System Analyses of Class-S Power Amplifier 2010

kevinwjs · 发表于 2011-4-25 17:43:14

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Motivation 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 The Evolution of Digital Radio Communication Systems . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 2nd Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.2 3rd Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.3 Long Term Evolution (LTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.4 Transmitted signal PAPR vs. communication technology . . . . . . 6
1.3 Total Eciency of UMTS Base Station Transceiver . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 Base Station Transceiver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Environmental aspects of mobile communication system . . . . . . . 8
1.4 Class-S idea as a power-ecient PA concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 An evolution of Power Ampliers from linear Class - A to full switch
mode Class - S 11
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Basic Denitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Eciency and Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Driving and Back-o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 Peak to Average Power Ratio and Crest Factor . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Power Utility Factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Evolution of Power Amplier operation modes . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 Conduction angle and statistical method for analyzing PA's opera-
tion mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1.1 Conduction angle method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1.2 Statistical method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 Class A, AB, B and C Power Ampliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
xiCONTENTS
2.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4.2 Class-A and Class-AB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.3 Class-B and Class-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5 Classes with controlled harmonics - Class-E and Class-F operations . . . . . 26
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.2 Class-E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5.3 Class-F . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6 Class-D operation as an ancestor of Class-S concept . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.2 Voltage Switching Class-D (VSCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.3 Current Switching Class-D (CSCD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.6.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3 Theoretical background of Class-S operation 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.1 Fundamental denitions of Class-S operation . . . . . . . . . . . . . 45
3.1.2 Coding eciencies of single bit modulation . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.3 Switching signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.4 Switch model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.2 Class-S PA based on VSCD conguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.2 Switching conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.2.3 Denition of main VSCD signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.4 Statistical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.5 Power calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.5.1 Circuit without parasitics components . . . . . . . . . . . . 57
3.2.5.2 Circuit with parasitics components . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3 Class-S PA based on CSCD conguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.2 Switching conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.3 Denition of main CSCD signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3.1 Operation without capacitive losses . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3.2 Operation with capacitive losses . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.3.4 Statistical analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.5 Power Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.3.5.1 Circuit without parasitics components . . . . . . . . . . . . 74
3.3.5.2 Circuit with parasitics components . . . . . . . . . . . . . . 75
3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
xiiCONTENTS
4 Available technology for Class-S operation 81
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Transistor as a power switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.2 Wide bandgap semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.3 GaN HEMT transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.3 The modulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.4 General Circuit requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.1 Driver section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.4.2 Filter section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 Methodology 89
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2 Simulation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.1 Method of analyses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.2 ADS and transient simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.3 MATLAB supported simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3 Basic characteristics of the GaN HEMT transistor . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.2 IV Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.3.3 Calculation of main parasitics and classical frequency limits . . . . . 94
5.3.4 Denition of switching limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4 The Modulation dedicated to Class-S operation . . . . . . . . . . . . . 99
5.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.4.2 Basic assumptions - Digital Time modeling approach . . . . . . . . . 99
5.4.3 Stability considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4.4 Modulation strategies based on the modulation . . . . . . . . . 104
5.4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.4.4.2 Direct Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.4.5 Manchester Encoded Modulation ( ManM) . . . . . . . . . 107
5.4.6 Quasi Lowpass Modulation with Manchester transformation
(QLM) and and NTF zero insertion at the Nyquist frequency
( QLM Zero) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.7 Modulation strategy - Main conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5 Required PA's termination - bandpass lter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.6 Circuit analyses at 900 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.1 Denition of main test methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.2 Circuit based on GaN transistors only with deep gate-source voltage
swing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.6.2.2 Simulation results for 50% duty cycle square wave and
PRBS signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
xiiiCONTENTS
5.6.2.3 Simulation results for D modulation schemes . . . . . . 122
5.6.2.4 Simulation results for Man modulation schemes . . . . 127
5.6.2.5 Simulation results for QL modulation schemes . . . . . 130
5.6.2.6 Impact of insucient transistors' driving level . . . . . . . 133
5.6.2.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.6.3 Circuit based on GaN transistors with blocking Schottky diodes . . 134
5.6.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.6.3.2 Simulation results for 50% duty cycle square wave and
PRBS signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.6.3.3 Simulation results for D modulation schemes . . . . . . 138
5.6.3.4 Simulation results for Man modulation schemes . . . . 141
5.6.3.5 Simulation results for QL modulation schemes . . . . . 144
5.6.3.6 Available power and eciency enhancement . . . . . . . . 147
5.6.3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6 Class-S demonstrator 151
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2 Demonstrator design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
6.2.1 GaN Switches and output circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
6.2.2 Measurement results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
6.2.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7 Conclusions 157
7 Zusammenfassung 159
Appendices 163
I Transistor and Diode Models 163
I.1 Angelov Transistor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
I.2 Schottky Diode Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
II The Modulation details 167
II.1 General denition based on CRFB resonator structure . . . . . . . . . . . . 167
II.1 .1 Basic odulation denitions based on CRFB structures . . . . . . 167
II.2 Modied CRFB resonator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
II.3 Transform from Z- to S-Domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
II.4 Pulse length distribution of sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

II.5 Calculation of ACPR and SNR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

System Analyses of Class-S Power Amplifier.pdf (12.83 MB, 下载次数: 388 )

an835142 · 发表于 2011-4-26 23:53:09

這是好的資料

dudiaoke · 发表于 2011-4-28 10:11:20

ddddddddddddddddddddddd

tangjiesemidev · 发表于 2011-4-29 12:54:24

好东西

xgfang · 发表于 2011-5-5 13:32:29

thank you very much

lovawoody · 发表于 2011-5-6 20:10:13

LOOK LOOK

rukawa_rek · 发表于 2011-8-7 10:03:58

正在學習PA設計~~~希望資料有大大幫助!!
謝謝大大的分享丫~~~
這本書真的很不錯
一定要下載的
讚讚讚!!!!!!!!!!!!!!!!

semico_ljj · 发表于 2011-8-7 11:26:58

nice...

jonathan2000 · 发表于 2013-1-4 08:55:27

kankan

xuleiwx · 发表于 2013-1-5 14:03:42

好东西，下载。

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