures sur une conception expérimentale d’un amplificateur de puissance en technologie CMOS SOI démontrent une augmentation de 1,7 dB de la puissance correspondant au point de compression de 1dB du gain (P1dB) de l’amplificateur en utilisant la technique proposée ici, ainsi qu’une amélioration de la distorsion d'intermodulation de troisième ordre en sortie (IMD3) allant jusqu'à environ 3,44 dB. Des simulations sur une version modifiée de cette conception montrent une amélioration IMD3 allant jusqu'à 3,5 dB et une amélioration de la réjection de puissance aux canaux adjacents (ACPR) allant jusqu'à 6 dB pour les signaux à large bande passante, aux niveaux de puissance de sortie où l'amplificateur subit une compression de gain importante. Dans la seconde partie de cette thèse, l'auteur développe les fondements analytiques d’une nouvelle représentation non-linéaire multi-ports pour amplificateurs radiofréquences. Elle est basée sur des ensembles distincts de polynômes complexes non-linéaires décrivant un combineur, un convertisseur non-linéaire de l’information en bande de base jusqu’aux radiofréquences, ainsi qu’une fonction d'amplification non-linéaire aux radiofréquences, pour le traitement d’un signal RF modulé à l’entrée de l’amplificateur et d’un signal de polarisation dynamique dépendant de l’enveloppe. La représentation proposée permet une prédiction précise des composantes de distorsion en sortie de l’amplificateur, en fonction d’une excitation RF à tonalités multiples en entrée et d’un signal de polarisation dépendant de l’enveloppe et à tonalités multiples. Cette nouvelle représentation des effets non-linéaires d’un amplificateur rend possible des formulations analytiques pour décrire un système amplificateur non-linéaire à trois ports et permet de déterminer les ajustements nécessaires dans le signal de polarisation dynamique ainsi que dans les circuits pour l’amélioration de la linéarité de l’amplificateur en présence de signaux d’excitation à tonalités multiples et modulés. La nouvelle représentation proposée est destinée à un contexte qui, du mieux des connaissances de l’auteur, est introduit pour la première fois et qui est envisagé comme prometteur pour les équipements de communication mobile actuels et futurs – soit l'optimisation automatique des performances de linéarité d’un amplificateur utilisant une polarisation dynamique dépendante de l'enveloppe du signal modulé, à l’aide de fonctions d’auto-calibration intégrées à la tête-RF d’un émetteur à l’intérieur d’un équipement de communication mobile. La représentation proposée permet ainsi d’optimiser la polarisation dynamique dépendante de l’enveloppe dans un amplificateur pour l’amélioration de la linéarité dans la transmission de signaux modulés par chaque equipment de communication mobile individuellement. Une telle optimisation de chaque unité d’équipement de communication est donc possible grâce à ces fonctions d’auto-calibration intégrées qui ne requièrent, comme séquences d’entraînement, que des mesures quasi-statiques de la puissance d'entrée et celle de la sortie de l’amplificateur. Cela contraste avec les séquences d’entraînement beaucoup plus complexes qui sont nécessaires pour les représentations non-linéaires d'ordre élevés telles que les séries de Volterra, ou d’autres représentations proposées dans la litérature scientifique. L'applicabilité de la représentation proposée ici est illustrée par des simulations et des analyses comparées à des résultats expérimentaux, démontrant une caractérisation précise des performances d’amplificateurs conçus selon différentes techniques de polarisation dynamique et utilisant différentes technologies de semiconducteur. Dans une implémentation expérimentale utilisant un amplificateur en technologie d’Arséniure de Gallium (AsGa) et conçu dans un milieu industriel, la représentation proposée prédit avec précision les ajustements de polarisation dynamiques nécessaires pour obtenir une réduction de plus de 4 dB de la valeur IMD3 à la sortie. Une réduction similaire de la puissance du canal adjacent (ACP) est démontrée avec un signal modulé. Dans une deuxième implémentation expérimentale, la représentation proposée permet, pour la première fois, d’utiliser une approche analytique pour prédire l’état de la stabilité d’un amplificateur utilisant la rétroaction d’enveloppe positive en boucle fermée, ainsi que de déterminer les performances optimales requises pour les composants du système en rétroaction.

Date	13 mars 2020
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Nicolas Constantin (Directeur(-trice))