提高GPS系统接收灵敏度的关键是前置低噪声放大器

2007-07-03 13:15:12来源: 电子系统设计
最近,GPS导航系统已被全球的消费市场广泛采用。GPS不仅被用于专业或商业应用,如军事跟踪、运输车队、科技探索,而且还普遍用于许多消费类产品,如手机和个人数字助理(PDA)设备。

实际上,车载GPS导航系统近几年来已经成为美国、欧洲和日本市场上中高端汽车的标准配备。GPS售后市场同样火爆,因为车载娱乐信息系统,如具备大屏幕液晶显示器的DVD影院将很有可能带有GPS功能。

中国现在是备受关注的最重要的新兴市场之一。2005年底,中国配备GPS的汽车不到10万辆,市场渗透率不及2%,远远低于成熟市场的渗透率。预计从2006年至2009年,中国的GPS市场每年将以至少50%的增长率迅速发展。到2009年,GPS产品总销售额将为大约100亿元人民币。这就是GPS成为RF领域成长最快速的市场的原因所在。

此外,对GPS接收器灵敏度的严格要求(特别在高楼大厦林立的城市地区)也推动了外部低噪放大器(LNA)应用市场的发展。英飞凌科技公司(Infineon Technologies)的BGA615L7是为数不多的、即使在弱信号条件下也能提高接收器灵敏度并兼具优异RF性能的GPS LNA之一。

在电气特征方面,BGA615L7具有18dB的系统增益,系统噪声系数低至0.9dB。它的RF输出在内部进行了50欧姆的匹配,更重要的是,它可以承受基于人体模型的1kV静电放电(ESD)。本文将讨论利用BGA615L7来提高GPS RF系统性能。

GPS系统已得到广泛使用,但GPS应用目前还面临一些技术挑战。GPS信号的强弱取决于信号带宽和噪声基底。但无线环境非常复杂,一方面,GPS噪声基底约为111dBm/MHz且必须被防护,另一方面,来自导航卫星的弱信号易受到树叶、多通道干扰以及天气状况的影响,而且在室内还会被进一步削弱,因此单芯片GPS接收器在如此苛刻条件下,若没有外部LNA几乎无法工作。图1给出了GPS接收机系统的总体框图

图1: GPS接收机系统的总体框图。

为提高GPS接收器的灵敏度,可以将单片微波集成电路(MMIC)或射频(RF)晶体管用作GPS接收器中的LNA。性能良好的RF晶体管具有非常低的噪声系数和非常高的增益,但为获得最佳RF性能,需要进行非常复杂的RF设计。

MMIC LNA的工作原理与RF晶体管相似,但它采用不同的RF设计方法。与RF晶体管LNA相比,MMIC LNA易于使用且RF设计复杂度低,外部器件数量少,能节省PCB空间并且缩短产品开发周期,因此现在MMIC以RF LNA形式广泛用于许多无线应用。

BGA615L7是一种专门为GPS设计的硅锗(SiGe)LNA MMIC,采用了英飞凌的B7HF技术。BGA615L7能经受基于人体模型的1kV静电放电,增益高达18dB,噪声系数低至0.9dB,输入三阶截止点(IIP3)在1.575GHz处为-1dBm。此外,BGA615L7还具有预匹配输入、预匹配输出和片上关断功能,而待机电流低至3uA。BGA617L7采用小型P-TSLP-7-1无铅封装,非常适用于便携式设备和PCB空间受限的设备,如手机、PDA和GPS模块。(以上数据的测试条件为TA=25℃,Vcc=2.8V,频率=1575MHz)

1. 低噪声系数和高增益特性

噪声会给通信系统带来不利的影响,它会大大降低通信接收系统的灵敏度。噪声系数是衡量器件的噪声功率增加总量的一个测量指标。一阶LNA是整个接收器链的系统噪声系数的主要来源,这意味着噪声系数越小,接收器的噪声基底就越低,接收器的灵敏度就可以更高。

因此,噪声系数低的MMIC LNA有助于大大提高整个GPS接收器的灵敏度。英飞凌的BGA615L7的噪声系数低至0.9dB,它是世界上采用硅锗(SiGe)技术、拥有最低噪声系数的MMIC之一。此外,BGA615L7还具有高达18dB的系统增益。在一些设计中在采用BGA615L7以后,就不再需要二阶LNA。如此高的增益性能可以帮助客户降低系统总成本。

2. 高线性LNA

非线性LNA会产生很高的谐波失真,这些谐波产物会落在接收频段,从而降低GPS接收器的RF灵敏度。描述LNA的线性特性有三个主要参数:输入三阶截止点(IIP3)、输出三阶截止点(OIP3)和输出1dB压缩点(OP1dB)。BGA615L7的IIP3高达-1dBm,OIP3可以达到+17dBm,OP1dB为+7dBm,这使得该芯片成为最适用于GPS应用的LNA之一。

3. 合理的带外抑制

在GPS天线和LNA之间放置一个带通声表面波(SAW)滤波器(如图1所示),可抑制所有不想要的信号。如果没有带通SAW滤波器,天线接收到的所有信号都将馈送到GPS LNA中,从而产生杂散信号并显著降低接收器的接收灵敏度、LNA线性度等性能。例如,如果将一个不带SAW滤波器的GPS接收器设计到手机系统中,手机功率放大器发出的强大GSM信号会大大降低GPS接收器的灵敏度和线性度。在具有WLAN和GPS功能的PDA上也会发生同样问题。

因此,为确保处理器只处理想要的信号,用带通SAW滤波器阻隔带外信号进入GPS接收器非常重要。BGA615L7具有带外抑制功能,可有效地阻隔一部分不想要的信号(图2)。当它与拒波滤波器一起使用时,能有效地避免任何不想要的信号进入GPS接收器,从而提高RF的选择性。

图2:BGA615L7具有带外抑制功能,可有效地阻隔一部分不想要的信号。

4. 低功耗

对任何采用电池供电的设备而言,如何省电是一个关键问题。低功耗意味着工作时间更长。为实现这个目的,产品设计工程师可以采用更强大的电池,也可以降低系统功耗预算。当然,如果不考虑设计成本,同时采用这两种方法是再好不过的,但这往往不现实。

BGA615L7集成了导通/关闭功能,可以降低接收器的电流消耗。在“关闭”状态下,BGA615L7只需要3uA待机电流,在“导通”状态下,总电流消耗仅为5.6mA。

5. 产品的可靠性

人们非常希望GPS设备具有很高的可靠性,特别对便携式GPS系统而言。BGA615L7的工作电压为2.4V~3.2V。在这个电压变化范围内,BGA615L7的RF性能仍保持高水平,电流消耗仅在5.5mA和5.7mA之间稍稍变动(图3),因此设计工程师完全不用担心在低电池电量条件下LNA性能会下降。BGA615L7的工作温度范围为-30℃~+85℃,它可以在苛刻的环境(如在北极和撒哈拉沙漠)中正常工作。

图3:BGA615L7的工作电压为2.4~3.2V。在这个电压变化范围内,BGA615L7的RF性能仍保持高水平,电流消耗仅在5.5mA和5.7mA之间稍稍变动。

6. 只需少量的外部组件

手机、PDA和手表等消费类产品对尺寸有限制,它们需要小且薄的GPS模块,BGA615L7可满足这种设计要求。在标准应用中,BGA615L7只需7个外部无源器件(图4),一共仅占用6.6×2.3mm的电路板空间(图5)。

图4:在标准应用中,BGA615L7只需外接7个无源器件。

本文小结

一款性能良好的GPS接收器应该具备高灵敏度和高选择性特性,并且可以可靠地工作。采用智能软件设计的精确的GPS硬件能进一步增强GPS功能。英飞凌公司的BGA615L7 MMIC可为GPS LNA带来成本效益和优异的RF性能。

图5:BGA615L7评估板仅占用6.6×2.3mm的电路板空间。

参考资料:

[1] www.chinanews.cn

[2] BGA615L7 硅锗 GPS LNA MMIC 产品简介 (B132-H8725-X-0-7600)

[3] BGA615L7数据表

[4] GPS应用中的BGA615L7硅锗LNA (AN091)

关键字:信号  带宽  基底  通道

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/RFID/200707/1922.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
信号
带宽
基底
通道

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved