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用于 GPS/GLONASS 應用的單芯片硅雙極接收器

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

資料介紹

會議：IEEE 國際固態電路會議 1999會議：IEEE 國際固態電路會議 1999會議：通信會議：通信
隸屬關系：Symmetricom Ltd

聯系方式：

Michael J. McCullagh Symmetricom Ltd
首席設計工程師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）旨在為面向專業市場的一系列 GPS/GLONASS 產品提供接收器解決方案。這些應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 在一次設計通過后就實現了成功的性能，現已投入生產。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用程序，并且具有作為堅固組件的優勢，可以使用標準的表面貼裝制造技術直接放置在數字主板上。

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 硅雙極工藝設計，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、噪聲系數和輸入參考 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的高衰減，這可能會影響輸出帶外干擾性能。^{另一個優勢是通過 RF、第一}中頻和^第二中頻之間的增益分配提供額外的穩定性余量IF 頻率，特別是考慮到標稱 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、噪聲系數和 IP3。
接收器的一個關鍵特性是它結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，并充當有效的^三階互調。產品分界點。圖 2包含 ROCIII COB 模塊與專為 C/A 代碼軍事應用設計的 GPS 接收器相比，接近載波的干擾功率圖。高達 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，帶內干擾功率受限于 DSP 中的載波跟蹤環路帶寬。接收器的 GPS 帶的頻率響應包含在圖 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 模塊和商用接收機的近載波干擾功率比較。

圖 3. 接收器 GPS 帶的掃描頻率響應，Y 軸上的相對刻度。

ROCIII 中捕獲的頻率規劃以 20MHz 的低成本參考運行，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分頻器。該模塊內的額外分頻 (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 衛星。VHF 下變頻器由 ROCIII RF 混頻器輸出通過 IF 濾波器驅動。

LNA 使用 2 級并聯/串聯反饋拓撲，不需要外部匹配。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 電平的噪聲系數圖。表 1 中詳述的測量性能與從 Maxim 基于 SPICE 的模擬設計系統 (ADS) 獲得的仿真結果進行了比較，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。

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 驅動。吉爾伯特單元和 LO 驅動器都通過經典排列進行 PTAT 偏置。兩個級的偏置電流都經過優化，以最大限度地降低噪聲系數、最大化 IP3 和最大化增益。RF 輸入通過有損匹配技術在外部進行匹配。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，適合直接驅動 135MHz IF SAW。故意的失配通過衰減三次傳輸響應將 SAW 的群延遲失真保持在可接受的水平內。

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撲。該電路經過優化，可提供高水平的轉換增益和良好的噪聲系數。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。

可變增益放大器補償總接收器增益變化，以確保傳送到 3 電平數字轉換器的噪聲信號始終處于正確的電平以實現最佳編碼。結合 DSP，VGA 還實施自適應數字化閾值方案，有助于減輕帶內干擾信號。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行了補償。增益控制輸入在應用于 VGA 電流控制核心之前由控制信號補償放大器處理。該補償放大器基于多 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，并可在進入壓縮前提供接近 1V 的單端擺幅。它旨在驅動單獨的數字轉換器或配套的數字 ASIC（正在設計中）。為了確保總擺幅在整個溫度范圍內可用，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 偏置和從基節點提取信號的公共集電極 Clapp 拓撲。該電路針對低噪聲、高信號擺幅進行了優化，沒有不對稱削波和最大諧振器負載 Q。信號被饋送到兩個限幅放大器結構，這些結構設計用于在整個溫度范圍內提供恒定的信號擺幅。該電路使用外部線繞電感器和變容二極管工作。圖 5包含 VCO 諧振器端口反射系數的倒數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字改善5dB。

圖 5. -40、23 和 85°C 時諧振器端口反射系數的倒數。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數字緩沖器的輸出，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。它基于傳統的電流模式邏輯技術，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 中的復位功能使用抑制時鐘線的單端電路。該技術允許在整個溫度范圍內以低至 2.7V 的電源電壓運行。

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。數字偏置電路為數字單元提供單獨的參考電壓，確保在整個工作溫度范圍內保持恒定的邏輯電平擺幅。ASIC 采用 6 條獨立的 Vcc 和接地線，每條線都有一個相關聯的襯底區域，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立去耦，所有焊盤均受 ESD 保護。ROCIII 裸片使用導電環氧樹脂連接到 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
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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