Switching Mode Power Amplifier for Bluetooth Applications

128 Pages·2016·7.09 MB·English

by  Halyna Korol

Halyna Korol
Licenciada em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Switching Mode Power Amplifier for Bluetooth
Applications
Dissertação para obtenção do Grau de
Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Orientador: Luís Augusto Bica Gomes de Oliveira,
Professor Doutor, Universidade Nova de Lisboa
Júri:
Presidente: ProfessorDoutorPauloMontezumadeCarvalho
Arguente: ProfessorDoutorJoãoPedroAbreudeOliveira
Vogal: ProfessorDoutorLuísAugustoBicaGomesdeOliveira
Setembro, 2015

Switching Mode Power Amplifier for Bluetooth Applications
Copyright c Halyna Korol, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade
(cid:13)
NovadeLisboa
A Faculdade de Ciências e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa têm o
direito,perpétuoesemlimitesgeográficos,dearquivarepublicarestadissertação
atravésdeexemplaresimpressosreproduzidosempapeloudeformadigital,ou
porqualqueroutromeioconhecidoouquevenhaaserinventado,ede adivulgar
através de repositórios científicos e de admitir a sua cópia e distribuição com
objectivoseducacionais oude investigação,não comerciais,desde queseja dado
créditoaoautoreeditor.

"Everysolutionbreedsnewproblems"-ArthurBloch
(Murphy’slaw)

A
CKNOWLEDGEMENTS
Chegandoaestafase,édereflectirnasinúmerasoportunidadeseconcretizações,
tanto a nível pessoal como a nível profissional, que aconteceram graças à FCT-
UNL. Esta, não só é uma instituição com espaço de admirar, mas que também
oferecedistintasáreasdeaprendizagemcomprofessoresnotáveisnasrespectivas
áreas.Aistodevoummuitoobrigado!
Em segundo lugar, gostaria de agradecer a todos os professores do departa-
mentodeelectrónica.MasdevoumespecialagradecimentoàprofessoraHelena
Fino,porque foiela quedesde princípiocriou aminha paixãopela electrónica;ao
professor João Goes por ter feito crescer a minha paixão ainda mais, mas desta
vezpelamicro-electrónica;aoprofessorLuísOliveira,quetantocomoprofessor
como meu orientador sempre me guiou e sempre me motivou; aos professores
JoãoOliveira,NunoPaulinoeRuiTavaresporseremesplêndidosprofessores.Um
especial obrigado também ao professor Luís Bernardo, André Mora e Anabela
Pronto,porseremmaisdoqueprofessores.
Quero tambémexpressar aminha gratidãopara comos meuscolegas dasala
3.5,quesemacompanhiadelesotrabalhonuncaseriaomesmo,nemosalmoços,
nemospequenosintervalosnumespaçoquemuitobempodiaserchamadode“a
nossacasa”.Porisso,aeles,semexclusãoalguma,mesmoosquejá“partiram”,
outromuitoobrigado.
Um obrigado também às pessoas que mais me marcaram neste percurso
académico: Jorge Silva, Denise Solange, Dilcarina Duarte, Tiago Bento, Celso
AlmeidaeaAnaCarreira,aminhacompanheiradecomboio.
E por último deixo o meu maior agradecimento às pessoas mais especiais
na minha vida: à minha melhor amiga Carla Borges, que nos piores momentos
sempreesteveláparameapoiar;aomeunamoradoRicardoNeves(FCT:)),que
tornou este percurso inesquecível, mais especial ainda, deu-me forças e sempre
acreditouemmimquandonemeujáacreditava.Esemdeixardeparteapessoa
maisimportantedaminhavida,porquesemelanadadistoerapossível:Obrigado
Mãe!
vii

A
BSTRACT
Modern fully integrated transceivers architectures, require circuits with low
area,lowcost, lowpower,andhigh efficiency.Akey blockinmodern transceivers
isthepoweramplifier,whichisdeeplystudiedinthisthesis.
First,westudy theimplementationofaclassical Class-Aamplifier, describing
thebasicoperationofanRFpoweramplifier,andanalysingtheinfluenceofthe
realmodelsofthereactivecomponentsinitsoperation.
Secondly, the Class-E amplifier is deeply studied. The different types of im-
plementationsarereviewedandtheoreticalequationsarederivedandcompared
with simulations. There were selected four modes of operation for the Class-E
amplifier,inordertoperformtheimplementationoftheoutputstage,andthesub-
sequentcomparison ofresults. Thisled totheselection ofthe modewith thebest
trade-offbetweenefficiencyandharmonicsdistortion,lowerpowerconsumption
andhigheroutputpower.Theoptimalchoicewasaparallelcircuitcontainingan
inductorwithafinitevalue.TocompletetheimplementationofthePAinswitch-
ingmode,adriverwasimplemented.Thefinalblock(outputstagetogetherwith
thedriver)got20%totalefficiency(PAE)transmitting8dBmoutputpowertoa
Ω
50 loadwithatotalharmonicdistortion(THD)of3%andatotalconsumption
of28mW.
All implementations are designed using standard 130 nm CMOS technology.
The operating frequency is 2.4 GHz and it was considered an 1.2 V DC power
supply. The proposed circuit is intended to be used in a Bluetooth transmitter,
however,ithasawiderrangeofapplications.
Keywords: Poweramplifier,Bluetooth,CMOS,efficiency,distortion,switching
mode,driver,Class-A,Class-E.
ix