Efficiency and Linearity Improvement on a Two-Stage Power Amplifier using Drain- and Gate Modulation with Power Envelope Tracking

Abstract

Denne rapporten er en masteroppgave skrevet av Magnar Fossbakken Lundberg, ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet i Trondheim. Masteren er skrevet ved Institutt for elektroniske systemer, med Førsteamanuensis Morten Olavsbråten som veileder. Hovedtemaet for oppgaven er "Power Envelope Tracking" utført på en totrinns effektforsterker. Power Envelope Trackingen er brukt for å modulere drain-spenningen og gate-spenningen på transistorene for å øke effektiviteten i effektforsterken uten at lineariteten blir redusert.

Effektforsterkeren er laget for dette prosjektet og er en totrinns forsterker med harmonisk tuning i utgangsnettverkene i begge trinnene. Effektforsterkeren har en senterfrekvens på 2GHz, "transducer power gain" på 31dB, "power added efficiency" på 63%, maks utgangseffekt på 43dBm og små-signal forsterkning på 28.2dB.

Power Envelope Tracking er først testet i simulering og optimalisert for å gi høy effektivitet og linearitet. Deretter lages det en modell av effektforserkeren som brukes til å forsterke et 16-QAM signal. Forvregningen forårsaket av modellen og effektiviteten er beregnet. I simuleringen vil tre ulike Power Envelope Tracking-formler bli testet. Den ene skal gi høy effektivitet, den andre skal gi flat forsterkning og den tredje skal gi flat forsterkning og flat fase. De to første skal kun bruke modulasjon av drain-spenningen og den tredje skal bruke modulasjon av drain-spenningen kombinert med modulasjon av gate-spenningen. Med flat forsterkning og flat fase forblir effektiviteten lik som den var med kun modulasjon av drain-spenningen for kun å oppnå flat forsterkning.

Under målingene av tracking ble et 5MHz 16-QAM generert av et script i Matlab. Dette signalet ble forsterket av effektforsterkeren og forvregningen ble beregnet. På grunn av tidsbegrensninger som følge av noen problemer i oppsettet av utstyret brukt i testing av tracking, er kun modulasjon av drain-spenning testet. Med kun modulasjon av drain-spenning kan man se at lineariteten økte. Modulasjon av drain-spenningen for å få flat forsterkning ga en høyere effektivitet sammenlignet med modulasjon av drain-spenning for å få høy effektivitet. Resultatene fra simuleringene og målingene av tracking viser at effektiviteten og lineariteten i en effektforsterker kan forbedres ved å bruk av modulasjon av drain-spenningen gate-spenningen.

This report is a master thesis written by Magnar Fossbakken Lundberg, at the Norwegian University of Science and Technology in Trondheim. The master is written at the Department of Electronic Systems, with Associate Professor Morten Olavsbråten as supervisor. The main subject of this thesis is Power Envelope Tracking performed on a two-stage power amplifier. The Power Envelope Tracking is used to modulate the drain voltage and the gate voltage in the transistors to increase the efficiency of the power amplifier without decreasing the linearity.

The power amplifier is designed during the project and is a two-stage amplifier with harmonic tuning in the output matching circuit in both the stages. The design and simulation were performed using the software Advanced Design System from Keysight. The power amplifier has a center frequency of 2GHz, with a transducer power gain of 31dB, power added efficiency of 63%, a peak output power of 43dBm and a small-signal gain of 28.2dB.

The Power Envelope Tracking is firstly tested in simulation and optimized to get high efficiency and linearity. Later a model of the power amplifier is used to amplify a 16-QAM signal. The distortion caused by the model, and the efficiency is calculated. In the simulation three different Power Envelope Tracking formulas will be tested. One for high efficiency, another for flat gain and one for flat gain and flat phase. The first two will only use drain voltage modulation and the third will use drain voltage modulation combined with gate voltage modulation. With flat gain and flat phase the linearity increased, and the efficiency stayed the same compered with drain modulation to get flat gain.

During the tracking measurements a 5MHz 16-QAM signal was generated using a Matlab script. This signal was amplified using the power amplifier and the distortion is then calculated. Due to the time constraints caused by issues with the setup used in the tracking measurements only drain voltage modulation was tested during the tracking measurements. With only drain voltage modulation to get flat gain one can see the linearity increases. Drain voltage modulation for flat gain gave a higher efficiency compered with drain voltage modulation for high efficiency. The results from the simulation and the tracking measurements shows that the efficiency and linearity of a PA can be increased using drain voltage modulation combined with gate voltage modulation.