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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

會議：IEEE 國際固態(tài)電路會議 1999會議：IEEE 國際固態(tài)電路會議 1999會議：通信會議：通信
隸屬關(guān)系：Symmetricom Ltd

聯(lián)系方式：

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）的測量級接收器。ROCIII 在一次設(shè)計(jì)通過后就實(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源元件和控制回路。每個 COB 模塊都針對一組特定的應(yīng)用程序，并且具有作為堅(jiān)固組件的優(yōu)勢，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。每個級的增益、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，這可能會影響輸出帶外干擾性能。^{另一個優(yōu)勢是通過 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，這對于多接收器系統(tǒng)很重要。

圖 1. 嵌入 GPS/GLONASS COB 模塊的 ROCIII 簡化示意圖。

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^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。該模塊基于兩個商用 IC，一個 VHF 下變頻器和一個雙模預(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 IF 濾波器驅(qū)動。

LNA 使用 2 級并聯(lián)/串聯(lián)反饋拓?fù)?，不需要外部匹配?/font>直流電源通過連接到輸出端口的 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 Vcc 電平的噪聲系數(shù)圖。表 1 中詳述的測量性能與從 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 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提供的 LO 驅(qū)動。吉爾伯特單元和 LO 驅(qū)動器都通過經(jīng)典排列進(jìn)行 PTAT 偏置。兩個級的偏置電流都經(jīng)過優(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 輸出通過低輸出阻抗射極跟隨器提供，適合直接驅(qū)動 135MHz IF SAW。故意的失配通過衰減三次傳輸響應(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)的帶寬相對較窄，此電路的適中 IIP3 值 -28dBm 已綽綽有余。

可變增益放大器補(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。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。絕對增益電平、增益范圍和增益斜率均已針對溫度和電源變化進(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補(bǔ)償放大器處理。該補(bǔ)償放大器基于多 tanh 雙峰輸入級，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[幅在整個溫度范圍內(nèi)可用，最終輸出級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)提取信號的公共集電極 Clapp 拓?fù)洹?/font>該電路針對低噪聲、高信號擺幅進(jìn)行了優(yōu)化，沒有不對稱削波和最大諧振器負(fù)載 Q。信號被饋送到兩個限幅放大器結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于在整個溫度范圍內(nèi)提供恒定的信號擺幅。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 時諧振器端口反射系數(shù)的倒數(shù)。每個軌跡還包括 Vcc=2.7、3.0 和 3.3V 測量值。

合成器接受來自振蕩器的差分?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)，并在整個過程中使用差分信號。分隔塊的排列是為了確保第²LO 驅(qū)動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)位功能使用抑制時鐘線的單端電路。該技術(shù)允許在整個溫度范圍內(nèi)以低至 2.7V 的電源電壓運(yùn)行。

ROCIII 包含一個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)氧樹脂連接到 COB 模塊上具有多個接地過孔的鍍金焊盤，以幫助電路隔離。

電路	噪聲分貝	增益分貝	IIP3 dBm	注釋
預(yù)選過濾器	1個	-1	?	二極陶瓷
低噪聲放大器	2.2	18	-14.3	無需外部匹配
圖像拒絕過濾器	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
可變增益放大器	?	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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