Les Amplificateurs de Puissance Radiofréquences et Micro-ondes : Applications dans le Cadre des Projets Européens MOBILIS et UpperMOS et du Projet RNRT VeLo. Laurent Leyssenne1, Eric Kerhervé1, Yann Deval1, Nejdat Demirel1, Sofiane Aloui1, Nathalie Deltimple1, Didier Belot2, Hilal Ezzedine3 1 IMS-CNRS, Bordeaux. 2 ST Microelectronics, Crolles. 3 ST Microelectronics, Tours.

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Introduction L’IMS est impliqués dans différents projets nationaux et européens sur la conception de PA: Applications RF : DCS/WCDMA, WiFi/WiMAX Applications Radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Caractéristiques des frontaux RF TX 2G/3G/4G (a) Source: Intel

Caractéristiques frontaux RF TX (b) Source: Intel / 812.5Kbps

Problématique liée aux amplificateurs de puissance RF Standards 3G/4G Modulations QPSK/QAM à enveloppe non constante “Peak to Average Ratio” élevé ~3dB (EDGE), ~6dB (WCDMA), ~12dB (WiMAX). Range de puissance RMS TX= fonction des conditions de trafic. ~30dB (GSM)  70dB (WCDMA). Largeur de canal de transmission élevé  20MHz (WiMAX) Les facteurs clefs de performance sont: La linéarité (erreur de phase, ACLR, EVM) Le rendement (durée de vie des batteries) Besoin d’architectures pour gérer le compromis rendement/linéarité.

Architectures de gestion du rendement dans les frontaux TX LINC (requiert des éléments passifs sensibles et difficiles à intégrer) Envelope Elimination & Restoration (EER) associé à un PA de classe non linéaire et à une boucle polaire de la phase du signal d’entrée. S’applique essentiellement aux PPA. Requiert un convertisseur AC/AC au niveau du drain/collecteur à fort rendement (externe). Un PA de classe non linéaire piloté par un canal RF modulé delta/sigma Consommation élevé des étages en amont du PA car large bande. Difficultés de respecter l’immunité au bruit pour les larges range de puissance RMS.

Les architectures choisies en fonction de la reconfiguration souhaitée Fondamentalement basée sur l’injection d’enveloppe (au niveau de la grille/base du transistors de puissance). Plusieurs méthodes d’injection étudiée. Peut s’apparenter à un effet mémoire et peut entrainer une distorsion d’enveloppe. Saut de range de puissance par le “bypass” de l’étage de puissance ( pour des raisons de rendement/bruit)

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF (a) HBTs performants en gain et en densité de courant. Mais auto-échauffement sensible flyback, ou effondrement de courant IC (multi-fingers), hystérésis (quand RF et BB sont combinés) Source: Garlapati & Prasad

Caractéristiques de la technologie ST BiCMOS7RF (b) LDMOS plus stables thermiquement et présentent une résistance thermique plus faibles que HBT. Plus robustes vis-à-vis du VSWR de sortie (isolateur non nécessaire). Impédance d’entrée peu dépendante du point de polarisation adapté pour les applications de reconfiguration de PA. Faible capacité Cgd. Mais sensibles aux ESD

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Projet MOBILIS: frontal TX WCDMA/EDGE/DCS Classe de fonctionnement de l’étage de puissance? Contraintes de linéarité (ACLR=-33dBc) pour le WCDMA. Problème d’adaptation PA/duplexeur

Projet MOBILIS: topologie de l’étage de puissance

Projet MOBILIS: Technique d’assemblage silicium(ST BiCMOS7RF)/passif(ST IPAD)

Illustration en mode temporel du pistage d’enveloppe (boucle ouverte) Pour un signal RF à deux tons (1.95G, 1.955G), le courant IDD tiré par l’étage de puissance sur l’alimentation est un signal de mode commun qui évolue avec l’enveloppe RF.

Illustration de l’effet du pistage d’enveloppe sur le rendement: Amélioration sensible du rendement à basse puissance de sortie (CW). L’impact du back-off lié au PAPR sur la PAE moyenne est limité.

Illustration de l’effet du pistage d’enveloppe sur la linéarité:

Exemple d’injection d’enveloppe en boucle « fermée » Détection de gm2 Les termes de 3e ordre se combinent constructivement à faible puissance puisque: Néanmoins, on constate une amélioration de la linéarité et du rendement à forte puissance.

Technologie IPAD sur substrat verre pour l’adaptation de sortie (ST Tours)

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Architecture dédiée au WiFi/WiMAX: projet Uppermost

Uppermost: effet de la reconfiguration dans le domaine spectral

Uppermost: effet de la reconfiguration en boucle fermée sur la PAE et le gain en puissance Une amélioration sensible de la PAE sans dégradation du OCP1

Chronogramme CW de la reconfiguration Le signal d’enveloppe sur 1 bit pour différentes valeur de puissance CW d’entrée

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

Projet VeLo: PA/Antenne à 77-81GHz - Optimisation conjointe entre le PA et l’antenne pour faire en sorte que la charge présentée par l’antenne soit compatible avec l’impédance optimale en sortie du PA. - Solution de beam-forming : 4 éléments rayonnants, donc 4 PA. Construction du diagramme de rayonnement en fonction du déphasage au niveau des antennes, chaque PA pouvant délivrer plus ou moins de puissance dans une direction donnée (déphasages différents). - Possibilité de coupler ou d’additionner des puissances entre-elles, ce qui dans le cas des 4 PAs en parallèle permet de gagner 6 dB supplémentaires. Bande de fréquence 77-81 GHz Pout max 21 dBm Gain 20 dB PAE 13 % Beam-Forming

Spécifications systèmes radar UWB 79GHz Fréquences = 76-81 GHz Pout (puissance de sortie de l’amplificateur) = 21 dBm Gain de l’amplificateur de puissance = 20 dB PAE (Power Added Efficient) = 13 % Antenna gain = 30-35 dBi Portée maximale = 150-200 m Modulation UWB suggérée: - Pulse modulation - FHSS - BPSK - Pulsed FM/CW Spécifications PA Spécifications Emetteur

Réalisation d’un PA 24 GHz - UWB 24 GHz: courte portée - UWB 79 GHz: courte et longue portées - PA 24 GHz avec circuit de polarisation et circuits d’adaptations - BiCMOS9: fT=160 GHz 0.13µm SiGe HBT - Considérations prises pour modéliser le PA: Via, parasites d’extraction du transistor, capacités MIM, pads entrée/sortie et modèle du transistor (HICUM) - les impédances en entrée et sortie du PA sont de 50Ω Schéma du circuit émetteur commun Layout du circuit émetteur commun

Résultats de simulation (Post Layout) du PA 24 GHz Simulations de la puissance de sortie, du gain en puissance et du PAE à 24 GHz. Simulation des paramètres S Le gain est de 7.8dB et OCP1 est de 15.89dBm. Le PAE @ CP1 est de 23.3% avec un max de 25.9% @ Psat = 18.0dBm.

Plan Introduction: Généralités sur les standards Radio et les architectures TX. Caractéristiques des procédés silicium Projet MOBILIS: frontal TX DCS / WCDMA Projet Uppermost: frontal TX WiFi / WiMAX Projet VeLo: PA/antenne radar 80GHz Application WPAN 60GHz

*Les réseaux (WxAN) ont des débits faibles(Mbits/s). PA/Antenne WPAN à 60GHz Motivations *Les réseaux (WxAN) ont des débits faibles(Mbits/s). *Les technologies CMOS « faible coût » actuelles permettent de monter en Fréquence *La bande ISM est sans licence à 60 GHz +absorption de 11dB/Km d’énergie *WPAN - Marché visant le grand public et professionnel *Informatique: Échanges de gros fichiers *Électronique grand public Applications Objectifs *Prouver la faisabilité d’un SOC pour des très hauts débits (1.5Gb/s) en CMOS *Satisfaire les contraintes économiques des marchés grands publics

Perspectives Conception Du PA Co-design PA-Antenne Définition des spécifications du PA : « Pout, Gain, PAE, CP1, IP3, input/output matchings, consommation» Optimiser le transistor « Nb doigts, cellules en parallèle, longueurs » Conception du « PA+circuit d’adaptation » Réalisation/Mesures Etude bibliographique Conception de PA Comportement du CMOS en HF Technologie CMOS 65nm Eléments passifs en HF Techno 65nm Fr. [GHz] 60 3-dB BW[GHz] 53-63 S21[dB] 9 S11[dB] -24 S22[dB] -14 S12[dB] -28 Pout max. 10dBm Alimentation 72mA@0.8V Co-design PA-Antenne Approche SiP avec 3 circuits indépendants (PA, réseau d’adaptation de sortie, et antenne) Approche mixte SiP/SoC Approche SoC avec l’intégration complète sur une même puce des trois blocs de base Réalisation des puces et Mesures

Merci de votre attention