Hochfrequente Mehrstufen-Schaltverstärker im pulspositions- und pulsweitenmodulierten Betrieb zur effizienten Leistungsverstärkung von breitbandigen Mobilfunksignalen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Berroth
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420690209

Effiziente und gleichzeitig lineare hochfrequente Leistungsverstärker sind eine Schlüsselkomponente für die drahtlos und mobil vernetzte Welt. Hohe Effizienz und hohe Linearität schließen sich jedoch im klassischen Verstärkerentwurf der Klassen A, B und C gegenseitig aus. Eine aktuelle Methode zur Effizienzsteigerung führt die Versorgungsspannung der Einhüllenden des HF-Sendesignals annähernd nach. Dazu wird ein schneller und effizienter Versorgungsspannungsmodulator benötigt. Für die neuen über 100 MHz breiten Mobilfunksignale wird die Umsetzung dieses Modulators zunehmend schwierig.Mit zweiwertigen Signalen angesteuerte hochfrequente Schaltverstärker (SMPA) bieten die Möglichkeit, hohe Linearität und Effizienz gleichzeitig zu erreichen. Die Amplituden- und Phaseninformation des Sendesignals wird dabei mittels eines Pulsweiten- und Pulspositionsmodulators (PWPM) in ein zweiwertiges Signal kodiert. Mit diesen können dann Schaltverstärker angesteuert werden. Weil sehr kurze Pulse aufgrund der begrenzten Flankensteilheit der Ausgangsspannung von den SMPAs nicht verarbeitet werden können, leidet der auf PWPM und SMPAs basierende Verstärker in der Regel unter einer zu geringen Amplitudenauflösung. Der Grundgedanke des in diesem Vorhaben zu erforschenden digitalen Leistungsverstärkers besteht darin, die Phase und die Feinauflösung der Amplitude in der Pulsweite und der Pulsposition eines binärern HF-Signals zu kodieren. Mit diesen pulsweiten- und pulspositionsmodulierten zweistufigen HF-Signalen können dann effiziente Schaltverstärker angesteuert werden. Die Grobauflösung der Amplitude soll in wenige diskrete Ausgangsspannungs- (VM-SMPA) oder Ausgangsstromstufen (CM-SMPA) kodiert werden. Im Gegensatz zur Versorgungsspannungsnachführung wird dann kein schneller Versorgungsspannungsmodulator benötigt. Das zentrale Ziel dieses Projektes ist es, hochfrequente Mehrstufen-Schaltverstärker im Spannungs- und Strommodus zu erforschen und mit pulsweiten- und pulspositionsmodulierten Signalen anzusteuern, um hochfrequente Signale mit großem Dynamikumfang effizient und linear zu verstärken.Dieses übergeordnete Ziel soll in drei Schritten erreicht werden. Zuerst werden neue hochfrequente Mehrstufen-Schaltverstärkertopologien im Spannungs- (ML-VM-SMPA) und im Strommodus (ML-CM-SMPA) mit mehreren Ausgangssignalstufen in einer modernen 28 nm-FDSOI-CMOS-Technologie umgesetzt. Dann wird ein vorhandener Pulsweiten- und Pulspositions-Modulator-IC zur Ansteuerung der entworfenen Mehrstufen-Schaltverstärkern verwendet. Zuletzt werden Mobilfunk- und Drahtlossignalen mit hoher Bandbreite und hoher Bandbreiteneffizienz durch den kaskadierten Betrieb eines FPGAs (Basisband-Datenquelle), des PWPM-IC und der entworfenen hochfrequenten Mehrstufen-Schaltverstärker demonstriert. Der im Projekt adressierte Frequenzbereich reicht von 450 MHz bis 6 GHz und die angestrebte Ausgangsbandbreite beträgt bis zu 400 MHz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Markus Grözing