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。
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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。
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图像抑制过滤器 2.5 -2.5 1575 mhz 射频声波
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1圣中频滤波器 16 -16 135 mhz 声波
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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。
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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。
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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。
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