Ursachenbasierte Kompensation von Speichereffekten in Hochfrequenz-Leistungsverstärkern

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Friedel Gerfers, seit 5/2015
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 219249625

Heutige Mobilfunk-Standards stellen strenge Anforderungen an die Linearität und die Bandbreite von CMOS-basierten integrierten Transceivern und HF-Leistungsendstufen (RF-PAs). Moderne TX-Systeme nutzen daher digitale Vorverzerrungs-Algorithmen (DPD), um die Linearität möglichst effizient zu erhöhen. Leider reduzieren die in RF-PAs auftretenden elektrischen und thermischen Memory-Effekte die Leistungsfähigkeit einer einfachen, speicherlosen DPD erheblich. Als Gegenmaßnahme werden üblicherweise memorybehaftete DPD-Ansätze wie Memory-Polynome eingesetzt. Diese basieren auf Black-Box-Modellen und sollen die Speichereffekte weitestgehend ausgleichen. Sie sind jedoch deutlich komplexer und rechenintensiver als die speicherlosen DPD-Systeme.Die Grundidee unseres Forschungsvorhabens ist es, Memory-Effekte bereits im Leistungsverstärker-Design zu berücksichtigen und durch besseres Verständnis der physikalischen Ursachen gezielt zu reduzieren. Zu diesem Zweck möchten wir eine Entwicklungsstrategie für "Memory Aware Design" entwickeln, die sich auf verschiedene Verstärker-Topologien übertragen lässt. Teil dieser Methodik ist auch die Zuordnung charakteristischer Eigenschaften der AM/AM- und AM/PM-Trajektorien im Zeitbereich zu den physikalischen Ursachen, unabhängig von der genauen Topologie der Schaltung. Mit den angepassten Design-Methoden und neuen Schaltungstechniken sollen Memory-Effekte deutlich reduziert und mit einer Kompensationsschaltung möglichst vollständig kompensiert werden.In den ersten 19 Projektmonaten haben wir das vorhandene Zeitbereichs-Messsystem weiter verbessern können. Ein neuartiges elektrisch-thermisches Co-Simulationskonzept wurde in das Design-Framework integriert und erlaubt die gemeinsame Beurteilung elektrischer und thermischer Effekte bereits während der Entwurfsphase. Erste Kompensationsstrategien konnten in Simulationen und Messungen untersucht werden und zeigen erfolgsversprechende Ansatzmöglichkeiten. Die Entwicklung der eigentlichen Kompensationsschaltung führt die in den Vorarbeiten gewonnenen Erkenntnisse schließlich in ein Endergebnis zusammen. Durch die Integration von On- und Off-Chip-Sensoren für Strom und Temperatur werden sowohl thermische als auch elektrische Effekte adressiert. Neben der direkter Kompensation im Leistungsverstärker dienen diese Sensoren auch als Grundlage für Kompensationsmechanismen in der digitalen Basisbandverarbeitung. Ein umfangreiches Testkonzept garantiert die Zugänglichkeit aller benötigten Schaltungsknoten und erlaubt damit die Evaluierung der entstandenen Konzepte.Insgesamt ergibt sich mit den erarbeiteten Ansätzen und der neuartigen Kompensationsschaltung die Möglichkeit, Memory-Effekte auf sehr effizientem Weg - auch ohne memorybehaftete DPD-Ansätze - zu reduzieren. Damit wird die Integration von CMOS-Leistungsverstärkern bis hin zu Single-Chip-Transceivern als kostengünstige Alternativen zu III-V-basierten Technologien weiter vorangetrieben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Heinrich Klar, bis 5/2015 (†)