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用于 GPS/GLONASS 應(yīng)用的單芯片硅雙極接收器

1946861 2022-11-18 | pdf | 149.74KB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

會(huì)議：IEEE 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議 1999會(huì)議：IEEE 國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議 1999會(huì)議：通信會(huì)議：通信
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Michael J. McCullagh Symmetricom Ltd
首席設(shè)計(jì)工程師Mansard Close Westgate Northampton NN5 5DL England Tel +44 (0)1604 586744傳真 +44 (0)1604 585599

RF/IF 硅雙極 ASIC ROCIII（片上接收器）旨在為面向?qū)I(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)后就實(shí)現(xiàn)了成功的性能，現(xiàn)已投入生產(chǎn)。ASIC 封裝在板上芯片 (COB) 模塊中，其中還包含額外的無(wú)源元件和控制回路。每個(gè) COB 模塊都針對(duì)一組特定的應(yīng)用程序，并且具有作為堅(jiān)固組件的優(yōu)勢(shì)，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。

嵌入 GPS/GLONASS COB 模塊的 ROCIII 簡(jiǎn)化示意圖如圖 1 所示。1.91mm x 1.71mm ASIC 采用 Maxim GST-2 硅雙極工藝設(shè)計(jì)，主頻 Ft 為 27GHz。它采用 2.7V 至 3.3V 的電源電壓工作，消耗 53mA 的直流電流。工作溫度范圍為 -40° 至 +85°C。每個(gè)級(jí)的增益、噪聲系數(shù)和輸入?yún)⒖?IP3 (IIP3) 信息以及完整的接收器包含在表 1 中。接收器采用雙下變頻方案，提供良好的頻率選擇性和鏡像響應(yīng)的高衰減，這可能會(huì)影響輸出帶外干擾性能。^{另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是通過(guò) RF、第一}中頻和^第二中頻之間的增益分配提供額外的穩(wěn)定性余量IF 頻率，特別是考慮到標(biāo)稱 AGC 條件下的總片上工作增益為 130dB。第一^LO輻射也很低，這對(duì)于多接收器系統(tǒng)很重要。

圖 1. 嵌入 GPS/GLONASS COB 模塊的 ROCIII 簡(jiǎn)化示意圖。

表 1. ROCIII 電路和完整接收器的增益、噪聲系數(shù)和 IP3。
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水平的 RF 增益，允許高選擇性，但插入損耗高，SAW 設(shè)備作為第一個(gè)^IF濾波器。該濾波器提供高度接近載波干擾的余量，并充當(dāng)有效的^三階互調(diào)。產(chǎn)品分界點(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，接近載波的干擾功率圖。高達(dá) 40dB 的改善非常顯著。這兩款接收器在 940 和 1840MHz 的主要蜂窩傳輸頻段上具有相似的阻塞性能。請(qǐng)注意，帶內(nèi)干擾功率受限于 DSP 中的載波跟蹤環(huán)路帶寬。接收器的 GPS 帶的頻率響應(yīng)包含在圖 3中，它是通過(guò)將 RF 輸入頻率從 1570.42MHz 掃描到 1580.42MHz 并記錄 GPS 2 ^nd IF 輸出而獲得的。

圖 2. ROCIII 模塊和商用接收機(jī)的近載波干擾功率比較。

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

ROCIII 中捕獲的頻率規(guī)劃以 20MHz 的低成本參考運(yùn)行，RF=1575.42MHz，第一^中頻=135.42MHz，^第二中頻=15.42MHz。ROCIII 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 信道間隔，因此允許該裝置選擇各種 GLONASS 衛(wèi)星。VHF 下變頻器由 ROCIII RF 混頻器輸出通過(guò) IF 濾波器驅(qū)動(dòng)。

LNA 使用 2 級(jí)并聯(lián)/串聯(lián)反饋拓?fù)?，不需要外部匹配?/font>直流電源通過(guò)連接到輸出端口的 al/4 帶狀線提供，電路是自偏置的。圖 4包含感興趣頻帶和三個(gè) Vcc 電平的噪聲系數(shù)圖。表 1 中詳述的測(cè)量性能與從 Maxim 基于 SPICE 的模擬設(shè)計(jì)系統(tǒng) (ADS) 獲得的仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，后者增益 = 18.5dB，NF = 2.4dB 和 IIP3 = -13.9dBm。

圖 4. ROCIII LNA 在三個(gè) Vcc 值下的頻率噪聲系數(shù)。

RF 下變頻器基于雙平衡 Gilbert 單元，具有由低阻抗差分對(duì)提供的 LO 驅(qū)動(dòng)。吉爾伯特單元和 LO 驅(qū)動(dòng)器都通過(guò)經(jīng)典排列進(jìn)行 PTAT 偏置。兩個(gè)級(jí)的偏置電流都經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以最大限度地降低噪聲系數(shù)、最大化 IP3 和最大化增益。RF 輸入通過(guò)有損匹配技術(shù)在外部進(jìn)行匹配。該電路的典型電源是用作鏡像抑制濾波器的單端 50Ω RF SAW。IF 輸出通過(guò)低輸出阻抗射極跟隨器提供，適合直接驅(qū)動(dòng) 135MHz IF SAW。故意的失配通過(guò)衰減三次傳輸響應(yīng)將 SAW 的群延遲失真保持在可接受的水平內(nèi)。

IF 下變頻器有一個(gè)前置放大器加上具有 PTAT 偏置的吉爾伯特單元類型拓?fù)洹?/font>該電路經(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)。100Ω 的差分輸入終端電阻（片外）用于最小化 SAW 群延遲失真。^{鑒于前面的第一}中頻 SAW (2.8MHz)的帶寬相對(duì)較窄，此電路的適中 IIP3 值 -28dBm 已綽綽有余。

可變?cè)鲆娣糯笃餮a(bǔ)償總接收器增益變化，以確保傳送到 3 電平數(shù)字轉(zhuǎn)換器的噪聲信號(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)施自適應(yīng)數(shù)字化閾值方案，有助于減輕帶內(nèi)干擾信號(hào)。該電路具有大于 60dB 的有用增益控制范圍，最大增益水平為 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。增益控制輸入在應(yīng)用于 VGA 電流控制核心之前由控制信號(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，并可在進(jìn)入壓縮前提供接近 1V 的單端擺幅。它旨在驅(qū)動(dòng)單獨(dú)的數(shù)字轉(zhuǎn)換器或配套的數(shù)字 ASIC（正在設(shè)計(jì)中）。為了確?？倲[幅在整個(gè)溫度范圍內(nèi)可用，最終輸出級(jí)的偏置源是隨溫度而不是 PTAT 提供恒定電流的源。

L 波段 VCO 的核心基于具有平方根 ??PTAT 偏置和從基節(jié)點(diǎn)提取信號(hào)的公共集電極 Clapp 拓?fù)洹?/font>該電路針對(duì)低噪聲、高信號(hào)擺幅進(jìn)行了優(yōu)化，沒(méi)有不對(duì)稱削波和最大諧振器負(fù)載 Q。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。該電路使用外部線繞電感器和變?nèi)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>二極管工作。圖 5包含 VCO 諧振器端口反射系數(shù)的倒數(shù)隨溫度和電源電壓變化的曲線圖。100kHz偏移處的相位噪聲為-103dBc/Hz，使用同軸陶瓷諧振器可將此數(shù)字改善5dB。

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

合成器接受來(lái)自振蕩器的差分?jǐn)?shù)字緩沖器的輸出，并將 1.44GHz 到 120MHz 的頻率分頻用于^第二LO，20MHz 用于鑒頻鑒相器 (PFD)，90MHz 用于 GLONASS 參考輸出。它基于傳統(tǒng)的電流模式邏輯技術(shù)，并在整個(gè)過(guò)程中使用差分信號(hào)。分隔塊的排列是為了確保第²LO 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的退化最小。PFD 中的復(fù)位功能使用抑制時(shí)鐘線的單端電路。該技術(shù)允許在整個(gè)溫度范圍內(nèi)以低至 2.7V 的電源電壓運(yùn)行。

ROCIII 包含一個(gè)基于帶隙單元的模擬偏置電路，可為各種片上電路提供參考電壓和電流。數(shù)字偏置電路為數(shù)字單元提供單獨(dú)的參考電壓，確保在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持恒定的邏輯電平擺幅。ASIC 采用 6 條獨(dú)立的 Vcc 和接地線，每條線都有一個(gè)相關(guān)聯(lián)的襯底區(qū)域，以最大限度地提高電路之間的隔離度。所有電源都在片外獨(dú)立去耦，所有焊盤均受 ESD 保護(hù)。ROCIII 裸片使用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂連接到 COB 模塊上具有多個(gè)接地過(guò)孔的鍍金焊盤，以幫助電路隔離。

電路	噪聲分貝	增益分貝	IIP3 dBm	注釋
預(yù)選過(guò)濾器	1個(gè)	-1	?	二極陶瓷
低噪聲放大器	2.2	18	-14.3	無(wú)需外部匹配
圖像拒絕過(guò)濾器	2.5	-2.5	?	1575 MHz 射頻聲表
射頻下變頻器	10.8	25	-16.6	電壓轉(zhuǎn)換增益輸入有損匹配
第一^中頻濾波器	16	-16	?	135 MHz SAW 有效 IP3 截止點(diǎn)
中頻下變頻器	10.1	36	-28	NF 包括片外 100Ω 差分輸入終端
第二^中頻濾波器	?	-1	?	分立式 LC 濾波器
可變?cè)鲆娣糯笃?/u>	?	11	?	工作在低于最大增益 7dB
固定增益放大器	?	40	?	?
總接收者	4.0	109.5	-31.2	?

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