Integrated CMOS22 Wi-Fi 6 RF Power Amplifier

Abstract

Wi-Fi 6 on yksi uusimmista standardeista, jonka allianssi esitteli vuonna 2019 parantaen verkon kokonaiskapasiteettia aiempiin standardeihin verrattuna. Suurtehovahvistimen toteutus langattomiin sovelluksiin on perinteisesti ollut hallitsevaa tietyillä puolijohdeteknologioilla kuten galliumarsenidi (GaAs) ja galliumnitridi (GaN). Tässä opinnäytetyössä tutkitaan mahdollisuutta integroida Wi-Fi 6 -standardiin yhteensopiva langaton tehovahvistin lähetinvastaanotinsiruun käyttäen CMOS22 -puolijohdeteknologiaa, jolloin voidaan välttää tarve ulkoisille PA moduuleille, jotka lisäävät kustannuksia.

Suunniteltu Wi-Fi -suurtehovahvistin on toteutettu käyttämällä differentiaalista common-source vahvistintopologiaa, jonka differentiaalinen lähtösignaali muunnetaan yksipäiseksi. Vahvistimen fyysisen rakenteen parasiittiset vaikutukset otetaan huomioon käyttäen parasiittisten komponenttien mallinnustyökalua, sekä sähkömagneettista mallinnusta. Suorituskykyä simuloidaan piirisimulaattoreilla, ja lopuksi laboratoriomittaukset suoritetaan keskittyen 5 GHz:n toiminta-alueen suorituskykyyn.

Simuloitu tehovahvistus on 26 dB, ja maksimi saturoitunut lähtöteho on noin 27 dBm. Modulaation tarkkuusmittaukset MCS7:lle (64-QAM) osoittavat virhevektorin magnitudin (EVM) olevan alle −31 dB 16 dBm:n keskimääräisellä lähtöteholla.

Wi Fi 6 is one of the most recent standards introduced by the alliance in 2019 improving the overall capacity of the network over the previous standards. The implementation of high-power radio-frequency power amplifiers (PA) for wireless applications has traditionally been dominated by the semiconductor technologies such as GaAs and GaN. This thesis studies the feasibility to integrate a Wi-Fi 6 compatible wireless power amplifier (PA) into a transceiver chip using CMOS22 fabrication technology, to avoid the need for external front-end PA modules that increases the cost. The simulation results and the measurements are presented for the 5 GHz operating band.

The designed Wi Fi PA employs a differential to single-end common-source cascode topology. Layout parasitics are considered using parasitics extractor and electromagnetic modeling. The performance is simulated using circuit simulator tools, and finally lab measurements are performed focusing on the 5 GHz operating band performance.

The simulated performance shows 26 dB power gain and a saturated output power of approximately 27 dBm. Modulation accuracy measurements for MCS7 (64-QAM) shows an error vector magnitude (EVM) of less than −31 dB at 16 dBm average output power.