Design of Measurement Board for Dynamic Impedance Measurements on Envelope Tracking Amplifiers

Abstract

Denne hovedoppgaven presenterer et målekortdesign (offisielt kalt IVm Board) myntet på dynamiske strøm- og spenningsmålinger mellom en envelope tracker og en RFPA. Nye design- og målemetoder er foreslått for å øke ytelsen og for å oppnå optimale kretsparametere som oppfyller designkriteriene for båndbredde og effektbegrensninger. I tillegg er en bias tee-krets designet for å kunne måle IVm Board når DC-forspenninger påtrykkes. Måleoppsettet er spesifisert for å overholde integriteten til målinger og derfor også nøyaktigheten til karakteriseringen av IVm Board.

Kretskortet til IVm Board er tegnet i Altium Designer. Op-amp datablad er brukt for å konstruere forsterkerkretsene. Teknikker for å sikre god signal- og kraftintegritet er praktisert. Simulering av S-parametere i ADS finner komponentverdiene som gir de beste frekvensresponsene, stabilitet og lavt effektforbruk. Egenskaper som common-mode rejection og motstandstoleranse er også vurdert gjennom simuleringer. Bias Tee er designet ved bruk av SimSurfing og ADS, og kretskortet er tegnet i Altium Designer.

Måle- og kalibreringsmetoder er presentert. En to-ports VNA er brukt for å måle S-parametere. IVm Board, forspent gjennom Bias Tee, er målt med den foreslåtte målemetodikken for initiell og flippet tilstand, for polaritetsvurdering. En konvensjonell målemetode via oscilloskop verifiserer VNA-målingene av IVm Board. Bias Tee er målt med en VNA i flere runder for å oppnå alle portkombinasjoner.

Den målte, kvalitative båndbredden til Bias Tee er omtrent 2 GHz. Forsterkningene i stoppbåndene øker omtrent to dekader tidligere sammenlignet med simulerte reponser. VNA- og skopmålinger på IVm Board viser enighet. Spenningmålekretsen oppnår perfekt flat forsterkning opp til 200 MHz. Strømmålekretsen markerer et forsterkningsfall på 15 dB i passbåndet sammenlignet med simuleringer. Snur man IVm Board oppnås riktig frekvensrespons sammenlignet med simuleringer, men en marginal båndbredde på 200 MHz. Det observeres at endringer i frekvensresponser pga. forspenninger er neglisjerbare.

Metodene viser at IVm Board kan karakteriseres riktig. Bias Tee leverer forspenning til IVm Board med lite påvirkninger. Målinger beviser at IVm Board er upåvirkelig av sterk forspenning, og dermed en indikasjon på god common-mode rejection. Det viktigste utfallet fra målingene er det faktum at IVm Board er veldig sensitiv til høye motstandstoleranser, siden en snudd IVm Board gir korrekt frekvensrespons. IVm Board konkluderes som et halvt suksessfullt prototypedesign, som et resultat av de foreslåtte metodene.

This thesis presents the design of a measurement board (officially named IVm Board) intended for dynamic current and voltage measurements between an envelope tracker and an RFPA. New methods for design and measurements are proposed to increase the performance and to obtain the optimal circuit parameters which satisfies the design criteria for bandwidth and power limitations. In addition, a bias tee circuit is designed in order to measure the IVm Board when applying DC bias voltages. The measurement setup is specified to maintain measurement integrity, and thus also the accuracy of the IVm Board characterization.

The IVm Board PCB is captured in Altium Designer. Op-amp datasheets are used to design the amplifier circuits. Signal- and power integrity methods are applied to ensure good circuit performance. S-parameter simulations in ADS provide the component values which yield the best frequency responses, stability and low power dissipation. Properties like common-mode rejection and resistor tolerance are also assessed through simulations. The Bias Tee is designed using SimSurfing and ADS, and the PCB is captured in Altium Designer.

Methods for measurements and calibrations are presented. A two-port VNA is used to measure S-parameters. The IVm Board, biased through the Bias Tee, is measured with the proposed methods in an initial and flipped condition for polarity assessment. A conventional measurement method through oscilloscope verifies the VNA measurements of the IVm Board. The Bias Tee is measured with a VNA in several runs to obtain all the port combinations.

The measured, qualitative Bias Tee bandwidth is about 2 GHz. The gains in the stop-bands increase about two decades earlier compared with the simulated responses. VNA- and scope measurements on the IVm Board are in agreement. The voltage measurement circuit yields perfectly flat gain up to 200 MHz. The current measurement circuit marks a -15 dB gain drop in the pass-band compared with simulations. Flipping the IVm Board yields correct frequency responses compared to simulations, with a marginal 200 MHz bandwidth. It is observed that changes in frequency responses due to bias voltages are negligible.

The methods have proven to characterize the IVm Board successfully. The Bias Tee is biasing the IVm Board with minimal influences. From measurements, the IVm Board is proved to be invariant of strong biasing, thus, indicating good common-mode rejection. The most important outcome from the measurements is the fact that IVm Board is very sensitive to high resistance tolerances, as flipping the IVm Board yields correct frequency response. The IVm Board is concluded to be a semi-successful prototype design, as a result from the proposed methods.