Circuits de protection et de linéarisation à très basse consommation pour amplificateurs de puissance RF monolithiques à fort rendement et haute linéarité

Walid Karoui (1)

1 LAAS-MOST - Équipe Microondes et Opto-microondes pour Systèmes de Télécommunications

The researches carried out in this thesis are related to the design of protection and linearization circuits enabling RF power amplifier modules to meet all the constraints of wireless telephony, namely: ruggedness, linearity, low power consumption, downsizing and cost. In the first part of this memory, we study the improvement of power amplifier ruggedness against impedance mismatches that are induced by environment variations of the handset antenna. The analysis of the failure mechanisms of HBT GaAs and HBT SiGe transistors demonstrates that the current of the final stage has to be limited. Then, we designed an original protection circuit based on the detection of the collector current of the power transistor. The developed protection circuit is very compact and it is monolithically integrated on a power amplifier die. It does alter neither the output power, nor the power added efficiency under a 50 Ohms load. The protected power amplifier passes ruggedness tests with VSWR up to 10 and battery voltages up to 5V. The simplicity and the effectiveness of the current detection circuit has enabled in a second step, the design of a linearization circuit compatible with a monolithic integration in a power amplifier for EDGE and WCDMA standards. The linearization technique, which is based on envelope injection, is implemented using an innovative topology for the detection of the signal envelope. Thanks to the ultra low current consumption of the new linearization circuit, it becomes possible to overcome the linearity/efficiency trade-off usually encountered. This new linearization circuit is implemented into a PA which is integrated in a HBT SiGe technology. The PA linearity is enhanced by 12 dB at the nominal output power

Les travaux développés ici traitent de la mise en Suvre de techniques de protection et de linéarisation permettant aux modules d'amplification de puissance de répondre à toutes les contraintes de la téléphonie mobile que sont la robustesse, la linéarité, une très faible consommation, la miniaturisation et le coût. Dans une première partie, nous traitons de l'amélioration de la robustesse des amplificateurs de puissance RF vis-à-vis des désadaptations d'impédance induites par les variations d'environnement de l'antenne du téléphone portable. L'analyse des mécanismes de défaillance, des transistors HBT GaAs et HBT SiGe, nous mène à conclure à la nécessaire limitation du courant de l'étage final. Nous avons alors conçu un circuit de protection original, basé sur la détection précise du courant collecteur des transistors de puissance. De très faibles dimensions et monolithiquement intégrable, ce circuit n'altère ni la puissance de sortie, ni le rendement en puissance ajoutée lorsque l'amplificateur est nominalement chargé sur 50 Ohms. Un amplificateur de puissance RF intégrant ce dispositif a supporté tous les tests de robustesse jusqu'à des valeurs de VSWR supérieures à dix et pour des tensions de batterie supérieures à cinq volts. La simplicité et l'efficacité du circuit de détection de courant nous a conduit, dans un second temps, à envisager la conception d'un circuit de linéarisation monolithiquement intégrable sur un amplificateur de puissance RF, pour les standards EDGE et WCDMA. Le principe de linéarisation par injection d'enveloppe a alors été mis en Suvre grâce à une nouvelle topologie pour la détection de l'enveloppe du signal modulé. En raison de la très faible consommation en courant du dispositif innovant de linéarisation, il devient possible de s'affranchir du compromis linéarité/rendement en puissance ajoutée, intervenant généralement. Ce dispositif a été implémenté sur un amplificateur de puissance en technologie HBT SiGe. La Linéarité de l'amplificate ur a ainsi été améliorée de 12 dB à la puissance de sortie nominale, tout en maintenant constant le rendement en puissance ajoutée de l'amplificateur, même pour les faibles puissances de sortie (low power mode).

Mots clés: RF power amplifier; Ruggedness; Impedances mismatches; Breakdown voltage; Dissipated power; Current detector; Current limiter; Feedback loop; Monolithic integration; Linearity; Power added efficiency; 3rd generation standards; Back-off; Linearization by envelope injection

Mots clés: Amplificateur de puissance RF; Robustesse; Désadaptations d'impédances; Tension d'avalanche; Puissance dissipée; VSWR; HBT GaAs; HBT SiGe; Détecteur de courant; Limiteur de courant; Boucle de contre-réaction; Intégration monolithique; Linéarité; Rendement en puissance ajoutée; Standards de 3ème génération; Recul; Intermodulations; ACPR; Linéarisation par injection d'enveloppe

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Walid Karoui. Circuits de protection et de linéarisation à très basse consommation pour amplificateurs de puissance RF monolithiques à fort rendement et haute linéarité. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00195582⟩