用于GPS/GLONASS應(yīng)用的單芯片硅雙極接收器

本文介紹了一種用于高端GPS接收器的硅雙極ASIC設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)提供參考頻率和IF輸出，以便跟蹤GLONASS衛(wèi)星。3.2mm2接收器在-2°C至+7°C溫度范圍內(nèi)工作在40.85V的最小電源電壓。它具有4dB噪聲系數(shù)（包括RF濾波器），總片內(nèi)增益為130dB，IIP3為-31dBm。

RF/IF硅雙極ASIC，ROCIII（片上接收器）旨在為針對(duì)專業(yè)市場(chǎng)的一系列GPS/GLONASS產(chǎn)品提供接收器解決方案。這些應(yīng)用包括蜂窩基站的同步（高抗阻塞性）和具有亞厘米精度（低幅度和相位噪聲）的測(cè)量級(jí)接收器。ROCIII在一次設(shè)計(jì)通過(guò)后就取得了成功的性能，現(xiàn)已投入生產(chǎn)。ASIC 封裝在板載芯片 （COB） 模塊中，這些模塊還包含額外的無(wú)源元件和控制環(huán)路。每個(gè) COB 模塊都針對(duì)一組特定的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是作為堅(jiān)固的組件，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝制造技術(shù)直接放置在數(shù)字主板上。

ROCIIII的簡(jiǎn)化原理圖，嵌入在GPS/GLONASS芯模塊中，如圖1所示。1.91mm x 1.71mm ASIC采用Maxim GST-2硅雙極工藝設(shè)計(jì)，標(biāo)題Ft為27GHz。它采用 2.7V 至 3.3V 的電源電壓工作，吸收 53mA 的直流電流。工作溫度范圍為 -40° 至 +85°C。 表3包含每個(gè)級(jí)和整個(gè)接收器的增益、噪聲系數(shù)和折合到輸入端的IP3（IIP1）信息。接收器采用雙下變頻方案，具有良好的頻率選擇性和高圖像響應(yīng)衰減，可能會(huì)影響帶外干擾性能。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)RF之間的增益分配提供額外的穩(wěn)定性裕量，1圣IF 和 2德·IF頻率，特別是考慮到標(biāo)稱AGC條件下的總片內(nèi)工作增益為130dB。1圣LO輻射也很低，這對(duì)于多個(gè)接收器系統(tǒng)很重要。

圖1.嵌入在GPS/GLONASS芯模塊中的ROCIII的簡(jiǎn)化原理圖。

接收器的一個(gè)關(guān)鍵特性是，它結(jié)合了良好的線性度和高電平RF增益，可實(shí)現(xiàn)高選擇性但高插入損耗的SAW器件，作為1圣中頻濾波器。該濾波器提供高度接近載波的干擾裕量，并充當(dāng)有效的 3RD訂購(gòu)互調(diào)。產(chǎn)品截止點(diǎn)。圖2包含ROCIII COB模塊與專為C / A代碼軍事應(yīng)用設(shè)計(jì)的GPS接收器相比，干擾功率接近載波的曲線。高達(dá)40dB的改進(jìn)非常顯著。兩個(gè)接收器在 940 和 1840MHz 的主蜂窩發(fā)射頻段提供相似的阻塞性能。請(qǐng)注意，帶內(nèi)干擾功率受DSP中載波跟蹤環(huán)路帶寬的限制。接收器GPS條的頻率響應(yīng)包含在圖3中，是通過(guò)將RF輸入頻率從1570.42MHz掃描到1580.42MHz并記錄GPS 2獲得的。德·中頻輸出。

圖2.ROCIII模塊和商用接收器的接近載波干擾功率的比較。

圖3.接收器GPS條的掃描頻率響應(yīng)，Y軸上的相對(duì)刻度。

ROCIII捕獲的頻率規(guī)劃以20MHz的低成本基準(zhǔn)工作，RF=1575.42MHz，1圣IF=135.42MHz， 2德·IF=15.42MHz。ROCIII 頻率合成器提供 90MHz 的單獨(dú)輸出，用作外部低成本 GLONASS IF 模塊的參考。該模塊基于兩個(gè)商用IC，一個(gè)VHF下變頻器和一個(gè)雙模預(yù)分頻器。該模塊內(nèi)的額外分頻（f/160）提供0.5625MHz的PLL比較頻率，該頻率正好等于GLONASS信道間距，因此允許該單元選擇各種GLONASS衛(wèi)星。VHF下變頻器通過(guò)中頻濾波器由ROCIII射頻混頻器輸出驅(qū)動(dòng)。

LNA 采用 2 級(jí)分流/串聯(lián)反饋拓?fù)洌瑹o(wú)需外部匹配。直流電源通過(guò)連接到輸出端口的 l/4 帶狀線供電，電路自偏置。圖4顯示了目標(biāo)頻帶和三個(gè)Vcc電平下的噪聲系數(shù)圖。表1中詳述的實(shí)測(cè)性能與Maxim基于SPICE的模擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)（ADS）的仿真結(jié)果進(jìn)行了很好的比較，仿真結(jié)果為增益=18.5dB、NF=2.4dB和IIP3=-13.9dBm。

圖4.ROCIII LNA在三個(gè)Vcc值下的噪聲系數(shù)隨頻率變化。

RF下變頻器基于雙平衡吉爾伯特電池，低阻抗差分對(duì)提供LO驅(qū)動(dòng)。吉爾伯特單元和LO驅(qū)動(dòng)均通過(guò)經(jīng)典排列進(jìn)行PTAT偏置。兩級(jí)的偏置電流都經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以最小化噪聲系數(shù)，最大化IP3并最大化增益。RF輸入通過(guò)有損匹配技術(shù)進(jìn)行外部匹配。該電路的典型源是用作鏡像抑制濾波器的單端50Ω RF SAW電路。中頻輸出通過(guò)低輸出阻抗發(fā)射極跟隨器提供，適合直接驅(qū)動(dòng)135MHz中頻聲波。故意失配通過(guò)衰減三重傳輸響應(yīng)，將SAW的群延遲失真保持在可接受的水平內(nèi)。表1未涉及電路性能的一個(gè)方面是混頻器RF輸入時(shí)的LO功率= -49dBm（相當(dāng)于40dB LO至RF隔離）。

IF下變頻器具有前置放大器和具有PTAT偏置的吉爾伯特單元型拓?fù)洹Ｔ撾娐方?jīng)過(guò)優(yōu)化，可提供高水平的轉(zhuǎn)換增益和良好的噪聲系數(shù)。采用100Ω差分輸入端接電阻（片外）來(lái)最小化SAW群延遲失真。該電路的中等IIP3值-28dBm綽綽有余，因?yàn)榍?圣中頻聲波 （2.8MHz）。

可變?cè)鲆娣糯笃餮a(bǔ)償接收器總增益變化，以確保傳遞到3電平數(shù)字化儀的噪聲信號(hào)始終處于正確的電平，以實(shí)現(xiàn)最佳編碼。結(jié)合DSP，VGA還實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)數(shù)字化閾值方案，有助于減輕帶內(nèi)干擾信號(hào)。該電路的有用增益控制范圍大于60dB，最大增益電平為18dB。絕對(duì)增益電平、增益范圍和增益斜率均已針對(duì)溫度和電源變化進(jìn)行了補(bǔ)償。增益控制輸入在施加到VGA電流轉(zhuǎn)向內(nèi)核之前由控制信號(hào)補(bǔ)償放大器處理。該補(bǔ)償放大器基于多tanh雙峰輸入級(jí)，可提供非常線性的增益斜率。固定增益放大器電路提供 40dB 的差分、直流耦合增益，可在進(jìn)入壓縮之前提供接近 1V 的單端擺幅。它設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的數(shù)字化儀或配套的數(shù)字ASIC（設(shè)計(jì)中）。為了確保在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供總擺幅，最終輸出級(jí)偏置自一個(gè)源，該源在溫度而不是PTAT上提供恒定電流。

L波段VCO的核心基于通用集電極Clapp拓?fù)?，具有平方根PTAT偏置和從基節(jié)點(diǎn)提取信號(hào)。該電路針對(duì)低噪聲、高信號(hào)擺幅（無(wú)不對(duì)稱削波）和最大諧振器負(fù)載 Q 進(jìn)行了優(yōu)化。信號(hào)被饋送到兩個(gè)限幅放大器結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于在整個(gè)溫度范圍內(nèi)提供恒定的信號(hào)擺幅。該電路采用外部繞線電感器和變?nèi)?a target="_blank">二極管工作。圖5包含VCO諧振器端口的反射系數(shù)隨溫度和電源電壓的倒數(shù)曲線。100kHz偏移時(shí)的相位噪聲為-103dBc/Hz，使用同軸陶瓷諧振器可將該數(shù)字提高5dB。

圖5.諧振器端口在 -40、23 和 85°C 時(shí)的反射系數(shù)倒數(shù)。 每個(gè)軌跡還包括Vcc=2.7、3.0和3.3V測(cè)量。

頻率合成器接受來(lái)自振蕩器差分?jǐn)?shù)字緩沖器的輸出，并將頻率從1.44GHz分頻至120MHz，用于2德·LO，相位頻率檢波器（PFD）為20MHz，GLONASS基準(zhǔn)輸出為90MHz。它基于傳統(tǒng)的電流模式邏輯技術(shù)，始終使用差分信號(hào)。分頻塊的布置，確保2德·LO驅(qū)動(dòng)具有最小的占空比失真，因此IF下變頻器的雙平衡特性下降最小。PFD中的復(fù)位功能使用單端電路來(lái)抑制時(shí)鐘線。該技術(shù)允許在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作在低至 2.7V 的電源電壓。

ROCIII包含一個(gè)基于帶隙單元的模擬偏置電路，該電路為各種片上電路提供基準(zhǔn)電壓和電流。數(shù)字偏置電路為數(shù)字單元提供單獨(dú)的基準(zhǔn)電壓，確保在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)具有恒定的邏輯電平擺幅。ASIC采用六條獨(dú)立的Vcc和接地線，每條線都有一個(gè)相關(guān)的基板區(qū)域，以最大限度地提高電路之間的隔離度。所有電源均在片外獨(dú)立去耦，所有焊盤(pán)均具有ESD保護(hù)。ROCIII芯片通過(guò)導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂連接到COB模塊上具有多個(gè)接地通孔的金閃光焊盤(pán)上，以幫助電路隔離。

審核編輯：郭婷