Abstract Oversampling data converters based on Delta-Sigma modulation are a popular solution for modern high-resolution applications. In the design of digital-to-analog or analog-to-digital Delta-sigma converters there are common obstacles due to the difficulties on predicting and verifying their performance. Being a highly nonlinear system, a Delta-Sigma modulator’s (DSM) quantization noise and therefore the spurious tones are difficult to analyze and predict. Multi-bit DACs can be used to improve the performance and linearize the behavior of DSMs. However, this will give rise to the need for linearizing the multi-bit DAC. A popular DAC linearization method, data weighted averaging (DWA) shapes the DAC mismatch noise spectrum. There are many variants of DWA, for low-pass and band-pass DSMs. This thesis proposes a generalization which integrates a few published variants into one, broader DWA scheme. The generalization enables expanding the tone-suppression studies into a larger concept. The performance of one- or multibit DSMs is usually verified by simulations. This thesis proposes a simulation-based qualification (characterization) method that can be used to repeatedly verify and compare the performance of multibit DSM with a DAC mismatch shaping or scrambling scheme. The last contribution of this thesis is a very simple model for tonal behavior. The model enables accurate prediction of spurious tones from both DSMs and DWA-DACs. The model emulates the tone behavior by its true birth-mechanism: frequency modulation. The proposed prediction model for tone-behavior can be used for developing new tone-cancelation methods. Based on the model, a DWA linearization method is also proposed. / Tiivistelmä Delta-Sigma modulaatio on suosituin tekniikka ylinäytteistävissä datan muuntimissa. Riippumatta toteutustarkoituksesta (analogia-digitaali- tai digitaali-analogia-muunnos), Delta-Sigma (DS) modulaatiossa on yleisesti tunnettuja käyttäytymisen ennustamiseen liittyviä ongelmia. Nämä ongelmat ovat peräisin modulaattorin luontaisesta epälineaarisuudesta: DS-muunnin on nimittäin vahvasti epälineaarinen takaisinkytketty systeemi, jonka harhatoistojen ennustaminen ja analysointi on erittäin hankalaa. Yksibittisestä monibittiseen DS-muuntimeen siirryttäessä muuntimen suorituskyky paranee, ja muuntimen kohinakäyttäytyminen on lineaarisempaa. Tämä kuitenkin kostautuu tarpeena linearisoida DS-muuntimen digitaali-analogia (D/A) muunnin. Tällä hetkellä tunnetuin linearisointimenetelmä on nimeltään DWA (data weighted averaging) algoritmi. Tässä työssä DWA:lle ja sen lukuisille varianteille esitellään eräänlainen yleistys, jonka avulla algoritmia voidaan soveltaa sekä alipäästö- että kaistanpäästö-DS-muuntimelle. Kuten tunnettua, DS-modulaattorin analyyttinen tarkastelu on raskasta. Yksi- ja monibittisten DS-muuntimien suunnitellun käyttäytymisen varmistaminen tapahtuukin yleensä simulointien avulla. Työssä esitetään simulointiperiaate, jolla voidaan kvalifioida (karakterisoida) monibittinen DS-muunnin. Tarkemmin, kvalifioinnin kohteena on DWA:n kaltaiset D/A -muuntimien linearisointimentelmät. Kyseessä on pyrkimys ennen kaikkea toistettavaan menetelmään, jolla eri menetelmiä voidaan verrata nopeasti ja luotettavasti. Tämän väitöstyön viimeinen kontribuutio on matemaattinen malli harhatoistojen syntymekanismille. Mallilla sekä DS-muunnoksen että DWA-D/A -muunnokseen liittyvät harhatoistot voidaan ennustaa tarkasti. Harhatoistot mallinnetaan yksinkertaisella havaintoihin perustuvalla FM-modulaatiokaavalla. Syntymekanismin mallinnus mahdollistaa DS-muuntimien ennustettavuuden ja täten auttaa harhatoiston kumoamismenetelmien kehittämistä. Työssä esitetään yksi matemaattisen mallin avulla kehitetty DWA-D/A -muunnoksen linearisointimenetelmä.

Abstract This thesis studies the design methods and properties of supply-modulated switch-mode radio frequency power amplifiers. Besides simulation based studies and theory review, two amplifiers were designed: a discrete MESFET class E amplifier (0.5 W at 1 GHz), and an integrated pHEMT class E-1 amplifier (2.0 W at 1.6 GHz) with an on-chip resonator. The existing design methods of the resonant output network of switching amplifiers were reviewed and some extensions on the handling of nonlinear capacitances were proposed. The effects of varying supply voltage were studied and suggestions were given to minimize Vdd / AM and Vdd / PM distortion in supply modulated amplifiers. The implementation of the bias feed was also discussed resulting in proposing a combination of a short transmission line and a small inductor, which provides both fast supply modulation and little effect on harmonic impedances. The main contributions are related to the study of the input impedance of a class E power amplifier, where the effects of supply dependent input impedance and timing skew generated by injected harmonic distortion were analyzed. The stabilization of the amplifier was also discussed. Based on the findings, a push-pull class E amplifier with extra cross-coupled feedback capacitors and second harmonic traps at the gates appears to be a very good starting point for a further study. / Tiivistelmä Tämä väitöstyö käsittelee radiotaajuuksilla toimivien käyttöjännitemoduloitujen kytkintehovahvistimien ominaisuuksia ja suunnittelumenetelmiä. Suunnittelumenetelmiin liittyvän katsauksen ja simulaatioihin perustuvan tutkimusten lisäksi kaksi vahvistinta toteutettiin väitöstutkimuksen aikana: diskreettikomponentein toteutettu E-luokan vahvistin (MESFET, 0.5 W ja 1 GHz) ja integroituna piirinä toteutettu käänteinen E-luokan vahvistin (pHEMT, 2.0 W ja 1.6 GHz), jonka lähdön resonaattoripiiri sisällytettiin integroituun piiriin. Kytkinvahvistimien suunnittelumenetelmiä verrattiin ja kehitettiin edelleen siten, että suunnitteluvaiheessa voidaan ottaa huomioon esim. transistoripiirin takaisinkytkennässä olevan kapasitanssin epälineaarisuus. Työssä tutkittiin myös käyttöjännitemodulaation vaikutusta kytkinvahvistimien toimintaan, ja tutkimuksen tuloksena annettiin muutamia ehdotuksia käyttöjänniteriippuvan amplitudi- (Vdd / AM) ja vaihemodulaation (Vdd / PM) vähentämiseksi. Lähdön biasointipiirin toteutukseen suositeltiin pienen kelan ja siirtolinjan yhdistelmää. Yhdistelmän avulla pyritään maksimoimaan modulaationopeus ja minimoimaan vaikutukset harmonisiin impedansseihin. Pääkohtina väitöksessä ovat E-luokan kytkinvahvistimesta saadut tutkimus- ja mittaushavainnot käyttöjännitteen funktiona muuttuvasta transistorin tuloimpedanssista sekä suurikokoisen transistorin tuloissa tapahtuvan, säröytymisen aiheuttaman tulosignaalien ajoitusvirheen analyysi. Näiden lisäksi vahvistimen stabiilisuuteen kiinnitettiin huomiota. Saatujen havaintojen perusteella voimme todeta, että push-pull -tyyppinen E-luokan vahvistin olisi mielenkiintoinen valinta jatkotutkimuksille.