Cuvillier, E Klasse-S Mikrowellen-Leistungsverstärker mit GaN-Transistoren

Die vorliegende Arbeit präsentiert eine umfassende Analyse des Klasse-S-Konzepts im Mikrowellen-Frequenzbereich. Es werden Voltage-Mode (VMCS) und Current-Mode (CMCS) Klasse-S-Verstärker, die auf GaN-MMICs basieren, für das 450 MHz -Band entworfen, realisiert und messtechnisch charakterisiert. Die Beiträge der Arbeit gliedern sich in drei Hauptthemen. Zunächst wird ein Zeitbereichsmessplatz entwickelt. Dadurch ist es möglich, die Signalform der digitalen Leistungsschalter-MMICs, die in den Klasse-S-Verstärkern benutzt werden, zu analysieren. Verschiedene GaN Leistungsschalter-MMICs inklusive der jeweiligen Treiberschaltungen wurden charakterisiert. Sie erreichen eine Draineffizienz von bis zu 90%und breitbandige (digitale) Ausgangsleistungen von bis zu 20W. Anschliessend wird ein Schalter-basiertes Transistormodell vorgestellt, welches für Grosssignalsimulationen von Schaltverstärkern im Zeitbereich entwickelt wurde. Es bietet den direkten Zugang zu den parasitären Elementen des Transistors wie z. B. den Drain-Source On-Widerstand Rds ON und die Drain-Source-Kapazität Cds. Dadurch kann man z. B. Verlustmechanismen genauer identifizieren. Aufgrund seiner einfachen Struktur konvergiert es bei gleicher Genauigkeit schneller als die Standardmodelle. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf, der Optimierung und der Analyse von Klasse-S-Verstärkern unter besonderer Betrachtung der dazugehörigen Ausgangsnetzwerke. Es wird eine detaillierte theoretische und praktische Untersuchung der Netzwerke für Voltage-Mode- und Current-Mode-Aufbau durchgeführt. Sie sind Schlüsselelemente für die Funktionsweise und die Effizienz des Klasse-S-Konzepts, besonders im Current-Mode, bei dem das Filter einen differentiellen Eingang hat. Realisiert wurden Verstärker sowohl in Current-Mode (CMCS) als auch in Voltage-Mode-Topologie (VMCS) f¨ur das 450 MHz - Band. Die erreichten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt für den “State-of-the-Art” von Klasse-S-Verstärkern im Mikr