Design methods and considerations of supply modulated switched RF power amplifiers

• Main Author: Hietakangas, S. (Simo)
• Other Authors: Rahkonen, T. (Timo)
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Oulun yliopisto 2012
• Subjects: high-efficiency amplifiers; modulation; radio frequency amplifiers; supply modulation; switching circuits; switching power amplifiers; korkean hyötysuhteen vahvistimet; kytkinpiirit; kytkinvahvistimet; käyttöjännitemodulaatio; modulaatio; radiotaajuiset vahvistimet
• Online Access: http://urn.fi/urn:isbn:9789514298363; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:9789514298363

Abstract This thesis studies the design methods and properties of supply-modulated switch-mode radio frequency power amplifiers. Besides simulation based studies and theory review, two amplifiers were designed: a discrete MESFET class E amplifier (0.5 W at 1 GHz), and an integrated pHEMT class E-1 amplifier (2.0 W at 1.6 GHz) with an on-chip resonator. The existing design methods of the resonant output network of switching amplifiers were reviewed and some extensions on the handling of nonlinear capacitances were proposed. The effects of varying supply voltage were studied and suggestions were given to minimize Vdd / AM and Vdd / PM distortion in supply modulated amplifiers. The implementation of the bias feed was also discussed resulting in proposing a combination of a short transmission line and a small inductor, which provides both fast supply modulation and little effect on harmonic impedances. The main contributions are related to the study of the input impedance of a class E power amplifier, where the effects of supply dependent input impedance and timing skew generated by injected harmonic distortion were analyzed. The stabilization of the amplifier was also discussed. Based on the findings, a push-pull class E amplifier with extra cross-coupled feedback capacitors and second harmonic traps at the gates appears to be a very good starting point for a further study. === Tiivistelmä Tämä väitöstyö käsittelee radiotaajuuksilla toimivien käyttöjännitemoduloitujen kytkintehovahvistimien ominaisuuksia ja suunnittelumenetelmiä. Suunnittelumenetelmiin liittyvän katsauksen ja simulaatioihin perustuvan tutkimusten lisäksi kaksi vahvistinta toteutettiin väitöstutkimuksen aikana: diskreettikomponentein toteutettu E-luokan vahvistin (MESFET, 0.5 W ja 1 GHz) ja integroituna piirinä toteutettu käänteinen E-luokan vahvistin (pHEMT, 2.0 W ja 1.6 GHz), jonka lähdön resonaattoripiiri sisällytettiin integroituun piiriin. Kytkinvahvistimien suunnittelumenetelmiä verrattiin ja kehitettiin edelleen siten, että suunnitteluvaiheessa voidaan ottaa huomioon esim. transistoripiirin takaisinkytkennässä olevan kapasitanssin epälineaarisuus. Työssä tutkittiin myös käyttöjännitemodulaation vaikutusta kytkinvahvistimien toimintaan, ja tutkimuksen tuloksena annettiin muutamia ehdotuksia käyttöjänniteriippuvan amplitudi- (Vdd / AM) ja vaihemodulaation (Vdd / PM) vähentämiseksi. Lähdön biasointipiirin toteutukseen suositeltiin pienen kelan ja siirtolinjan yhdistelmää. Yhdistelmän avulla pyritään maksimoimaan modulaationopeus ja minimoimaan vaikutukset harmonisiin impedansseihin. Pääkohtina väitöksessä ovat E-luokan kytkinvahvistimesta saadut tutkimus- ja mittaushavainnot käyttöjännitteen funktiona muuttuvasta transistorin tuloimpedanssista sekä suurikokoisen transistorin tuloissa tapahtuvan, säröytymisen aiheuttaman tulosignaalien ajoitusvirheen analyysi. Näiden lisäksi vahvistimen stabiilisuuteen kiinnitettiin huomiota. Saatujen havaintojen perusteella voimme todeta, että push-pull -tyyppinen E-luokan vahvistin olisi mielenkiintoinen valinta jatkotutkimuksille.