Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   11 ,  No.   1 ,  Febr uar y   2021 , pp.  772 ~ 779   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v11 i 1 . pp772 - 779          772       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om   A  two - s t age pow er ampli fier desi gn for u ltra - wide band   appli ca ti ons       Idrees S .   Al - K ofah i,  Z aid A l ba t aine h,   Ahm ad   D agamse h   Hijj awi   Facult y   for  Engi n ee r ing Te chno log y ,  Al  Yarm ouk  Univer sit y ,  Jordan       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J un  29,  2020   Re vised  Jun  25 ,   20 20   Accepte d  Aug 6 , 2 020       In  thi s  pape r,   a  two - stage   0. 18  μm   CMOS  pow er  amplifi er  (P A)  for  ult ra - w i d e b a n d   ( U W B )   3   t o   5   G H z   b a s e d   o n   c o m m o n   s o u r c e   i n d u c t i v e   d e g e n e r a t i o n   with  an  auxi lia r y   amplifier  is  proposed.   In  thi s  proposal,   a n  auxi lia r y   amplifi er  is  used   to  pla ce   th e  2n d  har m on ic   in  the   cor e  amplif ie d   in  orde r  to  m ake   up  for  the  gai n  pro gre ss io n  phenomena   at  the   m a in  ampli fie r  ou tput  node.   Sim ula t io n  result s  show   a  power  gai n  of  1 6  dB  with  a  ga i n  fla tn ess  of  0. 4  dB  and  an  i nput  1  dB  compress ion  of  about  - 5  dBm   from   3   to  5  GH z   us i n g   a   1 . 8   V   p o w e r   s u p p l y   c o n s u m i n g   2 5   m W .   P o w e r   a d d e d   e f f i c i e n c y   ( P A E )   o f   a r o u n d   4 7 %   a t   4   G H z   w i t h   5 0   Ω   l o a d   i m p e d a n c e   w a s   a l s o   o b s e r v e d .     Ke yw or d s :   CM OS   Lo w no ise  am plifie r   Power a m plifier   To po l og ie s   Ultra - wide band (U WB)   This   is an  open   acc ess arti c le un der  the  CC  B Y - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Zai d Albatai ne h,   Hijjawi  Facult y for E ngineeri ng Tec hnology ,   Al Y a rm ou k U niv e rsity ,   Irbid, J ordan.   Em a il :  zai d. batai neh@yu.e du. j o       1.   INT R ODU CTION   Digital   pulse   wireless ,   m or e  com m on ly   known   as  ultr a - wi deb a nd  is   a  hi gh  ba nd width  ra dio   te chnolo gy  is  us e d  f or   s hort  range  an d  lo w - pow er  c ommun ic at io ns   [ 1 - 5 ] .  U WB  has  com e  to  be  known  as     a  direct  c om petit or   to  blu et ooth  an d  WiM ax   as  it   can   f ully   util iz e  high  da ta   rate  al ong  with  wide  sp e ct ru m   eff ic ie ncy  wh il e u si ng less  or   ver y l ow po we r  tra ns m issi on   [6 - 15] .    Ther e   is  a  pro blem   reg ard i ng  the   tran sm is sion   of  data  up  to  480  Mb ps.  T wo   so l utio ns   hav e   bee n  pro po se d  by  the  IEEE 802.15.3a .  The  fi rst  prop os al   is  the  m ulti ban d  or t hogonal   fr eq ue ncy  div isi on   m ul ti plexing   ( MB OF DM )  U WB  an d  t he  se cond  represe nt s   the  direct  se quence   co de  divi sion   m ulti ple  acce ss  (D S _C DMA )  U W B   [ 16 - 25] .   The   first   ge ne rati on  U WB  sy stem   us es  a  l ow - fr e quency  ba nd  of  3. 5   t o  5 .1   G Hz  in  it s  required   appr oach .  U nder  this  set   up  the  m ai n   app li cat ion   f or   ultra - wide band   syst e m s  being   W i Me di a   Alli ance  de scr ipti on s   act s  as   short - ra ng e   hi gh - data  com m un ic at io n   syst e m s .  This  is  use d  in   the  co nsum er  el ect ro nics   fie ld  c om po sed   of  m ob il e  cel lular   pho nes ,  l apto ps ,   an d  di gital   ca m eras.  More over ,  t hi s  is     the  foundati on al   transpor t  pr oto c ol  us ed  by  blu et ooth   co m m un ic at ion   syst e m   v 3.0   an d  W irel ess  U S B - base d  syst e m  [ 26 - 32] .   Transm i tt er  de sign s   are   c halle ng e d  by  t he  powe r  am plifie r   (PA)   ci rc uits  because   of  the   dem and s  of   high  eff ic ie nc y,  appropr ia te   ou t pu t  po wer ,  high  syst em   gain,   an d  broa d - ba nd  input  m at ching   syst em   even  wh e n  us in g  l ower pow e r  c on su m ption .  T he se  crit eria pu t chall enges  f or transm itter  des ign   e ve n  wh e n  var i ou s   topolo gies  in  the  sam e  m an ner   w it h  m at c hing - base d  a nd   resist ive - s hunt  fee db ac k  t opolog ie s   a re   us e d.    Fo r  ge ner al   pur poses,  th e  topolo gy  that  is  us e d  is  bac ked   by  the  a m pl ifie r  requir e m ents  and   fe at ur es .     The  m ai n  fea ture  c onside ra ti on s  a re  desirab le   e ff ic ie nc y   le vel,   po we r  co ntr ol   a nd  h igh   li nea rity ,  an d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A tw o - st ag e  po we r amp li fi er  desig n  f or   ultra - wi de band  ap plicati ons  ( I dre es S. Al - K ofahi )   773   eff ic ie ncy.  T his  pap e r   us es  a   two - sta ge  co m m on   so urces   (CS)   inducti ve   deg e ner at io n  with  feedback   power  a m plifie r  f or  ultra - wide band   fro nt - e nd  tran scei ver .   T he  pro posed   am pli fier  us es  0.1 8  μm   CM OS   process .     The  casc ode  st ru ct ur e  will   be   u se d  f or  the  fi rst  ste p   of  the  powe r  am plifier   by  optim iz in g   process  i n  or der   t o  get  the   m axi m um   po ssible   ga in.  A   c om on   so urce   am plifie r   w hich  is  em plo ye d  as  a  se cond  ste p  to  e nh a nce   the  po wer  ad de d  e ff ic ie ncy  (PAE)  b y  util iz ing  the   fee dback   in the c omm on  s ource  am plifi er .     The  rest  of   t his  pa per   is  orga nized  as  fo ll ows.  A  ch aracte rizat ion   of   ultra - wide ba nd   p ow e r    a m plifie r   ci rcui t   design   is  pre sented  i n  sect i on  2.  I n  sect io n  3,   the   ex pe rim ental   ou tc om es  are  s how n .  Finall y,     in  s ect ion   4,  c oncl us i on s  are  gi ven .       2.   UWB P OWE R AM PLIFIE R CIRC UIT S CHE ME   In   t his  pa pe r ,  t he  prese nted   powe r  am plifie r   desig n  is  base d  on  t he   pr opose d   am plifie r  de sign   i n  [ 19]   to  opti m iz e  the  ci rcu it   desi gn   process  i n  te r m s  of   ci rcu it   ga in   an d  tra ns m it te d  power   a s  long  as   s us ta in ing   a n  u lt ra - w ide band   featur e .  Fig ure  1  prese nts  th e  desig n  ci rc uit  of   the  pro po s ed  m et ho d .  I n  this  desig n,   w e  use   two  sta ges  power   am plifie r  t o  achieve  the  op ti m al  po we r   ou tp ut.  T he   first  sta ge  co ns ist s  of   a  casco de   ci rcu it   and  a  c urre nt  m irro r   m et ho d.  T he  sec ond   on e   em plo ys   a   com m on   s our ce  am plifie r  to   ad just  the   gai n  a nd   enh a nce  the  outp ut  powe r  of  the  desig n  ci rcu it   with  inser te d   Lg   in du ct or  to  en han ce  t he  li ner at y  an d  input   m at ching   of   t he  desig n  ci rc uit .  Th e  prese nted  powe r  a m pl ifie r   co ns i der s   a  power  us e   of  20  m W  wh il e     the  vo lt ag e  s upply   is   a  1 . 6     dc   volt age .  T he  a ppr oxm i te d   drai n  c urre nt  woul d  be   of   26   m il l iam per e  ( mA ).     By   consi der i ng  1   tra ns ist or  of  the   fi rst  sta ge   will   dra w  a   current   of  8 . 8      f rom   the   1 . 6     dc   sou rce ,     on e  can  app rox i m at ely f ind   t he  size  of   1   transi stor  a bout   1 60      as  f ollows :      ≈ 1 2  (  1 − ℎ ) 2     (1)     w he re   1 =  0.75   V,   ℎ =  0 . 5   ,    =  0.0 3801  2 /    and    =  0 . 00946   / 2 ,   fo r  a  0 . 18     CM OS  te chnolo gy.   On e  can  d et e r m ine the tr a ns - cond uctance     as foll ow s:     = 2 √ 1 2       (2)     The n,   one ca n fin d  the  in pu t - im ped ance of t r ansisto r  ( 1 )  as f ollows [ 18] :      = ( + ) +  +    (3)     Also ,  the  r es on ance  fr e qu e ncy  of the  prese nted  ci rc uit i s  give n by:     ≈ √ ( + )    (4)     The  sta bili ty   and  the   li ner at y   of  the   prese nt ed  ci rc uit  is  im pro ved  by  a dding  the   de gerat ion  in du ct or  ( 1 )   at   the   s ourc e  te rm inal  of  t he  m ai n  tra ns i stor  (   1 ).   M or e ov er,   the   de ge ne rati on  in duct or   em plo ys  to   achieve t he  i nput im ped ance  m at ching   netw ork.    In  or der  to   ch oo s e  th e  a ppr opriat e  value   of  the   the   de ge ra ti on   i nducto r   ( 1 ) ,  one  c an   pic k  a  sm al l   on e   so  that  it   would  be   le ss  than   0 . 6    .  This  sm al l - value  i nduct or   w ou l d  be  si m pl iy chan ge d  by  a  bond - wire  inducto r - ty pe . T his  Also hel ps t o  m ini m iz e t he  c hip   (inte grat ed - ci rc uit) a r ea.   The  t ran sist or  (   2 )  is  us e d  to  f orm   the  casca de  form   so   that   th e  gai n  is   ena ha nced.  T his   al so  hel ps  to  inc rease  t he   act ive  lo ad   of   the  first  sta ge  so   t hat  the   volt age  gain   inc re ases.  One  al s o  can  a dd  sm al l - value   inducto r  s uch  as  ( 1 )  so  that  it   is  shun t  in duct or   a nd  ca us es  the  ci rc uit  to  a chieve  t he  pea king  re sonat e  by   le ssen  the  e ff e ct s   of   th e  pa ras it ic   capaci ta nces  of   t he  CM O S  te chnolo gy. Mo re ov e r,  one   can  re duce  the   powe r   consum ption   by  incr easi ng t he  v al ue  of t he  1   inducto r.   The  i nput  vo lt a ge fo r  the  f ir st  sta ge  is:      ′ = +  1 + 1  1 1   (5)     w he re t he gate   current is:     = 1  1 − 4  4   (6)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  11 , No .  1 ,  Febr uar y  2021  :    77 2  -   779   774   a nd, th e  outp ut  volt age  for  t he  f irst st a ge  is:      ′ = 1  1 1   (7)     If   we  s ubsti tute    f ro m  ( 6) int o ( 5) ,  and t hen di vid e  (7) by ( 5), w e   get t he gai n:      1     = 1 + 1 1 1 + 1 1 + 1  1 4  4       (8)     A  seco nd  sta ge   is  a  si m ple   com m on   so urce  sta ge  with ou t  casca de  tr ansisto r  an d  de gen e rati on   inducto r  ( ).   By   doin g  the  a f orem entioned   proce dures  t o  a ssu m e  a  s m al l   curre nt  of  10      to  be  us e d  by  CM OS   tran sist or   (   3 )   of  the  pr es ented  ci rc uit,  then ,  one  ca n  e stim at e  the  siz e  of   the  t ran sis tor  (   3 )  base d  on (1)  is a pproxim a te ly  1 10 μm .   The  i nput  vo lt a ge fo r  the  sec ond st age  is:      ′′ =  3 + 3  3 2   (9)     a nd, th e  outp ut  volt age  for  t he  f irst st a ge  is:     ′′ =      (10)     The gai n o f  t he  seco nd stage  is:          = 1 + 3 2   (11)     A  high  f re qu e ncy  am plifie r  req ui res  a  high  gain  a nd   ou t put  po w er  tra ns is tor.   T he  s ugge ste d  siz e  is    a  la rg e   tra ns ist or  ar ound  M 3.  This  is   no rm al ly   has  a  high  par asi ti c  ca pa ci ta nce  an d  t r ansc onduct anc e  that  dr a ws  on   i ncr e asi ng   powe r  c on s um p ti on .  T her e fore,  it   is  bette r  to  op ti m iz e  the  siz e  at   150      for  su it a ble   powe r  c onsu m ption.   I n  t he   presente d  ci rcu i t,  the   f our   resist or s   1   to  4   be   use d  as   biasin g  net wor k  of     the po wer am plifie r.  I t  has  t w o - c onfig rati ons  of the  curre nt  m ir ro r  circuits,  M4  a nd M5 .    These  co nf i gr a ti on s  w orks  as  to  su pply   the  pr esente d  ci rcu i t  in  add it ion al   to  the  bias - ba s ed  resist ors .   The  la rg e - valu e  of  t he  resist ance  3   is  em plo ye d  t o  form   a  good   isolat ion  ba rr ie r   bet wee n  the  RF   s ig nal  a nd   the  outp ut  t erm inal.  Bi asi ng   transisto rs  ca n  be  var ie d  ba sed  up on   the  r equ i red   no ise   and   ba ndwidt h  so   that  it sd   job  to  flat   the  cu r ve  of  the  gai n  ove r  a  wide - ba ndwi dth   range.   Thi s  can  be  done   thr ough  s uffici ent   sh unti ng   us i ng  la r ge - value   ca pacit or s   ( 1 - 5 )   as   par t   of  t he  pre sented   ci rc uit  with  dc - bl ock i ng s   form ed  by   blo c k  ca pacit ors   ,     an d   .           Figure  1.  Sc he m at ic   of  the  pr esented  tw o - st age  U W B   po w er am plifie r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A tw o - st ag e  po we r amp li fi er  desig n  f or   ultra - wi de band  ap plicati ons  ( I dre es S. Al - K ofahi )   775   The  a uxil ia ry  inj ect io n  ci rcu it   is  desi gned   us ing   a   Cl ass – C   a m pli fier.  T his   am plifie r  is  ch aracte rized   by  high  eff ic ie ncy  and  p re vent s  decayi ng   po wer   gai n  cu rv e   through  an  inc rease  of   in put  pow e r,   in  co ntr ary  to   Dohe rty   PA .  T his  is  si m il ar  t o  the  Cl ass  B  a m plifie r  with  it s  op erati ng   po i nt  transisto r   fo un d  in  the  cuto ff  reg i on.  H ow e ver,  the  re quired  th reshold   bu il t - in  volt age  of  the  transist or   s houl d  be  pas sed   by     the  volt age  ac r os s  t he  gate  a nd  sou rce  te r m inals.  The  R F  cy cl e  is  re duced   to  le ss   th an  half,  that  is   is  w hy  Cl ass C m od e b ecom es a lo gical  ex te ns i on or the  r e du ce d a ng le  c oncept .        3.   E X PER MEN TAL RES UL TS   The  pr e sente d  ultra - wide  pow er  am plifie r  is  desig ne d  based  on  the   0 . 18      CM OS   te ch no l og y   f or   ultra - wide band   (UWB)  3      5    .  T o  optim iz e  the  pr e sented  desi gn   and   sim ulate   i t ,  A gilent  te ch nolo gie s   adv a nce d  desi gn   syst em   (A DS )  s oft war e  was  em plo ys.  The  S - pa ram eter s  is  a  too l  to  m easue  and  stud y     the  perform ance  of   the   prese nted   de sig n.  O ne  ca n  em loy  it   to  fin d  the   powe r   an d  volt age  gain   ( 21 ),   Inp ut   return   loss   (S 11) ,  t he  rev e rse   isolat io n  ( 12 )  a nd  n oise  fig ur e   of  the   pr ese nte d  ci rcu it   (NF) .   Fig ure   2  sho ws  the  m easur ed   s m al l  sign al   S - par am et ers.   It   is  cl ear  t hat  A   PA  gain   of  16   ±   0 . 5      over   the   3      4 . 9      fr e qu e ncy  range  wh il e  m ai ntaining   a   3 −    ba ndwi dth   of   2 . 76      5 . 2      is  ob ta in d ,   in  a ddit ion   t o   a n  acce ptable  re ve rse  isolat io n  of   m or e  tha n  40      ov e r  the  rang e  of   1      8    .Th e  PA   al so   achie ves  an   ou t pu t  powe r u p  to  +13  dBm  an d P AE of 4 7%   in a  50 Ω  lo ad  as  sho wn in  Fig ur e   3.    More ov e r,   we  hav e  stu dy  the   eff ect   of   cha ngin g  t he  supp l y  vo l ta ge  on  the  gain  c ur e.  As  Fig ur e  4   sh ow n,   the  gai n  as  a  f un ct io n  of   s upply  volt age  im ples  tha t  the  pr ese nted   ci rcu it   has  a  good  sta bili ty   ov e r     the  interest e d  f reque ncy  ba nds.   T he  ad de d  powe r  of   a   DC  so urce  al lo ws  an  am plifie r  to   increase  it s  i nput   sign al   s ource . Th is  is use d  to d et erm ine  the a m ou nt of  DC input  po wer   c ontrib uted   to  t he   am plific ation  o f  a n  input sig nal as  sh ow n  in   by  th e PAE i n Fi gur e 5 .             Figure  2.  Me as ur e d S - par am eter     Figure  3.  Me as ur e d   PA E  at 5 0 o hm  load  im ped ance             Figure  4.  Gai n vs Vd d     Figure  5.  O utput p ower  v s  In pu t  powe r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  11 , No .  1 ,  Febr uar y  2021  :    77 2  -   779   776   Figure  6  s how s  the  var ia ti on  of   PA  po wer  ga in.  It  is  cl ear  t hat  the  gain   in creases  t o  a bout  16. 35  dB   and   t hen   sta rt s  decr easi ng.  This  m easur em ent  is  the  ideal   m easur em ent  an d  is  of t en  us e d  as  ga ug e  t o  a m plifie r  eff ic ie ncy  or   i neffici ency,  m aking   it   a  fig ur e  of  m erit .  The  si m ulate d  resu l t  of   no ise   fig ure  is  sh ow n  in  Fi gur e  7. T he  m ini m um  n oise f i gur e is 1 .36 dB at  3.7GHz a nd  2.4d B  at 5 G Hz.             Figure  6.  P ow e r gain     Figure  7.  N ois e Fig ur e  v s  fre qu e ncy       Linearit y i s als o  m easur ed  us i ng  IP3 or  I P2   within a circu it  b ased up on  th e 1 - dB c om pr ession po i nt.   It  is  m or e  dire ct ly   m easur abl e  than  I P3   si nc e  the  m easur e m ent  req ui res  on ly   one  to ne  as  oppose d  to  the  tw o  ton es  require d  by  the  IP3  m easur em ent.  Wh il e  the  m easu rem ent  m a y  be  com plete d  in  on e  to ne,   m ulti ple  ton es  m ay   a lso  be  us e d  f or   m easur em ent  purposes.   1 - dB  c om pr essio n  po int  ref ers  t o  th e  inp ut  power   le vel,  wh e re  a ny  po wer   le ss  t han  1dB  po wer   is  c onside red   an  i de al   li near   de vic e.  Fig ur e  8  s h ows  P 1dB  cu rv e s  for  li near it y appr oxim a ti on . P1 dB  is ab ou t  11. 2 dBm .   The  outp ut  po wer   ve rsus  in put  po wer   f or   P A  sta rts  sat ura ti ng   at   a bout  12  dBm ,  and   it   reaches   15  dBm   as  i t  sh own  i n  Fig ure  5.  The  sta bili ty - factor   ( ) ,  de picte d  in  Fi gure  9.   It  shows  that   the    is  gr eat er   than o ne,  am ong  the  r e quired  freq ue ncies, as  it  shown i n  Fi gure  9.             Figure  8. P 1d B     Figure  9.  Stabi li ty   factor  (K)       On e   can   def in e  the  facto r  μ  to  m easur e  the   sta bili ty ;  wh e re  the   fact or  r epr ese nts  t he  s hortest   pa t h  from   the  cen ter   point  in  the  Sm it h - char t  to  the  point  outsi de  the  sta be  re gion  in  the  loa d  pla ne.   As  s how n  i n  Figure  10 , m u (μ),  a nd m u  ( μ) prim e factor s  are  gr eat er  tha n 1.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A tw o - st ag e  po we r amp li fi er  desig n  f or   ultra - wi de band  ap plicati ons  ( I dre es S. Al - K ofahi )   777       Figure  10.  Stab il ity factor  ( m u)       The  volt age  st and i ng  w ave   r at io  ( VSWR)  i s  a  to ol  t o  repr esnt  + VE  a nd  r eal   num ber   of  RF  ante nn a s.   In   ge ner al ,  a   good  a nten na  giv es  a  sm al l - value  of   t he  V S WR,  as  it   pro vide s  m or e  powe r   in  watt   a nd   m at ches   the  li ne  of   tra nsm issi on   of   th e  antenn a .  For  ideal   case,  the  value  of  the  V S W R  eq uals  to   1  wh e re  ther e   is  no   wav e s  ( powe r)  w ou l d  be   re flect ed.   On e   can   def i ne  the   V S W R  as  t he  rati o  of   t he  m ax - va lue  of  the   sta nd i ng - wav e  t o  the  m in - value  of  it .  In   Fig ur e   11 ,  we  s how  t he   values  of  th e  VSWR  f or  the  prese nted  c ircuit .     A  gr oup - delay   is  a  too l  t o  m easur e  the  de vice  phas e   disto rtion,  one  ca n  de fine   the  gr oup - de la y  as    a  f un ct io n  of  f r equ e ncy  wh e re   it   represe nts  t he  act ua l  tran sit - tim e,  and   Fig ur e   12  s how s  gro up - delay   res pons e   for  the  P A.             Figure  11.  VSWR     Figure  12.  Gro up  delay       4.   CONCL US I O N   A  0 . 18μ m   CM OS   lowe r  ba n d  U WB  syst e m   ( 3 − 5   GHz )  was  recreate d  in  th is  pap ae r.   Using  a  C S   inducti ve  de ge ner at io n,  tw o  s ta ge  process   vi a  2n d  har m on i c  to po l og y,   a   PA  of  + 16   dB   vo lt age   gai n,  0 . 5   dB   tolari ence   gain,  11 . 1   dBm   of   outp ut   1 dB - com pr essio n  an d  the   pow er  e ff ic ie nc y  about   47%   at   4   GHz ,    is  achie ved  with  powe r   co nsu m pt ion  of   only   25   mW .  T he   ex pe rim ental   re su lt s   show   th at   the   l ow  ba nd  U WB   transm itter can  b e  su cces sf ully  i m ple m ented  on  portable a nd m ob il e d e vic es on t he U W B  syst e m .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  11 , No .  1 ,  Febr uar y  2021  :    77 2  -   779   778   APPE ND I X       Ref   3   dB   BW  (GHz )   S1 1   (dB )   S2 2   (dB )   G ain @ 4 GHz   (dB )   P1 d B@4GHz   (dB m )   PAE @ 4 GHz  (%)   Po wer  ( m W )   [ 1 5 ]   3 .1 to  4.8   < - 10   < - 8   19   - 2 2 .0 (inp u t)   - 4 .2 (ou tp u t)   n /a   25   [ 1 6 ]   3 .1 to   1 0 .6   < - 9   < - 8   15   0  ( o u tp u t)   n /a   2 5 .2   [ 1 7 ]   3  to 1 2   < - 10   < - 8   1 0 .46   +5 .6 (ou tp u t)   n /a   84   [ 1 8 ]   3  to 4 .6   < - 10   < - 10   1 7 .5   +0 .42  ( o u tp u t)   3 .9%   n /a   [ 1 9 ]   2 .6 to  5.4   < - 5   < - 6   1 5 .8   - 3 .4 (inp u t)   +1 1 .4 (ou tp u t)   34%   25   This  stu d y   2 .8  -   5 .2   < - 6   < - 0 .5   1 6 .2   - 3 .8 (I n p u t)   1 0 .1 (Outp u t)   47%   25       REFERE NCE S   [1]   Thomas H.  L ee,  “ The   Design  of   CMO S Ra dio - Freque nc y   Int egr ated  Cir cui ts, ”  Ca mbr idge   univers i ty   press ,   2003.   [2]   M.  Haghighat ,   a nd  A  Naba vi ,   “ Full y   in te gra te d  CMO S  power  amplifi er  with   li n ea ri t y   and  eff i cienc y   enh ancem e nt  using  2nd  har moni c  inj e ction  t ec hniqu e, ”   Analog  Inte grated  Circui ts  and  Signal   Proce ss ing ,  vol.   90,   no.   1 ,     pp.   81 - 91 ,   2017 .   [3]   J.  C.   Cli fton ,   A.  La wrenson,  H.  Moto y ama ,   and  K.  Koham a,   “ Wi deba nd  high  eff ic i ency   m ult i - ba nd  m ult i - m ode   (LT E /WCD MA / GS M)  power  amplifi er  for  m obil e  te rm inals ,”  European   Mic rowave  I nte grated  Circ ui t   Confe renc e ,  vol. 1495,  no.   1498,   pp.   524 - 527 ,  20 13.   [4]   M.  F.  Siddique,  et   a l.,  “ Design  a nd  Sim ula ti on  o f  Casca d ed  Cla s s - A  Microwa ve  Pow er  Am pli fie r ,”   In te r nati ona l   Journal  of   Elec t rical   and   Computer  Eng ine ering   ( IJE CE) ,   vol. 3,  no.   5 ,   pp .   635 - 6 39,   2013 .   [5]   M .   Mabrok ,   Z .   Za kar ia   and  N .   Saiful l ah ,   “ Design  of  W ide - b a nd  Pow er  Am pli fie r  B ase d  on   Pow er  Com bine r   Te chn ique   with   Low  Inte rm odul at ion  Distor ti on ,”   Inte rnat ional   Journal  of  E le c t rical   and  Comp ute r  Engi n ee rin g   ( IJE CE) ,   vol. 8,  no.   5 ,   pp .   3504 - 35 11,   2018 .   [6]   C.   W .   Kim ,   M.  S.  Kang,   P.  T .   A nh,   H.  T .   Kim   a nd  S.  G.  Lee,   “ An  ult ra  wide - b and  CMO S  low  noise  amplifier  f or   3 - 5  GH z  UW B  S y stem,”   IE EE   J .   Sol id - State  C ircui ts,   vol .   40 ,   no .   2 ,   pp .   544 - 547 ,   2005.   [7]   Z.   Zha ng  and  Z .   Cheng ,   "A   Multi - Oct ave  Pow er  Am pli fi er  Bas ed   on  Mixed   C onti nuous  Mode s,"  IEE E   Acce ss ,     vol.   7 ,   pp .   17820 1 - 178208,   2019 .     [8]   A.  F.  Aref,   R .   N egr a,  "A   fully   in te gra te d  ada pt iv e  m ult iba nd  m ul ti m ode  sw it chi n g - m ode  CMO S  power  amplifier ,"   IEE E   transacti o ns on  microwav e   the ory   and  tech nique s ,   vo l. 60,  no.   8 ,   pp .   2549 - 2561,   2012 .   [9]   H.  Mos al am,  e t   al. ,   "H igh  Eff i ci en c y   and   Sm a ll   Group  Del a y  Vari a ti ons  0. 1 8 - $ \ m u$  m   CM OS   UW B  Pow er  Am pli fie r, "  I EEE  Tr ansacti ons  on  Circui ts   and  Syste ms   II: Expr ess B rief s,   vol .   6 6,   no .   4 ,   pp .   592 - 596,   2019 .   [10]   K.  Gum ber   a nd  M.  Rawa t,  "Lo w - Cost  RF in – RF out  Predistort e r  Li ne ari z er  for  High - Pow er  Ampli fiers   and  Ultr a - W ide band  Signa ls,"  IE EE   Tr ansacti ons on   Instrum ent ati on   and  Me asur eme nt,   v ol.   67 ,   no .   9 ,   pp .   2069 - 2081,   201 8.   [11]   J.  Kim ,   C.   Par k,   J.  Moon,  an d  B.   Kim ,   "A naly s is  of  a dap ti ve  dig ital  fe e dbac k  l ine ar izat ion  technique s ,"     IEE E   Tr ans.  Circui ts S yst. I Re g.   Pape rs ,   vol. 57, no. 2, pp. 345 - 3 54,   2010 .   [12]   C.   Ni,   et  al. ,   "D esign  of  broa dband  high - eff i ci en t  PA   base d   on  h y brid  con ti nuous  m odes, "  The  Journal  o f   Engi ne ering,   vol .   2017 ,   no .   1 ,   pp .   1 - 3,   2017.     [13]   S.  Jos e,   H - J.  Lee,   D.  Ha  and  S.   S.  Choi,   “ A  Low - power  CMOS  Pow er  A m pli fie r  for  Ultr a  w ide band  (UW B)  Applic a ti ons,”   P roc.   IE EE Int ernati onal  S ymposi um on  Circuits a nd  Syste ms ,   pp.   5111 -   5114,   200 5.   [14]   M.  Akbarpour,   F.  M.  Ghannouc hi  and   M.  He l aoui ,   "Curr ent - Bia sing  of  Pow er - Am pli fie r  Tr ansistors  and  It s  Applic a ti on  for  Ultra - W ide band   High  Ef ficien c y   a t  Pow er  Back - Off,"  IEE E  Tr ansacti ons  on  Mic rowave  The ory   and  Techni qu es,   vol.   65 ,   no .   4 ,   pp .   1257 - 1271 ,   20 17.   [15]   C. H.  Han,   W . W .   Zhi   and  K.M.  G in,   “ A  Low  P ower  CMO S   Fu ll - Band  UW B  P ower  Am pli fie r  Us ing  W i deba nd  RLC  Mat chi ng  Method, ”   Proc .   IEE E   Elec tron  Dev ices and  So lid - Stat e   Circuit  Conf,   pp .   223 - 23 6,   2005 .   [16]   C.   Lu ,   A. - V.  Ph am  and  M.   Sha w,  “ A  CMO S  P ower  Am pli fie r   for  F ull -   B and  UW B  Tra nsm it te rs,”  P roc.   IE E E  RF IC  S ymp. ,   pp.   397 -   400 ,   2006 .   [17]   L.   Albasha ,   e t  a l . ,   "A n  Ultra - W ide band  Digi ta l l y   Program m abl e  Pow er  Am pli fie r W it h  Eff icien c y   Enha nc ement  fo r   Cel lular  and  E m erg ing  W ire le ss   Co mmunica tion  Standa rds,"  IEE E  Tr ansactions   on  Circui ts   and  Syste ms   I :   Re gular  Pape rs ,   vol.   63 ,   no .   10 ,   p p.   1579 - 1591 ,   2 016.   [18]   R - L  W ang,   Y - K  Su  and  C - H  Li u;   “ 3~5  GH z  Ca scod ed  U W B  Pow er  Ampli fier,”  Proc .   I EE E  Asia  P acif ic   Confe renc e  on   C ircui t s and   System s,   pp  367 - 369,   2006.   [19]   Sew - Kin  W ong,   et   a l. ,   “ High  Eff iciency   CM OS   Pow er  A mpl if ier  for  3  to   5  GH z  Ultra - W ide   band  (UW B)  Applic a ti on , ”  I E EE   Tr ansacti ons   on  Consum er  E l ec troni cs,   vo l. 5 5,   no .   3 ,  2009 .   [20]   K.  Gum ber   and   M.  Rawa t ,   "A   M odifi ed   H y br id  RF   Predistort er   Li ne ari z er  for   U lt ra   W ide band   5 G  S y stems , "  IE E E   Journal  on  Eme r ging  and  S elec t e d  Topics  in   Circ uit s and  S yste ms ,   v ol .   7 ,   no .   4 ,   pp .   547 - 557 ,   2017 .   [21]   M.  T.  Arnous ,   et   al . ,   "A   Nove l  Design  Appro ac h  for   Highl y  Eff i ci en t  Mult i oct av e  Band wid th  GaN  Pow er   Am pli fie rs,"  IE E E  Mi crowave an d  Wireless   Components  Let te rs ,   vol .   27 ,   no .   4 ,   pp .   371 - 3 73 ,   2017 .   [22]   A.  Ta ib i,   et   al. ,   "Eff ic i ent   U W B  low  noise  amplifi er  wi th   high  out  of  band   interfe r en ce   c ancel l at ion , "     IET  Mic rowav es,   An te nnas  &   Pr opagati on,   vol .   11,   no .   1 ,   pp .   98 - 105,   2017 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A tw o - st ag e  po we r amp li fi er  desig n  f or   ultra - wi de band  ap plicati ons  ( I dre es S. Al - K ofahi )   779   [23]   M.  Riba te ,   e t  al. ,   “ a  1. 25  GH z  – 3. 3  GH z  broa db and  solid - state  p ower  amplifi er  f or  L  and  S  bands  appl ic a ti ons , "  Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring   ( IJE CE) ,  vol .   9 ,   no .   5,   pp.   3633 - 364 ,   2019 .   [24]   M.  Mabrok  et   al . ,   “ Design  of  W ide - band  Pow er  Am pli fie r  Ba sed  on  Pow er  Com bine r  Te ch nique   with  Low  Inte rm odul ation  Distorti on , "  Int e rnational   Journ al  of  E lect rica l  and  Computer  E ngine ering  ( IJECE) ,   vol.   8 ,   no.   5,   pp.   3504 - 3511 ,   2 019.   [25]   Z  Albat a ine h ,   JI   Ababne h   and  Fathi   Sal em ,   “ Li nea r  Phase  FIR  Low  Pass  Filt er  Design  Us ing  H y brid - Dif fer en tial  Evol uti on ,”   Int e rnational   Journal  of   Re s earc h  in   Wirel ess Sy st ems,   vol. 1, no, 2,  2 012.   [26]   Z  Alba ta in eh ,   F  Sale m ,   “ New  bli nd  m ult ius er  d et e ct io n   in   DS - CDM A  using  H - DE  and   ICA,”   4th  Int ernati ona l  Confe r ence  on   I nte lligent Sy st ems,  Mode l li ng   and   Simulat io n,   pp.   569 - 574 ,  2013 .   [27]   Z  Albatain eh ,   F   Sale m ,   “ New  bli nd  m ult iuser   detec t ion  in   DS - CDM A  base d   on  extension  of  eff i ci en t  f as t   inde pend ent   co m ponent   ana l y si s  (EF - ICA),”   4t h  Inte rnationa l  Confe renc e  on  I nte lligent  System s,  Mode ll ing   a nd  Simulat ion ,   pp .   543 - 548,   2013 .   [28]   Z  Alba ta in eh ,   F  Sale m ,   “ An  E ner g y - Eff i cient  and  High  Ga in  Low  Noise  Am p li fier  for  R ecei ver   Front - Ends , ”   Inte rnationa l   Jo urnal  of Re searc h  in  W ireless   Syste ms ,   vol .   1 ,   no .   2,   pp .   1 - 5 ,   2012 .   [29]   Z  Albat a ine h ,   “ Robust  bli nd  cha nnel   est imati on   al gorit hm   for  linear   STBC  s y st ems   using  fourt h  orde r  cumulan t  m at ric es, ”   Te lec omm unic ati on  S yste ms ,   vol .   68 ,   no.   3 ,   pp   573 - 58 2,   2018 .   [30]   Z.   Alb at a ine h ,   et   a l.,   “ A  High - Gain  Low  Noi se  Am pli fie r  fo r  RF ID  Front - Ends  Rea der , ”   J ordan  Journal  of  El e ct rica l  Eng in ee ring ( JJEE ) ,   v ol.   3 ,   no .   1 ,   pp .   6 5 - 74,   2017 .   [31]   Z.   Alb ataine h ,   J .   Moheid at  and  Y.  Ham ada ,   "D esign  of  h igh  g ai n  2 . 4GH z  CM OS   LNA  amplifi er  for   wire le ss   sensor  net work  appl i ca t ions,"  10th  Jordanian  Inte rnational   E lectric al  and  E lec tronic s  Engi ne e ring  Confe renc e   ( JIE EE C) ,   pp.   1 - 5,   2017 .   [32]   Z  Albat a ine h ,   “ Bli nd  Dec oding   of  Mass ive   M IMO   Uplink  Sy stems   Based  on   the   Higher   Order  Cum ula nts, ”   Wirel ess P ers onal  Comm unic at i ons ,   vol.  103,   no .   2 ,   pp .   1835 - 18 47,   2018 .       BIB LIOGR A PHY  OF A UT HORS       Dr.   Id re es  S.  Al - Kofahi   rec e i ved  his  MS c  an d  Ph.D.  in  Mic roe lectr oni cs  Engi nee r ing  from     the   Li ver poo l  J ohn  Moores  Univer sit y ,   UK   in   1993  and  1997 ,   respe c ti ve l y ,   a nd  th e   ba che lor   degr ee  in  Elec tr ic a l  Eng ine er ing   from   Yarm ouk  Univer sit y   in  1 986.   Sinc e  1997 ,   he   has  b ee n   working  with  the   Depa rtment  of  El ectroni cs  Engi ne eri ng,   Hi jj awi  Facu lty   f or  Engi nee r ing  Te chno log y ,   Ya rm ouk  Univer sit y ,   Jordan .   Durin g  that  t ime  He   l eft   th e   unive rsi t y   to  joi n  Uni te d  Arab  Emirat es  Univer sit y   (200 2 - 2004)  and  Al  Jouf  Univer sity ,   KS A  (2010  to  dat e ).   He  i s   cur ren t l y   an  As sociate   Prof essor.         Z aid  Albatain eh  recei v ed  th e  B. S.   degr ee  in  el e ct r ic a l  engi ne eri ng  fro m   the   Yarm ou k  Univer sit y ,   Irbi d ,   Jordan,   in  2 006,   and  recei v ed  the   M.S.  de gre e  in  th e  co m m unic at ion  an d  el e ct roni c  engi n ee ring  from   the  Jordan  Univer sit y   of  Sci enc e   and  Te chnol og y   JU ST,   Irbid ,   Jordan,   in  2009.   He  rec ei v ed  the   Ph.D.  degr ee   in  el e ct ri ca l  and  co m pute r  engi neeri ng  depa rtmen t ,   Michi gan  St at e   Univer sit y   (MS U),  US A,  in  20 14.   His  rese arc h   int er ests  includ e  Bli nd  Sour ce   Separ ation,   Ind epe nden t  Com ponent   an aly sis,   Nonnega ti v e  m at rix  Fact or izati on ,   W ire l ess   Com m unic at ion,  DS P   Im ple m e nta ti on ,   VLSI,  Analog  Inte gra t ed  Circ ui t  and   RF   I nte gra te d  Circ uit.         Ah mad  Dagam seh  rec e ive d   hi s  bac he lor  d egr ee   in  e lectr oni c s  engi ne eri ng  f rom   Yarm ou k   Univer sit y   in   Jordan  in   2004,   m aste r  degr e e  i n  m ic roe l ec tron i c  eng ine er ing  (s ola r  ce l ls)  from   Delf t  Univer si t y  of  Te chnol og y   i n  the   Netherla nd s  in  2007  and  Ph.D.  degr ee   from   the   Univer si t y   of  Twe nte   in   the   Nethe rl an ds  in  2011  in   bio - inspire d  sensors '   design   using  Micro - El e ct roMec h anica l  S y st ems   (MEMS ).   Since   Februa r y   2012   he  was  appoi nte d  as  assista nt  profe ss or  at   Depa rtment  of  El e ct roni cs  En gine er in g  at   Y armouk  Univer sit y   in  Jordan .     His  rese arc h  intere sts  inc lud e:   t hin - lay e rs  solar  ce l ls,  biol ogi call y   inspir ed  m ic r o - s y stems   and   sensors ,   m ic ro  e l ec tromech anica l   s y stems ,   in te rf acing  e le c tronics and re l at ed   signa l   proc essing.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.