Design of a UWB Pre-Driver Amplifier in 130 nm BiCMOS Technology for Sub-6GHz Applications

This thesis proposes the design of a Ultra-Wide-Band (UWB) Pre-Driver radio frequency (RF) Amplifier for sub-6GHz 5G applications. The RF Power Amplifiers (PAs) play the significant role of the main amplification of the input modulated signal in the RF transmit chain. At the same time, they could represent a not negligible source of distortion, which can distort the input signal and worsen the general performances of the whole communications system. Through the transmitter signal path, the Pre-Driver acts as a key element in the amplification process by aiding the whole system with its competitive linearity performances. The main purpose of this work is the investigation, via modeling and simulation, of state-of-the art architecture and techniques focused on bandwidth and linearity improvement of Pre-Driver RFPA design in Infineon BiCMOS 130 nm technology operating in the GHz range, according to 5G FR1 standard. The thesis starts with an introduction chapter containing the main Pre-Driver applications and the thesis organizations. After that, the main figures of merit and the basic notions concerning the RFPAs are presented in the second chapter, since this can aid to deepen the following ones. The core of this work is embodied in the third and the fourth chapters which present the analysis and the design of the concerned UWB Pre-Driver amplifier in single-ended fashion. The design criteria adopted will be presented next to the main though steps that could affect the amplifier performances, with their relative proposed solutions. The thesis concludes with the presentation of the test chip layout and the simulation results. In particular, the UWB class AB single-ended Pre-Driver shows, at f0=3.6 GHz, a P1dB output power level of 27.4 dBm, with a power gain of 19.5 dB, and a OIP3 of 37 dBm, at a supply voltage of 5 V. One of the main characteristic of the proposed design is that the performances are almost achieved in a wide bandwidth range of 3.2 GHz, spacing from 1.8 GHz to 5 GHz.

La presente tesi propone il progetto di un amplificatore di potenza Pre-Driver a banda ultra-larga per applicazioni delle radio frequenze (RF), in particolare quelle inerenti al 5G al di sotto dei 6 GHz. Gli amplificatori di potenza RF ricoprono un ruolo importante nella catena di trasmissione, ovvero quello di essere i principali responsabili dell'amplificazione del segnale modulato in ingresso. Allo stesso tempo, però, tali amplificatori possono rappresentare una sorgente di distorsione non trascurabile che tende a distorcere il segnale modulato, e questo può portare ad un peggioramento generale delle prestazioni dell'intero sistema di comunicazione. Lungo il percorso del segnale al trasmettitore, l'amplificatore Pre-Driver assume un ruolo chiave nel processo di amplificazione, aiutando l'intero sistema con le sue prestazioni in termini di linearità. Lo scopo principale di questo lavoro è quello di analizzare, tramite modelli e simulazioni, le architetture allo stato dell'arte e le tecniche principali utilizzate per il miglioramento delle prestazioni in termini di banda e linearità di amplificatori Pre-Driver che operano nel range dei GHz, secondo lo standard 5G FR1. Il progetto è stato realizzato utilizzando la tecnologia di Infineon SiGe BiCMOS 130 nm. La tesi inizia con un capitolo introduttivo sulle principali applicazioni dell'amplificatore Pre-Driver, per poi presentare la struttura del lavoro svolto. A seguire, viene introdotto il secondo capitolo, che racchiude le figure di merito e le nozioni base riguardanti gli RF Power Amplifier (PA), in modo da poter poi comprendere al meglio il contenuto dei capitoli successivi. Il cuore di questo lavoro, invece, è racchiuso nel capitoli tre e quattro, i quali presentano l'analisi e il progetto dell'amplificatore Pre-Driver a banda ultra-larga in versione single-ended. Attraverso la presentazione dei criteri di progetto adottati, vengono evidenziati anche i suoi passi più cruciali e l'approccio risolutivo con cui sono stati affrontati. La tesi si conclude con l'illustrazione del layout del test chip e dei risultati ottenuti. In particolare, l'amplificatore a banda ultra-larga Pre-Driver mostra alla frequenza operativa (f0=3.6 GHz) un livello di potenza in uscita al P1dB di 27.4 dBm, un guadagno in potenza di 19.5 dB, e un OIP3 di 37 dBm, ad una tensione di alimentazione di 5 V. Una delle caratteristiche principali del progetto è sicuramente il fatto che tutte le prestazioni sono raggiunte in una larghezza di banda molto ampia di 3.2 GHz, che spazia tra 1.8 GHz e 5 GHz.