Design of 130nm CMOS SOI and 28nm FD SOI power amplifiers for 5G NB-IoT applications
Conception d'amplificateurs de puissance en technologie 130nm CMOS SOI et 28nm FD SOI pour des applications 5G NB-IoT
Résumé
The development of 5G opens up new possibilities for applications related to the Internet of Things. With the objective of increasing the density of connected objects, the development of new communication protocols is necessary. This new standard, NB-IoT, requires the design of low-cost transceivers for large-scale deployment. The use of CMOS SOI technologies is ideal for such an application, as they offer higher performance than CMOS technologies at a similar cost. However, the design of PAs in SOI CMOS technology remains a challenge due to the high output power required. In addition, IoT applications require the design of high-efficiency PAs, which degrade amplifier linearity. Finally, as the NB-IoT bands are spread over the entire sub-6 GHz frequency spectrum, a broadband amplifier is preferable.To address these constraints, the thesis work focuses on the design of high-power, high-efficiency PAs in CMOS SOI technology with a broadband approach. Two technologies are investigated, 28nm FDSOI and 130nm PDSOI, in order to identify the strengths and limitations of each for NB-IoT applications. Four power amplifiers and one co-integrated circuit are presented in the scope of the manuscript. First, two 28nm FDSOI amplifiers are detailed, including a PA Doherty based on hybrid couplers on capacitive load with OCP1 enhancement by reconfigurable adaptive bias. Next, a pseudo-differential power amplifier with broadband transformers is presented, followed by an ultra-broadband (50 MHz - 2.3 GHz) active-balun amplifier in 130nm PDSOI. Finally, the co-integration of the pseudo-differential PA with an antenna switch and the feasibility study of such a circuit for an NB-IoT application are discussed.
Le développement de la 5G ouvre de nouvelles possibilités pour des applications liées à l'Internet des objets. Dans l'objectif de multiplier la densité d'objets connectés, le développement de nouveaux protocoles de communication est nécessaire. Ainsi, ce nouveau standard, le NB-IoT, impose de concevoir des émetteurs-récepteurs à faible coût pour un déploiement à grande échelle. L'utilisation de technologies CMOS SOI est idéale pour une telle application, car elles sont plus performantes que les technologies CMOS pour un coût similaire. La conception de PAs en technologie CMOS SOI reste cependant un défi en raison des fortes puissances de sortie requises. De plus, les applications IoT nécessitent la conception de PAs à fort rendement, ce qui dégrade la linéarité de l'amplificateur. Enfin, les bandes NB-IoT étant réparties sur tout le spectre des fréquences sub-6 GHz, un amplificateur large bande est préférable.Pour répondre à ces contraintes, les travaux de thèse réalisés sont orientés sur la conception de PAs à forte puissance et haut rendement en technologie CMOS SOI avec une approche large bande. Deux technologies sont étudiées, la 28nm FDSOI et la 130nm PDSOI, afin de cibler les forces et limitations de chacune d'elles pour une application NB-IoT. Quatre amplificateurs de puissance et un circuit co-intégré sont présentés au cours du manuscrit. Dans un premier temps, deux amplificateurs en 28nm FDSOI sont détaillés, dont un PA Doherty à base de coupleurs hybrides sur charge capacitive avec amélioration de l'OCP1 par polarisation adaptative reconfigurable. Ensuite, un amplificateur de puissance pseudo-différentiel à transformateurs large bande suivi d'un amplificateur de type balun-actif ultra-large bande (50MHz - 2,3GHz) en 130nm PDSOI sont présentés. Pour finir, la co-intégration du PA pseudo-différentiel avec un commutateur d'antenne et l'étude de la faisabilité d'un tel circuit pour une application NB-IoT sont discutées.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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