用于GPS/GLONASS应用的单芯片硅双极接收器

本文介绍了一种用于高端GPS接收器的硅双极ASIC设计，该设计提供参考频率和IF输出，以便跟踪GLONASS卫星。3.2mm²接收器在-2°C至+7°C温度范围内工作在40.85V的最小电源电压。它具有4dB噪声系数（包括RF滤波器），总片内增益为130dB，IIP3为-31dBm。

RF/IF硅双极ASIC，ROCIII（片上接收器）旨在为针对专业市场的一系列GPS/GLONASS产品提供接收器解决方案。这些应用包括蜂窝基站的同步（高抗阻塞性）和具有亚厘米精度（低幅度和相位噪声）的测量级接收器。ROCIII在一次设计通过后就取得了成功的性能，现已投入生产。ASIC 封装在板载芯片 （COB） 模块中，这些模块还包含额外的无源元件和控制环路。每个 COB 模块都针对一组特定的应用，其优点是作为坚固的组件，可以使用标准的表面贴装制造技术直接放置在数字主板上。

ROCIIII的简化原理图，嵌入在GPS/GLONASS芯模块中，如图1所示。1.91mm x 1.71mm ASIC采用Maxim GST-2硅双极工艺设计，标题Ft为27GHz。它采用 2.7V 至 3.3V 的电源电压工作，吸收 53mA 的直流电流。工作温度范围为 -40° 至 +85°C。 表3包含每个级和整个接收器的增益、噪声系数和折合到输入端的IP3（IIP1）信息。接收器采用双下变频方案，具有良好的频率选择性和高图像响应衰减，可能会影响带外干扰性能。另一个优点是通过RF之间的增益分配提供额外的稳定性裕量，1圣IF 和 2德·IF频率，特别是考虑到标称AGC条件下的总片内工作增益为130dB。1圣LO辐射也很低，这对于多个接收器系统很重要。

图1.嵌入在GPS/GLONASS芯模块中的ROCIII的简化原理图。

电路	净空分贝	增益分贝	IIP3分贝	评论
预选过滤器	1	-1		两极陶瓷
液化天然气	2.2	18	-14.3	无需外部匹配
图像抑制过滤器	2.5	-2.5		1575 MHz 射频声波
射频下变频器	10.8	25	-16.6	电压转换增益 输入有损匹配
1圣中频滤波器	16	-16		135 MHz 声波 有效 IP3 截止点
中频下变频器	10.1	36	-28	NF 包括片外 100Ω 差分输入端接
2德·中频滤波器		-1		分立式LC滤波器
可变增益放大器		11		工作在比最大增益低 7dB
固定增益放大器		40
接收器总数	4.0	109.5	-31.2

接收器的一个关键特性是，它结合了良好的线性度和高电平RF增益，可实现高选择性但高插入损耗的SAW器件，作为1圣中频滤波器。该滤波器提供高度接近载波的干扰裕量，并充当有效的 3RD订购互调。产品截止点。图2包含ROCIII COB模块与专为C / A代码军事应用设计的GPS接收器相比，干扰功率接近载波的曲线。高达40dB的改进非常显着。两个接收器在 940 和 1840MHz 的主蜂窝发射频段提供相似的阻塞性能。请注意，带内干扰功率受DSP中载波跟踪环路带宽的限制。接收器GPS条的频率响应包含在图3中，是通过将RF输入频率从1570.42MHz扫描到1580.42MHz并记录GPS 2获得的。德·中频输出。

图2.ROCIII模块和商用接收器的接近载波干扰功率的比较。

图3.接收器GPS条的扫描频率响应，Y轴上的相对刻度。

ROCIII捕获的频率规划以20MHz的低成本基准工作，RF=1575.42MHz，1圣IF=135.42MHz， 2德·IF=15.42MHz。ROCIII 频率合成器提供 90MHz 的单独输出，用作外部低成本 GLONASS IF 模块的参考。该模块基于两个商用IC，一个VHF下变频器和一个双模预分频器。该模块内的额外分频（f/160）提供0.5625MHz的PLL比较频率，该频率正好等于GLONASS信道间距，因此允许该单元选择各种GLONASS卫星。VHF下变频器通过中频滤波器由ROCIII射频混频器输出驱动。

LNA 采用 2 级分流/串联反馈拓扑，无需外部匹配。直流电源通过连接到输出端口的 l/4 带状线供电，电路自偏置。图4显示了目标频带和三个Vcc电平下的噪声系数图。表1中详述的实测性能与Maxim基于SPICE的模拟设计系统（ADS）的仿真结果进行了很好的比较，仿真结果为增益=18.5dB、NF=2.4dB和IIP3=-13.9dBm。

图4.ROCIII LNA在三个Vcc值下的噪声系数随频率变化。

RF下变频器基于双平衡吉尔伯特电池，低阻抗差分对提供LO驱动。吉尔伯特单元和LO驱动均通过经典排列进行PTAT偏置。两级的偏置电流都经过优化，以最小化噪声系数，最大化IP3并最大化增益。RF输入通过有损匹配技术进行外部匹配。该电路的典型源是用作镜像抑制滤波器的单端50Ω RF SAW电路。中频输出通过低输出阻抗发射极跟随器提供，适合直接驱动135MHz中频声波。故意失配通过衰减三重传输响应，将SAW的群延迟失真保持在可接受的水平内。表1未涉及电路性能的一个方面是混频器RF输入时的LO功率= -49dBm（相当于40dB LO至RF隔离）。

IF下变频器具有前置放大器和具有PTAT偏置的吉尔伯特单元型拓扑。该电路经过优化，可提供高水平的转换增益和良好的噪声系数。采用100Ω差分输入端接电阻（片外）来最小化SAW群延迟失真。该电路的中等IIP3值-28dBm绰绰有余，因为前1圣中频声波 （2.8MHz）。

可变增益放大器补偿接收器总增益变化，以确保传递到3电平数字化仪的噪声信号始终处于正确的电平，以实现最佳编码。结合DSP，VGA还实现了自适应数字化阈值方案，有助于减轻带内干扰信号。该电路的有用增益控制范围大于60dB，最大增益电平为18dB。绝对增益电平、增益范围和增益斜率均已针对温度和电源变化进行了补偿。增益控制输入在施加到VGA电流转向内核之前由控制信号补偿放大器处理。该补偿放大器基于多tanh双峰输入级，可提供非常线性的增益斜率。固定增益放大器电路提供 40dB 的差分、直流耦合增益，可在进入压缩之前提供接近 1V 的单端摆幅。它设计用于驱动单独的数字化仪或配套的数字ASIC（设计中）。为了确保在整个温度范围内提供总摆幅，最终输出级偏置自一个源，该源在温度而不是PTAT上提供恒定电流。

L波段VCO的核心基于通用集电极Clapp拓扑，具有平方根PTAT偏置和从基节点提取信号。该电路针对低噪声、高信号摆幅（无不对称削波）和最大谐振器负载 Q 进行了优化。信号被馈送到两个限幅放大器结构，这些结构设计用于在整个温度范围内提供恒定的信号摆幅。该电路采用外部绕线电感器和变容二极管工作。图5包含VCO谐振器端口的反射系数随温度和电源电压的倒数曲线。100kHz偏移时的相位噪声为-103dBc/Hz，使用同轴陶瓷谐振器可将该数字提高5dB。

图5.谐振器端口在 -40、23 和 85°C 时的反射系数倒数。 每个轨迹还包括Vcc=2.7、3.0和3.3V测量。

频率合成器接受来自振荡器差分数字缓冲器的输出，并将频率从1.44GHz分频至120MHz，用于2德·LO，相位频率检波器（PFD）为20MHz，GLONASS基准输出为90MHz。它基于传统的电流模式逻辑技术，始终使用差分信号。分频块的布置，确保2德·LO驱动具有最小的占空比失真，因此IF下变频器的双平衡特性下降最小。PFD中的复位功能使用单端电路来抑制时钟线。该技术允许在整个温度范围内工作在低至 2.7V 的电源电压。

ROCIII包含一个基于带隙单元的模拟偏置电路，该电路为各种片上电路提供基准电压和电流。数字偏置电路为数字单元提供单独的基准电压，确保在整个工作温度范围内具有恒定的逻辑电平摆幅。ASIC采用六条独立的Vcc和接地线，每条线都有一个相关的基板区域，以最大限度地提高电路之间的隔离度。所有电源均在片外独立去耦，所有焊盘均具有ESD保护。ROCIII芯片通过导电环氧树脂连接到COB模块上具有多个接地通孔的金闪光焊盘上，以帮助电路隔离。

审核编辑：郭婷