Distortion estimation methodologies and architectures for high linearity and efficiency power amplifiers in CMOS technologies

Abstract

This thesis deals with two different topics, both of which relate to the broader aspect of the linear behavior of circuits. The first part of the thesis presents methodologies for the estimation of harmonic distortion and intermodulation distortion that are applicable to linear CMOS circuits, while the second part presents a power stage architecture characterized by high linearity and efficiency. Harmonic and intermodulation distortion are two of the most important quantities that characterize the behavior of electronic circuits, and their estimation often proves to be a challenging task. Towards this direction, in the first thematic axis of the thesis, two systematic methods for the estimation of the aforementioned distortion types are presented. The proposed methods can be easily implemented in numerical computing environments and programming languages, are applicable to a wide variety of CMOS circuit topologies that exhibit weak nonlinear behavior, and offer high accuracy alongside with a fast computational profile. The methods rely on modeling a circuit as a structure of interconnected Gm–stages, where each one accurately captures the behavior of its corresponding circuit stage by means of an output current function dependent on its input, output voltages and cross–products of them. The distortion estimation is performed in the time–domain through two approximation steps, reducing the computational complexity and requiring only the solution of two systems of linear equations. The proposed methods are applied to various CMOS integrated circuit implementations in simulation environment, where their estimation accuracy and fast computational profile are validated. In the second thematic axis of the thesis, a power stage architecture characterized by high linearity and high efficiency is presented. The proposed architecture combines the excellent linearity of Class–A power stages with two continuously tracking supply rails that reduce power losses on the output devices while further improving the stage’s linearity. The dynamic supply rails are generated by two DC–DC converters capable of producing tracking supply voltages of frequencies up to a few tens of kHz, making the topology suitable for audio applications or low–frequency signal measurements. The theoretical analysis of the proposed power stage architecture is accompanied by a proof–of–concept integrated CMOS implementation in simulation environment, where the characteristics and advantages of the architecture are illustrated.

Η εν λόγω διατριβή καταπιάνεται με δύο διαφορετικά θέματα, τα οποία σχετίζονται αμφότερα με την ευρύτερη πτυχή της γραμμικής συμπεριφοράς κυκλωματικών διατάξεων. Το πρώτο μέρος της διατριβής αφορά στην ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων εκτίμησης αρμονικής παραμόρφωσης και παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης σε γραμμικά κυκλώματα CMOS, ενώ το δεύτερο κομμάτι αφορά στην ανάπτυξη και υλοποίηση μίας αρχιτεκτονικής σταδίου ισχύος υψηλής γραμμικότητας και απόδοσης. Η αρμονική παραμόρφωση (harmonic distortion) και η παραμόρφωση ενδοδιαμόρφωσης (intermodulation distortion) αποτελούν δύο από τα σημαντικότερα μεγέθη που χαρακτηρίζουν την συμπεριφορά ηλεκτρονικών διατάξεων, με την εκτίμησή τους πολλές φορές να αποδεικνύεται πολύπλοκο εγχείρημα. Προς αυτή την κατεύθυνση, στον πρώτο θεματικό άξονα της διατριβής παρουσιάζονται δύο συστηματικές μέθοδοι εκτίμησης των προαναφερθέντων ειδών παραμόρφωσης. Οι προτεινόμενες μέθοδοι μπορούν να υλοποιηθούν εύκολα σε αριθμητικά υπολογιστικά περιβάλλοντα και γλώσσες προγραμματισμού, εφαρμόζονται σε πληθώρα CMOS κυκλωματικών τοπολογιών που παρουσιάζουν ασθενή μη–γραμμική συμπεριφορά και προσφέρουν μεγάλη ακρίβεια εκτίμησης παράλληλα με υψηλή ταχύτητα εκτέλεσης. Οι μέθοδοι βασίζονται στην μοντελοποίηση του κυκλώματος ενδιαφέροντος ως μίας δομής διασυνδεδεμένων σταδίων διαγωγιμότητας (Gm–stages), τα οποία αποδίδουν με ακρίβεια την συμπεριφορά των αντίστοιχων τμημάτων που μοντελοποιούν μέσω μίας συνάρτησης ρεύματος εξαρτώμενης από τις τάσεις εισόδου, εξόδου και γινομένων τους. Η διαδικασία εκτίμησης της παραμόρφωσης γίνεται στο πεδίο του χρόνου μέσω δύο προσεγγιστικών βημάτων, όπου μειώνεται η υπολογιστική πολυπλοκότητα και απαιτείται απλά η επίλυση δύο συστημάτων γραμμικών εξισώσεων. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εφαρμόζονται σε διάφορες διατάξεις ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS σε περιβάλλον προσομοίωσης, όπου επιβεβαιώνεται η ακρίβεια και ταχύτητά τους. Στον δεύτερο θεματικό άξονα της διατριβής παρουσιάζεται μία αρχιτεκτονική σταδίου ισχύος η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλή γραμμικότητα και ταυτόχρονα υψηλή απόδοση. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική συνδυάζει την άριστη γραμμικότητα των σταδίων ισχύος τάξης–Α (Class–A power stages) με ένα σύστημα συνεχούς δυναμικής τροφοδοσίας για μείωση των απωλειών ισχύος στα τρανζίστορ εξόδου και επιπρόσθετη βελτίωση της συνολικής γραμμικότητας. Το σύστημα δυναμικής τροφοδοσίας αποτελείται από δύο DC–DC μετατροπείς (DC–DC converters) ικανών να παράξουν τάσεις τροφοδοσίας συχνοτήτων έως μερικές δεκάδες kHz, με στόχο την χρήση της τοπολογίας σε εφαρμογές αναπαραγωγής ήχου (audio) ή μετρήσεων χαμηλόσυχνων σημάτων. Η θεωρητική ανάλυση της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής σταδίου ισχύος ακολουθείται από μία proof–of–concept υλοποίησή της σε τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων CMOS σε περιβάλλον προσομοίωσης, όπου αναδεικνύονται τα χαρακτηριστικά και πλεονεκτήματα της αρχιτεκτονικής.