低噪聲放大器在手機GPS上的應用———低噪聲放大器在手機GPS上的應用

［摘要］：早在2001年911恐怖事件以后，美國基于安全的考慮，強制要求手機具有GPS定位功能，以確定該手機的實時位置。近年來，隨著我國基礎(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導航定位系統(tǒng)日顯重要，需求增加。最近有消息稱：諾基亞高調(diào)宣布為其智能手機推出了Ovi地圖新版本，將包括高端的步行和駕駛導航。此舉被視為對GPS手機導航產(chǎn)業(yè)以及GPS導航相關(guān)產(chǎn)業(yè)影響巨大的變革。隨著手機性能的普遍提升，以及手機GPS接收機獨特問題的解決，GPS功能已不再是高端手機獨享的配置，正在向普通手機標配發(fā)展。［關(guān)鍵詞］：低噪聲放大器 手機GPS

早在2001年911恐怖事件以后，美國基于安全的考慮，強制要求手機具有GPS定位功能，以確定該手機的實時位置。近年來，隨著我國基礎(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導航定位系統(tǒng)日顯重要，需求增加。最近有消息稱：諾基亞高調(diào)宣布為其智能手機推出了Ovi地圖新版本，將包括高端的步行和駕駛導航。此舉被視為對GPS手機導航產(chǎn)業(yè)以及GPS導航相關(guān)產(chǎn)業(yè)影響巨大的變革。隨著手機性能的普遍提升，以及手機GPS接收機獨特問題的解決，GPS功能已不再是高端手機獨享的配置，正在向普通手機標配發(fā)展。

GPS功能簡介
GPS全稱為全球定位系統(tǒng)，由24顆衛(wèi)星分布在6個不同高度的軌道上，按功能分有導航和定位兩個；按應用分軍用和民用。其中軍用頻率在1.227GHz ，由美國軍方獨占，用途主要用于武器制導，偵查等軍事和戰(zhàn)爭用途，精度高。民用頻率在1.575GHz，供全球免費使用，用途主要用于海航，自然科學領(lǐng)域，更廣泛的是我們熟悉的汽車行駛導航等。 只有同時接收到3顆星的有效信號才能確定其位置。
GPS信號微弱，接收機靈敏度通常在-136dBm左右。

手機GPS的 挑戰(zhàn)
手機應用的特點：體積小，功耗低，生產(chǎn)性好，器件便宜，設(shè)計時間短，產(chǎn)品面市快?；谑謾C平臺的GPS功能比獨立GPS接收機有更高的要求，更具有挑戰(zhàn)性，主要考慮以下幾個方面： 電子環(huán)境，功耗，體積，價格，設(shè)計時的便捷性和性能指標的容易實現(xiàn)性。

常見的單片GPS接收機采用CMOS工藝，達不到很高的收機靈敏度。相比汽車行駛在比較寬闊空間的路面上，手持GPS比車載的移動更靈活，所處位置信號會更弱，多徑接收更普遍。要求接收能力更強，在接收前端增加濾波器和低噪放非常必要。

手機上的GPS 設(shè)計之考慮
電子環(huán)境更惡劣。GPS 接收和手機功放在同一塊板上，對1.575GHz GPS信號而言其帶外信號主要有：900MHz,1800MHz 的GSM 功放；1800—1900MHz 的PCS功放；2.4GHz的 WLAN,藍牙; 以及2.5—2.7GHz的WiMAX。這些信號雖不會同時存在，但每個都很強，對GPS接收性能都有明顯影響。實驗表明：-15dBm的帶外信號，會引起GPS 低噪放增益下降1dB. 因此，選擇手機GPS 低噪放時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，這對GPS接收機的捕捉能力，跟蹤性能和定位精度，乃至能否正常工作至關(guān)重要。

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

針對不同的系統(tǒng)和平臺，目前，手機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。以上方案這對設(shè)計時間，設(shè)計難度，性能指標，PCB尺寸以及元件數(shù)都是挑戰(zhàn)。

隨著市場需求的變化，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用，其好處顯而易見。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)計這些產(chǎn)品時Avago充分考慮了其應用環(huán)境，是手機GPS接收設(shè)計上的首選。

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

FBAR 濾波器的特點
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。在一些指標要求不太高的手機上還有應用；
FBAR濾波器：性能好，體積小，易于集成。隨著在手機上雙工器，濾波器取代SAW的應用越來越多，其性價比已被大家所認同。

ALM-1712 GPS接收前端實例
下圖1為Avago的ALM-1712產(chǎn)品，由兩個FBAR濾波器和一個LNA組成，三級總的噪聲系數(shù)為1.65 dB 。RF端ESD >3KV，省去外加ESD保護器件，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應用低功耗的要求，可變偏置則提供了在各個性能指標中得到一個理想的平衡。 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900MHz的帶外衰減高達95dBc， 對1800MHz的帶外衰減高達90dBc，有力地保證了在惡劣的電子環(huán)境下，GPS接收機發(fā)揮能良好的功能。ALM-1712很好地滿足了手機GPS的特殊要求：電子環(huán)境，功耗，體積和成本要求以及設(shè)計時間和性能指標，這些對手機廠家的意義不言而喻。

圖2