Stability investigation for high power amplifier stages at microwave and millimeter-wave frequencies

Modern electronic requires that the balance between the performances and technology advancements will be accompanied by reasonable cost. The integrated circuit approach seems to follow the balance path while that allows to obtain very good results introducing many advantages on both, economic and technology sides. However, the designer’s situation is far more complex than a pursuit to reach the performance goals with the simultaneous cost effective solution. Among the existing inevitable rules and requirements to any project, the stability pays extremely important role. Therefore, in order to succeed in any amplifier design it is vital to understand the importance of the stability matter. Consequently, thesis describe the basic stability concept together with the time and frequency domain based stability tests. For the sake of introducing the stability issue in a more familiar field of the microwave engineering, the commonly used circuit descriptions along with the frequency domain stability test methods applicable to them are demonstrated. Afterward, the particular problem of the odd mode instability is displayed, revealing the shortcomings of the classic and over trusted tests. The critical situation of not detected instability affects particular group of PA, making the designers’ actions a gamble. Then, various approaches to the problem of the contradictory requirements imposed at the power amplifiers designs allow to find different compromises. Among them a power combining approach serves a crucial role. Consequently, thesis emphasize the power combining’s importance, along with a specificity of the Integrated Circuit approach to it. The presented result is especially prone to the previously mentioned Odd mode instabilities so that assistance and guidance in solving this particular stability problem have become the goal of this work. Thus, two potentially useful methods that detect odd mode instabilities have been chosen and investigated. Ideas of the tests along with possible CAD implementations were drafted with the outcome of the analysis of the simple odd mode unstable amplifier. The CAD implementation of the Freitag method in case of the ideal corporate amplifier were investigated. Symmetry of such a structure permits great simplification when implementing the test. The example PA structures are stabilized by the means of the Freitag method. Later, they are compared with the Ohtomo test results. Inconsistency is noticed and the dedicated PA examples are applied to study its origin through the Time Domain simulation results. The end result lets to comprehend the limitations of the original method thus, the method gets improved and positively verified. Moreover, the automation of the procedure is defined. Furthermore, due to the contradictions of the Power Amplifier’s nature, as well as the condition of its small signal test, the Freitag method is extended to the Large-Signal/Small-Signal. More, the example circuit has been tested with the extended method, then the parametric odd mode instability has been detected. Eventually, the results are successfully verified by the means of the Time domain simulation. Ultimately, the dilemma of non ideal symmetry of the amplifier bisections is discussed. As a consequence, modification of the method was proposed and the generalized method was tested. In the end, the results were confronted with the Ohtomo tests, revealing full agreement between methods.

L’elettronica contemporanea richiede che vi sia equilibrio tra il miglioramento delle prestazioni e l’avanzamento della tecnologia, a sua volta accompagnato da costi ragionevoli. L'approccio a circuito integrato sembra soddisfare l’equilibrio richiesto, permettendo allo stesso tempo di ottenere risultati elevati ed introducendo numerosi vantaggi sia dal punto di vista economico che tecnologico. Tuttavia, la condizione del progettista è molto più complessa di un semplice inseguimento degli obiettivi di prestazioni elevate e costi ridotti. Tra i requisiti esistenti, uno inevitabile e di fondamentale importanza per ogni progetto è la stabilità. Di conseguenza, la tesi proposta descrive i concetti alla base della stabilità, accompagnati da prove di stabilità sia nel dominio del tempo che nel dominio della frequenza. Allo scopo di inquadrare il problema della stabilità con una modalità più familiare al campo dell'ingegneria delle microonde, essa viene descritta utilizzando gli approcci circuitali comunemente impiegati assieme ad i metodi di analisi nel dominio della frequenza ad essi applicabili. In seguito, si introduce il problema particolare della instabilità di modo dispari, evidenziando quindi le carenze del test comunemente impiegato. La criticità di quest’ultimo colpisce particolarmente amplificatori di potenza combinati, che sono quindi esposti ad elevati rischi di instabilità. Sono perciò introdotti diversi approcci per la soluzione del problema, che consentono di individuare il giusto compromesso tra i requisiti richiesti al progetto di amplificatori di potenza, essendo tali requisisti a volte anche tra loro contraddittori. Tra essi gioca un ruolo cruciale un approccio basato sulla combinazione di potenza. Di conseguenza, questa tesi mette in evidenzia l’importanza di tale approccio, focalizzandone la specificità nel caso di applicazione a Circuiti Integrati. Si è dimostrato infatti che alcune soluzioni progettuali, particolarmente impiegate nella tecnologia integrata, sono estremamente inclini alla sopra citata instabilità di modo Dispari, perciò la risoluzione di questo particolare problema di stabilità è divenuta l'obiettivo di questo lavoro. Due metodi, potenzialmente utili all’individuazione di instabilità di modo Dispari, sono stati quindi scelti e studiati. Inoltre, vengono presentati possibili test assieme ad esempi di implementazione in ambiente CAD al fine di analizzare la stabilità di modo Dispari in un semplice amplificatore,. E’ studiata l'attuazione del metodo di Freitag in ambiente CAD nel caso di amplificatore ideale di tipo combinato. Infatti, la simmetria posseduta da tale struttura permette una grande semplificazione per l’attuazione del test. Le strutture riportate come esempio sono quindi stabilizzate attraverso i mezzi di analisi del metodo di Freitag. I risultati ottenuti sono confrontati con quelli conseguiti dal test di Ohtomo. A seguito di questo confronto, è rivelata un’incoerenza che ha portato a dedicare particolari esempi di amplificatori, basati su simulazioni nel dominio del tempo, allo scopo di studiare l’origine di tale difformità. Il risultato finale consente di comprendere i limiti del metodo originale, permettendone inoltre il miglioramento. Sono quindi attuate le dovute verifiche del miglioramento apportato, individuando inoltre una procedura automatica per la sua implementazione. Inoltre, a causa dell’intrinseca contraddizione esistente nell’applicare analisi a piccolo segnale su sistemi di propria natura non lineari come gli amplificatori di potenza, il metodo di Freitag è stato esteso ad ambienti ad ampio segnale. A tal proposito, un circuito di esempio è testato con il metodo esteso, rivelando instabilità parametriche di modo Dispari. Infine, i risultati sono verificati con successo attraverso i mezzi messi a disposizione dalle simulazioni nel dominio del tempo. In conclusione, viene discusso il problema di analizzare amplificatori che non presentano piani di simmetria. Da qui, un’ulteriore modifica al metodo è stata proposta e testata, ottenendo così un’effettiva generalizzazione dello stesso. Il confronto tra i risultati ottenuti ed il test di Ohtomo ha infatti rivelato un pieno accordo tra i metodi.