Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärker mit GaN-Transistoren / Innovationen mit Mikrowellen und Licht Bd.18 (PDF)

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine umfassende Analyse des Klasse-S-Konzepts im Mikrowellen-Frequenzbereich. Es werden Voltage-Mode (VMCS) und Current-Mode (CMCS) Klasse-S-Verst¿arker, die auf GaN-MMICs basieren, für das 450 MHz -Band entworfen, realisiert und messtechnisch charakterisiert. Die Beiträge der Arbeit gliedern sich in drei Hauptthemen.
Zunächst wird ein Zeitbereichsmessplatz entwickelt. Dadurch ist es möglich, die Signalform der digitalen Leistungsschalter-MMICs, die in den Klasse-S-Verstärkern benutzt werden, zu analysieren. Verschiedene GaN Leistungsschalter-MMICs inklusive der jeweiligen Treiberschaltungen wurden charakterisiert. Sie erreichen eine Draineffizienz von bis zu 90%und breitbandige (digitale) Ausgangsleistungen von bis zu 20W.
Anschließend wird ein Schalter-basiertes Transistormodell vorgestellt, welches für Großsignalsimulationen von Schaltverstärkern im Zeitbereich entwickelt wurde. Es bietet den direkten Zugang zu den parasitären Elementen des Transistors wie z. B. den Drain-Source On-Widerstand Rds ON und die Drain-Source-Kapazität Cds. Dadurch kann man z. B. Verlustmechanismen genauer identifizieren. Aufgrund seiner einfachen Struktur konvergiert es bei gleicher Genauigkeit schneller als die Standardmodelle.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf, der Optimierung und der Analyse von Klasse-S-Verst¿arkern unter besonderer Betrachtung der dazugehörigen Ausgangsnetzwerke. Es wird eine detaillierte theoretische und praktische Untersuchung der Netzwerke für Voltage-Mode- und Current-Mode-Aufbau durchgeführt. Sie sind Schlüsselelemente für die Funktionsweise und die Effizienz des Klasse-S-Konzepts, besonders im Current-Mode, bei dem das Filter einen differentiellen Eingang hat. Realisiert wurden Verstärker sowohl in Current-Mode (CMCS) als auch in Voltage-Mode-Topologie (VMCS) f¿ur das 450 MHz - Band. Die erreichten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt für den “State-of-the-Art” von Klasse-S-Verstärkern im Mikrowellen-Frequenzbereich dar. Im Klasse-S-Betrieb mit einer 1-Ton Bandpass-ΔΣ (BPDS) Bitsequenz erreichen die VMCS- und CMCS-Verst¿arker Spitzenrggizienzen von 50 % und 41 % bei maximalen Ausgangsleistungen (Paus) von 3,4Wbzw. 9W. Vermindert man die kodierte Signaleingangsleistung um 10 dB, dann f¿allt die Draineffizienz jedoch unter 10 %. Obwohl die erreichten Ergebnisse Bestwerte f¿ur Mikrowellen-Klasse-S-Verstärker in diesem Frequenzbereich und für diese Ausgangsleistungen darstellen, müssen sie verbessert werden, um das Konzept konkurrenzfähig zu machen.
Nach der Identifizierung der Hauptverlustmechanismen wurden verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Effizienz, speziell bei power back-off, untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Variation der U¿ berabtastrate des BPDS-modulierten Signals zu keinen signifikanten Verbesserungen führt. Die Kodiereffizienz der Modulation jedoch spielt eine Schlüsselrolle im Hinblick auf Effizienz und Ausgangsleistung. Mit einem periodischem Rechtecksignal am Eingang, welches die maximale Kodiereffizienz aufweist, können Paus und Effizienz deutlich erhöht werden. Die Verstärker liefern bis zu 19 W im Current-Mode- und 7 W im Voltage-Mode-Aufbau. Das entspricht annähernd einer Verdopplung der BPDS-Resultate. Im Zuge der Untersuchungen zur Kodierung des Eingangssignals wurden die Klasse-S-Verstärker auch mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) zur Kodierung der Amplitude im back-off -Betrieb getestet. Dabei zeigt eine Version des Voltage-Mode-Aufbaus ohne Freilaufdioden nun 83 % Draineffizienz bei Vollaussteuerung (Paus = 3 W) und eine Verbesserung bei 10 dB power back-off von 11 % (BPDS) auf 40 %. Die Effizienz des Current-Mode-Verstärkers erhöht sich mit solch einem PWM-Signal auf 20 % bei 10 dB back-off (10 % f¿ur BPDS-Modulation). Die erreichten Resultate bilden darüber hinaus eine ausgezeichnete Grundlage für weitere Verbesserungen des Klasse-S-Konzepts im Hinblick auf Effizienz, speziell bei hohen power back-offs.