This dissertation presents a hybrid quadrature polar modulator (HQPM) to drive the power amplifier (PA) highly efficiently in a wireless RF transmitter with good potential for multi-mode operation. For enhancing the efficiency, a Class-E PA is used in the transmitter. The HQPM consists of a quadrature modulator for processing the RF modulated carrier and a Class-S modulator for processing the supply-voltage signal. The quadrature modulator and the Class-S modulator deliver the output signals with envelope variation before being inserted into the RF-input terminal and the supply-voltage terminal of Class-E PA, respectively, causing the double envelope modulation to distort the modulated RF signal at the PA output. Therefore, a digital predistorter is proposed to be embedded in the HQPM for compensation. The use of such predistorted HQPM techniques can help reducing the average DC and RF input powers and the output feed-through levels so as to enhance power added efficiency and adjacent channel power rejection quite remarkably.

In a wireless communication system, the RF signal integrity is often deteriorated by power amplifier (PA) nonlinearity and local oscillator (LO) pulling. This dissertation attempts to study power amplifier and local oscillator with the deliberate input distortion or interference for understanding, and hence improving, the resultant RF signal integrity issues. Furthermore, the scope of this study is extended to explore novel wireless applications. Based on the above thoughts, this dissertation includes three topics. The first topic is devoted to a baseband digital predistortion technique for enhancing the power amplifier linearity in a wireless RF transmitter. A digital predistorter has been designed to compensate the amplitude and phase distortion due to the nature of PAs, and the predistortion can enhance the linearity of linear PAs as well as switching-mode PAs. The second topic proceeds with a rigorous analysis of a local oscillator subject to injection signal. A phase-locked loop (PLL) under injection is analyzed in frequency domain to account for the inherent band-pass filtering on an injection signal. Such analysis can further predict the effect of co-frequency or co-channel interference on the PLL phase noise. A discrete-time analysis is also provided to predict output spectra of the LO pulled by a sinusoidal and modulated injection signal. The final topic presents a novel RF sensing circuit for a cognitive radio to sense spectral environment using injection locking and frequency demodulation techniques. The proposed RF sensing circuit can fast and reliably detect frequency and power for analog and digital modulation signals. In addition, the sensing principle and circuit architecture are delivered on theoretical basis developed in this dissertation. A discrete time approach is also investigated to compute the sensed output signal.

Inorganic alternating current electroluminescent devices (AC-ELs) are known for their ruggedness and extreme long-term reliability, which is why they can often been found in industrial and medical equipment as well as in applications in the military sector. In contrast to the inorganic phosphors used in AC-ELs, organic materials offer a number of advantages, in particular a significantly higher efficiency, easier processibility, and a wide selection of emitter materials spanning the entire visible spectrum. Several efforts towards alternating current driven organic light-emitting devices have recently been made, however, important operating mechanism are still not well understood. In the first part of this theses, alternating current driven, capacitively coupled, pin-based organic light-emitting devices are investigated with respect to the influence of the thickness of the insulating layer and the intrinsic organic layer on the driving voltage. A three-capacitor model is employed to predict the basic behavior of the devices and good agreement with the experimental values is found. The proposed charge regeneration mechanism based on Zener tunneling is studied in terms of field strength across the intrinsic organic layers. A remarkable consistency between the measured field strength at the onset point of light emission (3–3.1 MV/cm) and the theoretically predicted breakdown field strength of around 3 MV/cm is obtained. The latter value represents the field required for Zener tunneling in wide band gap organic materials according to Fowler-Nordheim theory. In a second step, asymmetric driving of capacitively coupled OLEDs is investigated. It is found that different voltages and/or pulse lengths for positive and negative half-cycle lead to significant improvements in terms of brightness and device efficiency. Part two of this work demonstrates a device concept for highly efficient organic light-emitting devices whose emission color can be easily adjusted from, e.g., deep-blue through cold-white and warm-white to saturated yellow. The presented approach exploits the different polarities of the positive and negative half-cycles of an alternating current driving signal to independently address a fluorescent blue emission unit and a phosphorescent yellow emission unit vertically stacked on top of each other. The electrode design is optimized for simple fabrication and driving and allows for two-terminal operation by a single source. The presented approach for color-tunable OLEDs is versatile in terms of emitter combinations and meets application requirements by providing a high device efficiency of 36.2 lm/W, a color rendering index of 82 at application relevant brightness levels of 1000 cd/m², and warm-white emission color coordinates. The final part demonstrates an approach for full-color OLED pixels that are fabricated by vertical stacking of a red-, green-, and blue-emitting unit. Each unit can be addressed separately which allows to efficiently generate every color that is a superposition of spectra of the individual emission units. The device is built in a top-emission geometrywhich is highly desirable for display fabrication as the pixel can be directly deposited onto the back-plane electronics. Furthermore, the presented device design requires only three independently addressable electrodes which simplifies fabrication and electrical driving. The electrical performance of each individual unit is on par with standard pin single emission unit OLEDs, showing very low leakage currents and achieving high brightness levels at moderate voltages of around 3–4 V.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit drei Ansätzen der hocheffizienten Erzeugung von weißem Licht mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) auf der Basis kleiner Moleküle. Ein Ansatz kombiniert die Emission eines fluoreszenten und zweier phosphoreszenter Emitter in einer einzelnen Emissionsschicht. Da das Triplettniveau des verwendeten Blauemitters niedriger ist als die Triplettniveaus der phosphoreszenten Emitter, werden die Konzentrationen der Emitter so gewählt, dass ein Exzitonenübertrag zwischen ihnen unterbunden wird. Die strahlungslose Rekombination von Tripletts auf dem fluoreszenten Blauemitter begrenzt die Effizienz dieses Ansatzes, jedoch besticht die resultierende weiße OLED durch eine bemerkenswerte Farbstabilität. Der zweite Ansatz basiert auf dem “Triplet Harvesting” Konzept. Ansonsten ungenutzte Triplett Exzitonen werden von einem fluoreszenten Blauemitter auf phosphoreszente Emitter übertragen, wodurch interne Quanteneffizienzen bis zu 100 % möglich sind. Der zur Verfügung stehende Blauemitter 4P-NPD erlaubt aufgrund seines niedrigen Triplettniveaus nicht den Triplett übertrag auf einen grünen Emitter. Daher wird das “Triplet Harvesting” auf zwei unterschiedliche phosphoreszente Emitter, anhand des gelben Emitters Ir(dhfpy)2acac und des roten Emitters Ir(MDQ)2acac untersucht. Es wird gezeigt, dass beide phosphoreszente Emitter indirekt durch Exzitonendiffusion angeregt werden und nicht durch direkte Rekombination von Ladungsträgern auf den Emittermolekülen. Eine genaue Justage der Anregungsverteilung zwischen den phosphoreszenten Emittern ist durch Schichtdickenvariation in der Größenordnung üblicher Schichtdicken möglich. Spätere Produktionsanlagen brauchen daher keinen speziellen Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden. Der dritte und zugleich erfolgreichste Ansatz beruht auf einer Weiterentwicklung des zweiten Ansatzes. Er besteht zunächst darin den Tripletttransfer auf den Übertrag von einem fluoreszenten blauen auf einen phosphoreszenten roten Emitter zu beschränken. Die sich ergebende spektrale Lücke wird durch direktes Prozessieren einer unabhängigen voll phosphoreszenten OLED auf diese erste OLED gefüllt. Verbunden sind beide OLEDs durch eine ladungsträgererzeugende Schicht, in welcher durch das angelegte Feld Elektron/Loch-Paare getrennt werden. Dieser Aufbau entspricht elektrisch der Reihenschaltung zweier OLEDs, welche im Rahmen dieser Arbeit individuell untersucht und optimiert werden. Dabei ergibt sich, dass die Kombination von zwei verschiedenen phosphoreszenten Emittern in einer gemeinsamen Matrix die Ladungsträgerbalance in der Emissionszone sowie die Quanteneffizienz der vollphosphoreszenten OLED stark verbessert. Als Ergebnis steht eine hocheffiziente weiße OLED, welche durch die ausgewogene Emission von vier verschiedenen Emittern farbstabiles Licht mit warm weißen Farbkoordinaten (x, y) = (0.462, 0.429) und ausgezeichneten Farbwiedergabeeigenschaften (CRI = 80.1) erzeugt. Dabei sind die mit diesem Ansatz erreichten Lichtausbeuten (hv = 90.5 lm/W) mit denen von voll phosphoreszenten OLEDs vergleichbar.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit drei Ansätzen der hocheffizienten Erzeugung von weißem Licht mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) auf der Basis kleiner Moleküle. Ein Ansatz kombiniert die Emission eines fluoreszenten und zweier phosphoreszenter Emitter in einer einzelnen Emissionsschicht. Da das Triplettniveau des verwendeten Blauemitters niedriger ist als die Triplettniveaus der phosphoreszenten Emitter, werden die Konzentrationen der Emitter so gewählt, dass ein Exzitonenübertrag zwischen ihnen unterbunden wird. Die strahlungslose Rekombination von Tripletts auf dem fluoreszenten Blauemitter begrenzt die Effizienz dieses Ansatzes, jedoch besticht die resultierende weiße OLED durch eine bemerkenswerte Farbstabilität. Der zweite Ansatz basiert auf dem “Triplet Harvesting” Konzept. Ansonsten ungenutzte Triplett Exzitonen werden von einem fluoreszenten Blauemitter auf phosphoreszente Emitter übertragen, wodurch interne Quanteneffizienzen bis zu 100 % möglich sind. Der zur Verfügung stehende Blauemitter 4P-NPD erlaubt aufgrund seines niedrigen Triplettniveaus nicht den Triplett übertrag auf einen grünen Emitter. Daher wird das “Triplet Harvesting” auf zwei unterschiedliche phosphoreszente Emitter, anhand des gelben Emitters Ir(dhfpy)2acac und des roten Emitters Ir(MDQ)2acac untersucht. Es wird gezeigt, dass beide phosphoreszente Emitter indirekt durch Exzitonendiffusion angeregt werden und nicht durch direkte Rekombination von Ladungsträgern auf den Emittermolekülen. Eine genaue Justage der Anregungsverteilung zwischen den phosphoreszenten Emittern ist durch Schichtdickenvariation in der Größenordnung üblicher Schichtdicken möglich. Spätere Produktionsanlagen brauchen daher keinen speziellen Genauigkeitsanforderungen gerecht zu werden. Der dritte und zugleich erfolgreichste Ansatz beruht auf einer Weiterentwicklung des zweiten Ansatzes. Er besteht zunächst darin den Tripletttransfer auf den Übertrag von einem fluoreszenten blauen auf einen phosphoreszenten roten Emitter zu beschränken. Die sich ergebende spektrale Lücke wird durch direktes Prozessieren einer unabhängigen voll phosphoreszenten OLED auf diese erste OLED gefüllt. Verbunden sind beide OLEDs durch eine ladungsträgererzeugende Schicht, in welcher durch das angelegte Feld Elektron/Loch-Paare getrennt werden. Dieser Aufbau entspricht elektrisch der Reihenschaltung zweier OLEDs, welche im Rahmen dieser Arbeit individuell untersucht und optimiert werden. Dabei ergibt sich, dass die Kombination von zwei verschiedenen phosphoreszenten Emittern in einer gemeinsamen Matrix die Ladungsträgerbalance in der Emissionszone sowie die Quanteneffizienz der vollphosphoreszenten OLED stark verbessert. Als Ergebnis steht eine hocheffiziente weiße OLED, welche durch die ausgewogene Emission von vier verschiedenen Emittern farbstabiles Licht mit warm weißen Farbkoordinaten (x, y) = (0.462, 0.429) und ausgezeichneten Farbwiedergabeeigenschaften (CRI = 80.1) erzeugt. Dabei sind die mit diesem Ansatz erreichten Lichtausbeuten (hv = 90.5 lm/W) mit denen von voll phosphoreszenten OLEDs vergleichbar.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / There are various types of power electronic converters available in recent days. In some applications (e.g. PC power supply), it is required to supply more than one load from a single power supply. One of the main challenges while designing a power converter is to increase its e ciency especially when the number of power switches employed is relatively large. While several loads are supplied from a single source, if the power loss in the switches cannot be reduced, then the expected utilization of using a single source is not very feasible. To reduce the loss and increase e ciency, the thesis presents a novel design with reduced number of switches. The scope of this thesis is not limited to the dc-dc converter only, the converter to supply three phase ac loads from a single dc source is also presented. This discussion includes an improved fault tolerant configuration of the inverter part. The generated waveforms from the simulations are included as a demonstration of satisfactory results.

Inorganic alternating current electroluminescent devices (AC-ELs) are known for their ruggedness and extreme long-term reliability, which is why they can often been found in industrial and medical equipment as well as in applications in the military sector. In contrast to the inorganic phosphors used in AC-ELs, organic materials offer a number of advantages, in particular a significantly higher efficiency, easier processibility, and a wide selection of emitter materials spanning the entire visible spectrum. Several efforts towards alternating current driven organic light-emitting devices have recently been made, however, important operating mechanism are still not well understood. In the first part of this theses, alternating current driven, capacitively coupled, pin-based organic light-emitting devices are investigated with respect to the influence of the thickness of the insulating layer and the intrinsic organic layer on the driving voltage. A three-capacitor model is employed to predict the basic behavior of the devices and good agreement with the experimental values is found. The proposed charge regeneration mechanism based on Zener tunneling is studied in terms of field strength across the intrinsic organic layers. A remarkable consistency between the measured field strength at the onset point of light emission (3–3.1 MV/cm) and the theoretically predicted breakdown field strength of around 3 MV/cm is obtained. The latter value represents the field required for Zener tunneling in wide band gap organic materials according to Fowler-Nordheim theory. In a second step, asymmetric driving of capacitively coupled OLEDs is investigated. It is found that different voltages and/or pulse lengths for positive and negative half-cycle lead to significant improvements in terms of brightness and device efficiency. Part two of this work demonstrates a device concept for highly efficient organic light-emitting devices whose emission color can be easily adjusted from, e.g., deep-blue through cold-white and warm-white to saturated yellow. The presented approach exploits the different polarities of the positive and negative half-cycles of an alternating current driving signal to independently address a fluorescent blue emission unit and a phosphorescent yellow emission unit vertically stacked on top of each other. The electrode design is optimized for simple fabrication and driving and allows for two-terminal operation by a single source. The presented approach for color-tunable OLEDs is versatile in terms of emitter combinations and meets application requirements by providing a high device efficiency of 36.2 lm/W, a color rendering index of 82 at application relevant brightness levels of 1000 cd/m², and warm-white emission color coordinates. The final part demonstrates an approach for full-color OLED pixels that are fabricated by vertical stacking of a red-, green-, and blue-emitting unit. Each unit can be addressed separately which allows to efficiently generate every color that is a superposition of spectra of the individual emission units. The device is built in a top-emission geometrywhich is highly desirable for display fabrication as the pixel can be directly deposited onto the back-plane electronics. Furthermore, the presented device design requires only three independently addressable electrodes which simplifies fabrication and electrical driving. The electrical performance of each individual unit is on par with standard pin single emission unit OLEDs, showing very low leakage currents and achieving high brightness levels at moderate voltages of around 3–4 V.