Manuel Wittlinger

Abstract

In dieser Masterarbeit wird ein Konzept für einen mehrstufigen Schaltverstärker in einer 28 nm FDSOI CMOS-Technologie untersucht. Der Schaltverstärker basiert auf mehreren Klasse-D-Verstärkern im Strommodus, welcher sich bei einer Analyse der dominierenden Verluste gegenüber dem Spannungsmodus für hohe Frequenzen als geeigneter erweist. Durch die Addition der Ausgangsströme mehrerer Schaltverstärker über Transformatoren ist es möglich, die Amplitude des Ausgangssignals durch die Anzahl der aktiven Verstärker in mehreren diskreten Stufen einzustellen. Für die genaue Analyse von Verhalten und Verlustverteilung der Kombination aus Schaltverstärker und Transformator wird beschrieben, wie sich das vorgestellte Konzept mithilfe der Vierpoltheorie modellieren lässt. Die theoretische Betrachtung wird durch Simulationen ergänzt. Der mehrstufige Schaltverstärker kann mit einer Kapazität zwischen Schaltverstärker und Transformator für unterschiedliche Trägerfrequenzen von 1 GHz bis mindestens 12 GHz eingestellt werden und erreicht dabei für ungefähr 2 GHz bis 6 GHz eine Effizienz (PAE) von über 40 \%. Bei einer Trägerfrequenz von 3,6 GHz beträgt diese 48 \% und die maximale Ausgangsleistung 24,5 dBm (283 mW). Weiterhin kann im pulsweitenmodulierten Betrieb eine hohe Effizienz im Back-Off-Betrieb erreicht werden, welche die eines idealen Klasse-B-Verstärkers bei geringen Ausgangsleistungen deutlich übertrifft. This thesis deals with the study on a multi-level switching mode power amplifier concept in a 28 nm FDSOI CMOS technology. It is based on multiple current mode class-D amplifiers, because a comparison with the voltage mode shows a higher efficiency for high frequencies. Transformers sum the output currents of all amplifiers into a single output signal and different discrete output levels can be set by varying the number of active amplifiers. To understand the behaviour of the whole amplifier, a detailed analytic description is presented. Furthermore, simulation results are included. The presented amplifier achieves over 40 \% PAE for carrier frequencies between 2 GHz and 6 GHz. For optimal output power and efficiency, it can be tuned to different carrier frequencies from 1 GHz to at least 12 GHz with a capacitor between switching mode power amplifier and transformer. At 3.6 GHz the maximum output power is 24.5 dBm (283 mW) with 48 \% PAE. For pulse-width modulated signals, a very high efficiency can be achieved for low power levels compared to an ideal class-B amplifier.

Abstract

Diese Forschungsarbeit beschreibt die Untersuchung einer Schaltungstopologie für ein sparsames Mischsignalneuron. Ein Eingang des Neurons entspricht dabei einem Mischsignalmultiplizierer. Bei einer Multiplikation steuert ein Eingangssignal eine MOSFET-Stromquelle. Das Ergebnis entspricht einem Ladungspaket, welches sich aus der Multiplikation des Stroms und der Dauer eines Zeitintervalls, indem die Stromquelle entsprechend dem Gewicht eingeschaltet ist, ergibt. Mithilfe der Kirchhoffschen Knotenregel können die Ladungspakete der einzelnen Mischsignalmultiplizierer addiert werden. Zusätzlich zur genauen Analyse der einzelnen Vorgänge während einer Mischsignalrechnung wird beschrieben, wie Probleme durch Ladungskopplung und -ausgleich kontrolliert werden können. Dies wird durch einhalten einer vorgegebenen Reihenfolge der einzelnen Vorgänge und verwenden von Dummy-MOSFETs erreicht. Wird der lineare Bereich für die MOSFETs der Stromquellen zugelassen, kann der vollständige Bereich der Versorgungsspannung an Ein- und Ausgängen verwendet werden. Ist die Ausgangsspannung niedrig, arbeiten diese MOSFETs im linearen Bereich, weshalb der Strom abhängig von der Ausgangsspannung ist. Für ein Neuron ergibt sich in diesem Arbeitsbereich ein neues Modell mit einer Rückkopplung vom Ausgang auf die Eingänge. Die Übertragungsfunktion eines Mischsignalmultiplizierers weist dabei eine Invertercharakteristik auf und lässt sich durch die Dimensionierung der MOSFETs beeinflussen. Das Rauschverhalten ist mittels analytischer, simulativer und numerischer Methoden beschrieben. Für die untersuchte Dimensionierung eines Neurons ergibt sich am Ende der Mischsignalrechnung am Ausgangsknoten eine effektive Rauschspannung von 1,6 mV. Bei gleichverteilten Ausgangssignalen und einem Spannungsbereich von 800 mV entspricht dies einer Auflösung von 7,1 Bit. Weiterhin ist die Änderung der Ausgangsspannung durch Leckströme unabhängig von der Anzahl der parallel geschalteten Mischsignalmultiplizierer. Die Anzahl der Ein- und Ausgänge ist im Wesentlichen durch den Energiebedarf beim Vorladen und der zur Verfügung stehenden Chipfläche begrenzt.

Abstract

Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines breitbandigen linearen Verstärkers mit einstellbarem Frequenzgang. Auf Basis einer Analyse der verfügbaren Bauteile in der vorliegenden Halbleitertechnologie wird eine Schaltungstopologie entwickelt, welche diverse Möglichkeiten zur Beeinflussung des Verstärkers bereitstellt. Realisiert ist dies durch Variation der Ströme in den einzelnen Stufen und einer veränderbaren Kapazität in Form eines Varaktors. Zur späteren Integration in Messumgebungen oder andere Schaltungen ist der Ein- sowie Ausgang an ein differenzielles 100 Ω-System angepasst. Der Maskenentwurf zu dem Schaltplan ist ebenfalls Bestandteil dieser Arbeit. Simulationen der Schaltung ergeben unter Berücksichtigung der parasitären Elemente eine 3 dB-Großsignalbandbreite von 75 GHz bis 105 GHz bei einer durchschnittlichen effektiven Auflösung von 6,2 bit.