低噪聲放大器在手機(jī)GPS上的應(yīng)用———低噪聲放大器在手機(jī)GPS上的應(yīng)用

［摘要］：早在2001年911恐怖事件以后，美國(guó)基于安全的考慮，強(qiáng)制要求手機(jī)具有GPS定位功能，以確定該手機(jī)的實(shí)時(shí)位置。近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，道路建設(shè)日新月異；人們工作生活節(jié)奏加快，GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)日顯重要，需求增加。最近有消息稱(chēng)：諾基亞高調(diào)宣布為其智能手機(jī)推出了Ovi地圖新版本，將包括高端的步行和駕駛導(dǎo)航。此舉被視為對(duì)GPS手機(jī)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)以及GPS導(dǎo)航相關(guān)產(chǎn)業(yè)影響巨大的變革。隨著手機(jī)性能的普遍提升，以及手機(jī)GPS接收機(jī)獨(dú)特問(wèn)題的解決，GPS功能已不再是高端手機(jī)獨(dú)享的配置，正在向普通手機(jī)標(biāo)配發(fā)展。［關(guān)鍵詞］：低噪聲放大器 手機(jī)GPS

早在2001年911恐怖事件以后，美國(guó)基于安全的考慮，強(qiáng)制要求手機(jī)具有GPS定位功能，以確定該手機(jī)的實(shí)時(shí)位置。近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展，道路建設(shè)日新月異；人們工作生活節(jié)奏加快，GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)日顯重要，需求增加。最近有消息稱(chēng)：諾基亞高調(diào)宣布為其智能手機(jī)推出了Ovi地圖新版本，將包括高端的步行和駕駛導(dǎo)航。此舉被視為對(duì)GPS手機(jī)導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)以及GPS導(dǎo)航相關(guān)產(chǎn)業(yè)影響巨大的變革。隨著手機(jī)性能的普遍提升，以及手機(jī)GPS接收機(jī)獨(dú)特問(wèn)題的解決，GPS功能已不再是高端手機(jī)獨(dú)享的配置，正在向普通手機(jī)標(biāo)配發(fā)展。

GPS功能簡(jiǎn)介
GPS全稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)，由24顆衛(wèi)星分布在6個(gè)不同高度的軌道上，按功能分有導(dǎo)航和定位兩個(gè)；按應(yīng)用分軍用和民用。其中軍用頻率在1.227GHz ，由美國(guó)軍方獨(dú)占，用途主要用于武器制導(dǎo)，偵查等軍事和戰(zhàn)爭(zhēng)用途，精度高。民用頻率在1.575GHz，供全球免費(fèi)使用，用途主要用于海航，自然科學(xué)領(lǐng)域，更廣泛的是我們熟悉的汽車(chē)行駛導(dǎo)航等。 只有同時(shí)接收到3顆星的有效信號(hào)才能確定其位置。
GPS信號(hào)微弱，接收機(jī)靈敏度通常在-136dBm左右。

手機(jī)GPS的 挑戰(zhàn)
手機(jī)應(yīng)用的特點(diǎn)：體積小，功耗低，生產(chǎn)性好，器件便宜，設(shè)計(jì)時(shí)間短，產(chǎn)品面市快。基于手機(jī)平臺(tái)的GPS功能比獨(dú)立GPS接收機(jī)有更高的要求，更具有挑戰(zhàn)性，主要考慮以下幾個(gè)方面： 電子環(huán)境，功耗，體積，價(jià)格，設(shè)計(jì)時(shí)的便捷性和性能指標(biāo)的容易實(shí)現(xiàn)性。

常見(jiàn)的單片GPS接收機(jī)采用CMOS工藝，達(dá)不到很高的收機(jī)靈敏度。相比汽車(chē)行駛在比較寬闊空間的路面上，手持GPS比車(chē)載的移動(dòng)更靈活，所處位置信號(hào)會(huì)更弱，多徑接收更普遍。要求接收能力更強(qiáng)，在接收前端增加濾波器和低噪放非常必要。

手機(jī)上的GPS 設(shè)計(jì)之考慮
電子環(huán)境更惡劣。GPS 接收和手機(jī)功放在同一塊板上，對(duì)1.575GHz GPS信號(hào)而言其帶外信號(hào)主要有：900MHz,1800MHz 的GSM 功放；1800—1900MHz 的PCS功放；2.4GHz的 WLAN,藍(lán)牙; 以及2.5—2.7GHz的WiMAX。這些信號(hào)雖不會(huì)同時(shí)存在，但每個(gè)都很強(qiáng)，對(duì)GPS接收性能都有明顯影響。實(shí)驗(yàn)表明：-15dBm的帶外信號(hào)，會(huì)引起GPS 低噪放增益下降1dB. 因此，選擇手機(jī)GPS 低噪放時(shí)不僅要看其自身的噪聲系數(shù)和增益，更要關(guān)注其帶外衰減指標(biāo)，這對(duì)GPS接收機(jī)的捕捉能力，跟蹤性能和定位精度，乃至能否正常工作至關(guān)重要。

CDMA, WCDMA手機(jī)收發(fā)是雙工工作的，其功放的發(fā)射信號(hào)和噪聲會(huì)對(duì)GPS信號(hào)形成干擾乃至堵塞 。因此，GPS接收機(jī)必須外加LNA和高性能的濾波器。LNA增加了其接收靈敏度，而濾波器則增強(qiáng)帶外衰減。對(duì)設(shè)計(jì)布線上另一個(gè)好處是，LNA可放置在靠近天線端，降低對(duì)GPS接收模塊位置的要求，并使GPS接收機(jī)噪聲系數(shù)得到1.5dB左右的改善。然而，由于GSM手機(jī)收發(fā)是時(shí)分工作的，相對(duì)而言對(duì)GPS信號(hào)的帶外衰減要求不是很苛刻，可以省掉高性能的濾波器，用簡(jiǎn)單地濾波加低噪放方案來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS接收前端，以節(jié)省成本。

針對(duì)不同的系統(tǒng)和平臺(tái)，目前，手機(jī)GPS接收前端有幾種方案：
－－在GMS系統(tǒng)上，選擇有源天線，即低噪放和GPS接收天線集成在一起；
－－在CDMA, WCDMA系統(tǒng)上，有分立的低噪放加濾波器，二種器件所采用的材料和性能都有選擇余地。以上方案這對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)間，設(shè)計(jì)難度，性能指標(biāo)，PCB尺寸以及元件數(shù)都是挑戰(zhàn)。

隨著市場(chǎng)需求的變化，濾波器和低噪放集成在一起的GPS接收前端得到了廣泛的應(yīng)用，其好處顯而易見(jiàn)。和分立器件一樣，二者有不同的組合：LNA+陶瓷濾波器或 LNA+SAW(聲表面波濾波器)。在市場(chǎng)上， 性能以CaAs E-pHEMT+FBAR方案為最優(yōu)：噪聲小，線性更好，帶外衰減更好。

Avago 公司致力于GPS接收前端模塊
Avago 結(jié)合行業(yè)領(lǐng)先的CaAs E-pHEMT工藝和FBAR濾波器技術(shù)，提供GPS射頻前端系列模塊，為GPS外加低噪放前端提供了多種選擇，詳見(jiàn)圖1，3，4，5所示，結(jié)構(gòu)有： Filter + LNA + Filter; Filter + LNA; LNA + Filter; 或單純的LNA，在規(guī)劃和設(shè)計(jì)這些產(chǎn)品時(shí)Avago充分考慮了其應(yīng)用環(huán)境，是手機(jī)GPS接收設(shè)計(jì)上的首選。

CaAs E-pHEMT低噪放的特點(diǎn)
相比其他材料和工藝，CaAs E-pHEMT的優(yōu)勢(shì)主要在于：噪聲系數(shù)低，是低噪放的首選；低工作電壓下線性高，提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍，有利于后續(xù)信號(hào)的混頻和解調(diào)；增益高乃是放大器的價(jià)值所在。因此，CaAs E-pHEMT正是噪聲系數(shù)，線性和增益三個(gè)低噪放重要指標(biāo)的完美結(jié)合，這是Si材料低噪放很難達(dá)到的。

FBAR 濾波器的特點(diǎn)
陶瓷濾波能承受較大的功率，溫度特性好，但器體積大，Q值不如FBAR的好；
SAW濾波器承受功率小，溫度特差，Q值低，便宜。在一些指標(biāo)要求不太高的手機(jī)上還有應(yīng)用；
FBAR濾波器：性能好，體積小，易于集成。隨著在手機(jī)上雙工器，濾波器取代SAW的應(yīng)用越來(lái)越多，其性價(jià)比已被大家所認(rèn)同。

ALM-1712 GPS接收前端實(shí)例
下圖1為Avago的ALM-1712產(chǎn)品，由兩個(gè)FBAR濾波器和一個(gè)LNA組成，三級(jí)總的噪聲系數(shù)為1.65 dB 。RF端ESD >3KV，省去外加ESD保護(hù)器件，節(jié)省空間和成本。低至1V 工作，可關(guān)斷功能則滿足了手機(jī)應(yīng)用低功耗的要求，可變偏置則提供了在各個(gè)性能指標(biāo)中得到一個(gè)理想的平衡。 封裝為4.5(L)x2.2(W)x1(H) mm3，外圍器件只有8個(gè)電阻，電容和電感器件。

圖1：Avago ALM-1712產(chǎn)品

下圖2所示為在 Vdd = 2.7V, Idd = 8.0mA偏置下1.575GHz處的增益是12.8 dB； 線性IIP3 = +7 dBm, IP1dB = +3 dBm，對(duì)900MHz的帶外衰減高達(dá)95dBc， 對(duì)1800MHz的帶外衰減高達(dá)90dBc，有力地保證了在惡劣的電子環(huán)境下，GPS接收機(jī)發(fā)揮能良好的功能。ALM-1712很好地滿足了手機(jī)GPS的特殊要求：電子環(huán)境，功耗，體積和成本要求以及設(shè)計(jì)時(shí)間和性能指標(biāo)，這些對(duì)手機(jī)廠家的意義不言而喻。

圖2