Amplificador de potência CMOS de baixo consumo com controle de ganho

Orientador : Prof. André A. Mariano, Ph.D.Co-orientador : Prof. Bernardo Leite, Ph.D.Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa: Curitiba, 27/03/2015Inclui referênciasÁrea de concentração: Sistemas EletrônicosResumo: Devido ao baixo custo e alto grau de integração das tecnologias CMOS, os sistemas de comunicações móveis podem ser encontrados em toda parte. Em sua grande maioria, os dispositivos móveis são alimentados por baterias, sendo indispensável recarregá-las ou substituí-las. Nesta situação, deve-se tomar cuidados para que os dispositivos sejam energeticamente eficientes. Em um transmissor de radiofrequência, o amplificador de potência é o bloco responsável por amplificar o sinal que será transmitido pela antena. Por sua vez, o amplificador de potência é um dos responsáveis pelo maior consumo de energia do sistema. Como estes amplificadores são tradicionalmente dimensionados para apresentar alto rendimento para níveis elevados de potência de saída, em níveis mais baixos de potência de saída a energia consumida é excessiva. Portanto, controlar o ganho e a potência de saída em amplificadores de potência de radiofrequência é essencial para maximizar a duração da vida útil da bateria. Neste trabalho, um amplificador de potência com controle de ganho é apresentado para aplicações em 2,4 GHz. O ganho de potência pode ser controlado digitalmente em seis modos através da combinação de três bits. Esta técnica foi utilizada para alcançar uma melhora na eficiência em potências de recuo. O projeto foi implementado usando uma tecnologia CMOS 0,13 ?m e é capaz de fornecer um ganho de potência variável entre 22,4 dB e 31 dB e uma eficiência máxima de 19 %, com uma fonte de alimentação de 1,8 V. A potência consumida pelo amplificador é reduzida de 196,2 mW no modo de maior ganho para 171 mW no modo de menor ganho, permitindo uma eficiência melhor quando o ganho máximo não é necessário para a transmissão. Palavras-chave: amplificador de potência; ganho variável; controle discreto de potência; CMOS; radiofrequênciaAbstract: Due to the low cost and high degree of integration of CMOS technologies, mobile communication systems can be found everywhere. Most of these mobile devices are powered by batteries, which must be recharged or replaced. In this situation, care must be taken for the devices to be energetically efficient. In a radiofrequency transmitter, the power amplifier is responsible for amplifying the signal to be transmitted by the antenna and accounts for a large part of the system power consumption. Since these amplifiers are traditionally sized to present their highest efficiency for high output power levels, when the required output power is lower, energy consumption is excessive. Therefore, controlling the gain and output power in radiofrequency power amplifiers is essential to maximize the duration of battery life. In this work, a power amplifier with gain control is presented for 2.4 GHz applications. The power gain can be digitally controlled in six steps by the combination of three bits. This technique was used to achieve an improvement in efficiency at power backoff. The design was implemented using a 0.13 ?m CMOS technology and is able to deliver a variable power gain between 22.4 dB and 31 dB and a peak power-added efficiency of 19 % with a 1.8 V power supply. The power consumption of the power amplifier is reduced from 196.2 mW in the highest-gain mode to 171 mW for the lowest-gain, allowing an enhanced efficiency when maximum gain is not required for transmission. Keywords: power amplifier; variable gain; discrete power control; CMOS; radiofrequenc