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Stefan Gerlich

• The thesis addresses the design of monolithically integrated radio frequency amplifiers for X-band applications. The focus is on low-voltage low-noise amplifiers and efficient power amplifiers with high output power level. The challenge here is to realize stable amplifiers with remarkable performance metrics at low supply voltages. The general approach for stabilization amplifiers in the above frequency range is the use of a cascode topology which, however, requests higher supply voltages then single transistor operation. By using a special passive frequency-selective feedback, the use of the cascode topology could be avoided, and the amplifiers are stabilized over the entire frequency spectrum. Simultaneously, this feedback is used to neutralize the intrinsic feedback of the transistor at operating frequencies. As a result, a frequency dependent performance degeneration of the transistor can be mitigated. This work describes the influence of the passive frequency-selective feedback. Its usage as well its limitation are explainedThe thesis addresses the design of monolithically integrated radio frequency amplifiers for X-band applications. The focus is on low-voltage low-noise amplifiers and efficient power amplifiers with high output power level. The challenge here is to realize stable amplifiers with remarkable performance metrics at low supply voltages. The general approach for stabilization amplifiers in the above frequency range is the use of a cascode topology which, however, requests higher supply voltages then single transistor operation. By using a special passive frequency-selective feedback, the use of the cascode topology could be avoided, and the amplifiers are stabilized over the entire frequency spectrum. Simultaneously, this feedback is used to neutralize the intrinsic feedback of the transistor at operating frequencies. As a result, a frequency dependent performance degeneration of the transistor can be mitigated. This work describes the influence of the passive frequency-selective feedback. Its usage as well its limitation are explained using the examples of a realized low noise amplifier and different power amplifiers. Further, the design of radio frequency amplifiers at X-band frequencies that employs silicon-germanium heterojunction bipolar transistors is described. All amplifiers were either incorporated in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS technology or in a 0.35 µm SiGe:C bipolar technology. The main achievements of this work include: - A 8.7 GHz narrow-band low noise amplifier incorporated in a 0.35 µm SiGe bipolar technology. The noise figure is 2.2 dB and the gain 28 dB at a supply voltage of 3 V. The low noise amplifier was subsequently used for a design of a double-balanced I/Q mixer. - Two packaged high efficient power amplifiers operating at a center frequency of 12 GHz. They are incorporated in a 0.35 µm SiGe bipolar technology. One amplifier uses a transformer-based output matching network and achieves 30.9 % of power-added efficiency and 23.9 dBm of maximum output power at a supply voltage of 1.8 V. The second amplifier utilizes an LC-balun for impedance matching at the output and a power-added-efficiency of 38 % at 1.8 V is measured. The maximum output power was 23.4 dBm. - A power amplifier in a 0.35 µm SiGe bipolar technology that uses power combining techniques to achieve 30 dBm (1 W) and 30 % of power-added efficiency at 10 GHz and 2 V supply voltage. - Two power amplifiers, incorporated in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS technology, demonstrating the capability of a non-advanced SiGe process to be used for radio frequency power applications. Power combining techniques, the use of the passive frequency-selective feedback and layout optimization enables the realization of power amplifiers which exhibit an output power of 30 dBm and a power-added efficiency of 35 % at supply voltages lower as 2.6 V.…
• Die Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von monolithisch integrierten Hochfrequenzverstärkern für X-Band Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf rauscharmen Niederspannungs-Verstärkern und effizienten Leistungsverstärkern mit hoher Ausgangsleistung. Die Herausforderung hierbei ist es stabile Verstärker mit markanten Leistungswerten bei niedrigen Versorungsspannungen zu realisieren. Der allgemeine Ansatz zur Stabilisierung von Verstärkern im genannten Frequenzbereich erfolgt über die Verwendung einer Kaskode, welche jedoch höhere Versorungsspannung benötigt als der Einsatz eines einzelnen Einzeltransistor. Durch den Einsatz einer speziellen passiven frequenzselektiven Rückkopplung konnte die Verwendung einer Kaskoden-Topologie vermieden werden und die Verstärker werden über das gesamte Frequenzspektrum stabilisiert. Gleichzeitig ermöglicht die eingesetzte Rückkopplung eine Neutralisierung der intrinischen Rückkopplung des Transistors. Infolgedessen kann die frequenzbedingte Leistungsverschlechterung des TransistorsDie Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von monolithisch integrierten Hochfrequenzverstärkern für X-Band Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf rauscharmen Niederspannungs-Verstärkern und effizienten Leistungsverstärkern mit hoher Ausgangsleistung. Die Herausforderung hierbei ist es stabile Verstärker mit markanten Leistungswerten bei niedrigen Versorungsspannungen zu realisieren. Der allgemeine Ansatz zur Stabilisierung von Verstärkern im genannten Frequenzbereich erfolgt über die Verwendung einer Kaskode, welche jedoch höhere Versorungsspannung benötigt als der Einsatz eines einzelnen Einzeltransistor. Durch den Einsatz einer speziellen passiven frequenzselektiven Rückkopplung konnte die Verwendung einer Kaskoden-Topologie vermieden werden und die Verstärker werden über das gesamte Frequenzspektrum stabilisiert. Gleichzeitig ermöglicht die eingesetzte Rückkopplung eine Neutralisierung der intrinischen Rückkopplung des Transistors. Infolgedessen kann die frequenzbedingte Leistungsverschlechterung des Transistors abgeschwächt werden. Diese Arbeit beschreibt den Einfluss der passiven frequenzselektiven Rückkopplung. Ihre Verwendung als auch ihre Anwendungsgrenzen werden anhand eines realisierten rauscharmen Verstärkers und verschiedenen Leistungsverstärkern erklärt. Weiterhin wird der Entwurf von Hochfrequenzverstärkern für X-Band Frequenzen erläutert, die Siliciumgermanium Heterostruktur-Bipolartransistor verwenden. Alle Verstärker wurden entweder in einer 0.25 µm SiGe:C BiCMOS-Technologie oder in einer 0.35 µm SiGe:C Bipolar-Technologie realisiert. Wichtige Ergebnisse, die in dieser Arbeit enthalten sind: - Ein 8.7 GHz schmalbandiger rauscharmer Verstärker, welcher in einer 0.35 µm SiGe Bipolar-Technologie gefertigt wurde. Die Rauschzahl beträgt 2.2 dB und die maximale Verstärkung 28 dB bei einer Versorgungsspannung von 3 V. Dieser Verstärker wurde im Anschluss für das Design eines doppelt-symmetrischen Mischers verwendet. - Zwei hoch effiziente und gehäuste Leistungsverstärker, welche bei einer Mittenfrequenz von 12 GHz betrieben werden. Sie wurden in einer 0.35 µm SiGe Bipolar-Technologie realisiert. Ein Leistungsverstärker verwendet als Ausgangsanpassnetzwerk einen Transformator und erreicht einen Leistungswirkungsgrad von 31.5 % und eine Ausgangsleistung von 23.9 dBm bei einer Versorungsspannung von 1.8 V. Der zweite Verstärker verwendet zur Impedanzanpassung einen LC-Balun am Ausgang und es wurde ein Leistungswirkungsgrad 37.9 % bei 1.8 V gemessen. Die maximale Ausgangsleistung betrug 23.4 dBm. - Ein Leistungsverstärker in einer 0.35 µm SiGe Bipolar-Technologie welcher durch Leistungskombinierung eine Ausgangsleistung von 30 dBm (1 W)und einen Leistungswirkungsgrad von 30 % erreicht. Die Versorgungspannung liegt bei 2 V. Zwei Leistungsverstärker, gefertigt in einer 0.25 µm SiGe:C BiCMOS-Technologie, demonstrieren die Möglichkeit einen weniger fortschrittlichen SiGe-Prozesses für Hochfrequenz-Leistungsanwendungen zu verwenden. Leistungskombinierung, die Verwendung der passiven frequenzselektiven Rückkopplung und Layoutoptimierung ermöglichten die Realisierung von Leistungsverstärkern mit 30 % Ausgangsleistung und einem Leistungswirkungsgrad von 35 % bei Versorgungsspannungen unter 2.6 V.…