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用于 GPS/GLONASS 应用的单芯片硅双极接收器

1946861 2022-11-18 | pdf | 149.74KB | 次下载 | 免费

资料介绍

会议：IEEE 国际固态电路会议 1999会议：IEEE 国际固态电路会议 1999会议：通信会议：通信
隶属关系：Symmetricom Ltd

联系方式：

Michael J. McCullagh Symmetricom Ltd
首席设计工程师Mansard Close Westgate Northampton NN5 5DL England Tel +44 (0)1604 586744传真 +44 (0)1604 585599

RF/IF 硅双极 ASIC ROCIII（片上接收器）旨在为面向专业市场的一系列 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实现了成功的性能，现已投入生产。ASIC 封装在板上芯片 (COB) 模块中，其中还包含额外的无源元件和控制回路。每个 COB 模块都针对一组特定的应用程序，并且具有作为坚固组件的优势，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。

嵌入 GPS/GLONASS COB 模块的 ROCIII 简化示意图如图 1 所示。1.91mm x 1.71mm ASIC 采用 Maxim GST-2 硅双极工艺设计，主频 Ft 为 27GHz。它采用 2.7V 至 3.3V 的电源电压工作，消耗 53mA 的直流电流。工作温度范围为 -40° 至 +85°C。每个级的增益、噪声系数和输入参考 IP3 (IIP3) 信息以及完整的接收器包含在表 1 中。接收器采用双下变频方案，提供良好的频率选择性和镜像响应的高衰减，这可能会影响输出带外干扰性能。^{另一个优势是通过 RF、第一}中频和^第二中频之间的增益分配提供额外的稳定性余量IF 频率，特别是考虑到标称 AGC 条件下的总片上工作增益为 130dB。第一^LO辐射也很低，这对于多接收器系统很重要。

图 1. 嵌入 GPS/GLONASS COB 模块的 ROCIII 简化示意图。

表 1. ROCIII 电路和完整接收器的增益、噪声系数和 IP3。
接收器的一个关键特性是它结合了良好的线性度和高水平的 RF 增益，允许高选择性，但插入损耗高，SAW 设备作为第一个^IF滤波器。该滤波器提供高度接近载波干扰的余量，并充当有效的^三阶互调。产品分界点。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，接近载波的干扰功率图。高达 40dB 的改善非常显着。这两款接收器在 940 和 1840MHz 的主要蜂窝传输频段上具有相似的阻塞性能。请注意，带内干扰功率受限于 DSP 中的载波跟踪环路带宽。接收器的 GPS 带的频率响应包含在图 3中，它是通过将 RF 输入频率从 1570.42MHz 扫描到 1580.42MHz 并记录 GPS 2 ^nd IF 输出而获得的。

图 2. ROCIII 模块和商用接收机的近载波干扰功率比较。

图 3. 接收器 GPS 带的扫描频率响应，Y 轴上的相对刻度。

ROCIII 中捕获的频率规划以 20MHz 的低成本参考运行，RF=1575.42MHz，第一^中频=135.42MHz，^第二中频=15.42MHz。ROCIII 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 信道间隔，因此允许该装置选择各种 GLONASS 卫星。VHF 下变频器由 ROCIII RF 混频器输出通过 IF 滤波器驱动。

LNA 使用 2 级并联/串联反馈拓扑，不需要外部匹配。直流电源通过连接到输出端口的 al/4 带状线提供，电路是自偏置的。图 4包含感兴趣频带和三个 Vcc 电平的噪声系数图。表 1 中详述的测量性能与从 Maxim 基于 SPICE 的模拟设计系统 (ADS) 获得的仿真结果进行了比较，后者增益 = 18.5dB，NF = 2.4dB 和 IIP3 = -13.9dBm。

图 4. ROCIII LNA 在三个 Vcc 值下的频率噪声系数。

RF 下变频器基于双平衡 Gilbert 单元，具有由低阻抗差分对提供的 LO 驱动。吉尔伯特单元和 LO 驱动器都通过经典排列进行 PTAT 偏置。两个级的偏置电流都经过优化，以最大限度地降低噪声系数、最大化 IP3 和最大化增益。RF 输入通过有损匹配技术在外部进行匹配。该电路的典型电源是用作镜像抑制滤波器的单端 50Ω RF SAW。IF 输出通过低输出阻抗射极跟随器提供，适合直接驱动 135MHz IF SAW。故意的失配通过衰减三次传输响应将 SAW 的群延迟失真保持在可接受的水平内。

IF 下变频器有一个前置放大器加上具有 PTAT 偏置的吉尔伯特单元类型拓扑。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。100Ω 的差分输入终端电阻（片外）用于最小化 SAW 群延迟失真。^{鉴于前面的第一}中频 SAW (2.8MHz)的带宽相对较窄，此电路的适中 IIP3 值 -28dBm 已绰绰有余。

可变增益放大器补偿总接收器增益变化，以确保传送到 3 电平数字转换器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 还实施自适应数字化阈值方案，有助于减轻带内干扰信号。该电路具有大于 60dB 的有用增益控制范围，最大增益水平为 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。增益控制输入在应用于 VGA 电流控制核心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，并可在进入压缩前提供接近 1V 的单端摆幅。它旨在驱动单独的数字转换器或配套的数字 ASIC（正在设计中）。为了确保总摆幅在整个温度范围内可用，最终输出级的偏置源是随温度而不是 PTAT 提供恒定电流的源。

L 波段 VCO 的核心基于具有平方根 PTAT 偏置和从基节点提取信号的公共集电极 Clapp 拓扑。该电路针对低噪声、高信号摆幅进行了优化，没有不对称削波和最大谐振器负载 Q。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。该电路使用外部线绕电感器和变容二极管工作。图 5包含 VCO 谐振器端口反射系数的倒数随温度和电源电压变化的曲线图。100kHz偏移处的相位噪声为-103dBc/Hz，使用同轴陶瓷谐振器可将此数字改善5dB。

图 5. -40、23 和 85°C 时谐振器端口反射系数的倒数。每个轨迹还包括 Vcc=2.7、3.0 和 3.3V 测量值。

合成器接受来自振荡器的差分数字缓冲器的输出，并将 1.44GHz 到 120MHz 的频率分频用于^第二LO，20MHz 用于鉴频鉴相器 (PFD)，90MHz 用于 GLONASS 参考输出。它基于传统的电流模式逻辑技术，并在整个过程中使用差分信号。分隔块的排列是为了确保第²LO 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的退化最小。PFD 中的复位功能使用抑制时钟线的单端电路。该技术允许在整个温度范围内以低至 2.7V 的电源电压运行。

ROCIII 包含一个基于带隙单元的模拟偏置电路，可为各种片上电路提供参考电压和电流。数字偏置电路为数字单元提供单独的参考电压，确保在整个工作温度范围内保持恒定的逻辑电平摆幅。ASIC 采用 6 条独立的 Vcc 和接地线，每条线都有一个相关联的衬底区域，以最大限度地提高电路之间的隔离度。所有电源都在片外独立去耦，所有焊盘均受 ESD 保护。ROCIII 裸片使用导电环氧树脂连接到 COB 模块上具有多个接地过孔的镀金焊盘，以帮助电路隔离。

电路	噪声分贝	增益分贝	IIP3 dBm	注释
预选过滤器	1个	-1		二极陶瓷
低噪声放大器	2.2	18	-14.3	无需外部匹配
图像拒绝过滤器	2.5	-2.5		1575 MHz 射频声表
射频下变频器	10.8	25	-16.6	电压转换增益输入有损匹配
第一^中频滤波器	16	-16		135 MHz SAW 有效 IP3 截止点
中频下变频器	10.1	36	-28	NF 包括片外 100Ω 差分输入终端
第二^中频滤波器		-1		分立式 LC 滤波器
可变增益放大器		11		工作在低于最大增益 7dB
固定增益放大器		40
总接收者	4.0	109.5	-31.2

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