Analysis and design of a 23dBm digital polar transmitter in 28nm FDSOI CMOS for IoT

In this thesis a digitally-intensive polar transmitter for IoT applications has been designed, by means of a class G switched-capacitor power amplifier (SCPA) and a Digital to Time Converted (DTC), to modulate amplitude and phase components. Both these structure significantly benefit from scaling, making attractive the adoption of a 28nm CMOS Fully Depleted Silicon on Insulator (FDSOI) technology node. The maximum and average transmitted power, according to the LTE Cat-M1 standard, are 23.6dBm and 17.6dBm, with a carrier frequency of 900MHz. The design at the schematic-level shows a peak and average efficiency of 67.5% and 59% respectively, with an area occupation, calculated through the sum between capacitors dimensions and W*L transistors' product, of almost 5430μm^2 (74μm x 74μm). The impact of AM/AM and AM/PM distortions of the SCPA has been also investigated. The simulations have shown that the AM/PM is 1.5°, while the AM/AM, evaluated by the INL of the SCPA, is 0.04LSB. To conclude, the EVM specifications are fulfilled with an output power between -12dBm and 23dBm.

In questa tesi è stato progettato un trasmettitore polare digitale per applicazioni IoT, utilizzando un classe G switched-capacitor power amplifier (SCPA) e un Digital to Time Converter (DTC), per modulare le componenti di ampiezza e fase. Le prestazioni di entrambe le strutture migliorano con lo scaling, quindi l'utilizzo di una tecnologia 28nm CMOS Fully Depleted Silicon on Insulator (FDSOI) risulta essere molto vantaggioso. La potenza massima e media trasmessa, rispettando le specifiche dello standard LTE Cat-M1, sono 23.6dBm e 17.6dBm, con una portante a 900MHz. Da schematico l'efficienza di picco e media sono rispettivamente 67.5% e 59%, con un'area, calcolata attraverso la somma tra dimensioni delle capacità e il prodotto W*L dei transistori, di 5430μm^2 (74μm x 74μm). Anche l'impatto della distorsione AM/AM e AM/PM sono stati valutati. Da schematico la distorsione AM/PM è 1.5°, mentre l'AM/AM, calcolata tramite l'INL dell'SCPA, è 0.04LSB. Infine, le specifiche di EVM sono rispettate con una potenza di uscita tra -12dBm e 23dBm.