Linéarisation d'un émetteur mixte (analogique et numérique) utilisant une boucle cartésienne en technologie CMOS 65nm pour les communications mobiles avancées

Linearization of a transmitter using an IC digital/analog cartesian feedback in 65nm CMOS for advanced communication standards

• Auteur / Autrice : Nicolas Delaunay
• Direction : Eric Kerhervé, Nathalie Deltimple
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 20/12/2012
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Belot, Dominique Dallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Louis Cazaux, Jean-Michel Nébus

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Amplificateurs de puissance

UMTS (norme)

Téléphonie mobile

Mots clés libres

Linéarisation

Amplificateur de puissance

Boucle cartésienne

Standard W-CDMA

Technologie CMOS

Linearization

Power Amplifier

Cartesan Feedback

W-CDMA standard

CMOS technology

Résumé

Depuis la première génération de téléphone mobile, de nombreuses fonctions et outils ont été intégrés dans nos terminaux. Il y a vingt ans, nous utilisions nos téléphone pour émettre des appels et envoyer/recevoir des messages. Aujourd’hui, l’accès à internet, la radio, l’appareil photo, des jeux et de la musique sont des fonctionnalités que l’on retrouve dans nos téléphones mobiles.Dans un contexte de téléphonie pouvant adresse plusieurs standards, l’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser l’implémentation d’une architecture capable d’améliorer la linéarité de notre émetteur pour le standard 3G, utilisant des composants analogiques et numériques. Pour cela, notre étude se concentrera sur l’amélioration de la linéarité, tout en maintenant une consommation la plus faible possible mais également tout en évitant d’augmenter la taille d’une puce 3G. Nous allons démontrer qu’il est possible d’intégrer une technique de linéarisation tout en maintenant une consommation et une surface en silicium.Le premier chapitre présente différentes architectures d’émetteurs et des techniques de linéarisation avec leurs avantages et inconvénients. Il est également présenté des moyens d’évaluer l’efficacité d’un émetteur par des simulations ou des mesures. L’objectif de cette partie est de choisir une technique de linéarisation à laquelle nous associerons une architecture d’émetteur afin de répondre le plus rigoureusement à notre application et ces contraintes émanant.Le second chapitre détaille le fonctionnement du système complet, la partie numérique et la partie analogique, s’appuyant sur des études théoriques. Nous commencerons en détaillant les contraintes et les précautions qui doivent être prises en compte par le concepteur afin d’étudier l’instabilité et le bruit produit par l’émetteur. Nous décrierons alors deux algorithmes numériques permettant de réaliser la correction des signaux. Des simulations au niveau système de la boucle Cartésienne seront également présenté utilisant, dans un premier temps un amplificateur de puissance idéal, pour ensuite utilisé un amplificateur de puissance réalisé en technologie BiCMOS, et finalement un amplificateur de puissance conçu en technologie CMOS, qui est celle choisie pour notre étude.Le troisième chapitre présente la synthèse de la partie numérique en technologie CMOS des deux algorithmes précédemment cités, elle prend en compte toutes les étapes ; du code VHDL jusqu’au layout, permettant de réaliser un circuit numérique. Ensuite, il est décrit chaque composant de la boucle cartésienne, avec leurs propres simulations ou mesures. De plus, il est important de garder à l’esprit que l’objectif de cette thèse repose sur l’intégration du système complet (partie analogique et numérique) en technologie CMOS 65nm de STMicroelectronics, démontrant ainsi la faisabilité de la solution.Dans un premier temps, nous décrirons la partie numérique permettant de réaliser les étapes de correction de phase et de soustraction des signaux en technologie ASIC. L’algorithme de CORDIC a pour avantage de minimiser la consommation et l’occupation en Silicium de la partie analogique. Par la suite, l’architecture et les spécifications de chaque brique de base constituant la partie analogique seront présentées. Dans notre cas, la chaîne directe est composée de filtres, de mélangeurs, et d'un amplificateur de puissance. Notre objectif est de réaliser ces trois fonctions avec le minium de consommation et une surface du circuit la plus faible possible, ceci permettant une intégration plus aisée.Finalement, les simulations système seront présentées utilisant le logiciel de simulation ADC (Advanced Design Software) d’Agilent pour la partie analogique. Des co-simulations ont été réalisées sur le système complet, utilisant SystemVue pour la partie numérique. Les simulations réalisant ADS nous ont fourni les performances de chaque brique de base s’appuyant sur les caractéristiques des transistors.

Since the first generation of mobile phones, a lot of functions, standards and tools have been integrated on handsets. Twenty years ago, consumers could use their mobile phones only to call and to send messages. Nowadays, internet access, radio, cameras, games and music are included and available as options for every mobile phone.All of these new services make the cost of production for a cellular phone more expensive. Despite that, industry has to find a solution to maintain their products the most attractive as possible including the large range of integrated functions.In the context of interaction with other standards, the aim of this thesis is to design and implement a chipset able to improve the linearity of a transmitter for third generation mobile phones, using both digital and analog technologies. For this purpose, the study will focus on the improvement of the linearity, keeping the consumption and the die area of the circuit as small as possible. We will prove that linearization on an integrated circuit is possible with almost the same consumption and die area occupation compared to a classic transmitter.The first chapter presents the different architectures used for a transmitter and various linearization techniques with their advantages and drawbacks. Some metrics are also presented in order to evaluate these architectures. The goal of this part is to choose a linearization technique associated to a transmitter in order to fit with our application and constraints.The second chapter explains the complete system, digital and analog parts, with theoretical studies. We will start by detailing the constraints and precautions that must be taken into account by the designer to study the instability and the noise generated by the transmitter. We will describe how two algorithms make signal corrections. In the last part we will show system level simulations of the Cartesian Feedback using, first, an ideal power amplifier (PA), then, a PA in a BiCMOS technology, and finally, a PA in a CMOS technology that will be used for the final integrated circuit.The third and last chapter shows the digital synthesis in a CMOS technology of the two algorithms previously mentioned, considering all steps, from the VHDL code until the layout of the digital part. We will describe and simulate each analog building block of the Cartesian Feedback, with the measurement results for some of them. Each chapter will be working towards the goal of this study, demonstrated in this part: to make an integrated system, with its complete solution and simulations.This chapter presents the integration of the analog and digital Cartesian Feedback described previously in 65nm CMOS technology from STMicroelectronics. First, the digital part generating the phase correction and subtraction will be shown in ASIC technology, with a CORDIC algorithm to reduce its consumption and size. Secondly, the architecture and specification of building blocks will be shown. In our case, the direct path is composed of filters, RF modulator and a Power Amplifier. Our objective is to design these three functions to minimize the consumption and the silicon area of the integrated architecture. Finally, system level simulations will be presented using the ADS (Advanced Design Software) from Agilent for the analog part. Co-simulations have been done to analyze the whole system, with SystemVue for the digital part. The simulations using ADS will provide the performance of each building block on the transistors level.