低噪聲放大器在手機GPS上的應用

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，隨著我國基礎建設的迅猛發展，道路建設日新月異；人們工作生活節奏加快，GPS導航定位系統日顯重要，需求增加。最近有消息稱：諾基亞高調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手機導航產業以及GPS導航相關產業影響巨大的變革。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展。

GPS功能簡介

GPS全稱為全球定位系統，由24顆衛星分布在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

手機應用的特點：體積小，功耗低，生產性好，器件便宜，設計時間短，產品面市快。基于手機平臺的GPS功能比獨立GPS接收機有更高的要求，更具有挑戰性，主要考慮以下幾個方面：電子環境，功耗，體積，價格，設計時的便捷性和性能指標的容易實現性。

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 設計之考慮

電子環境更惡劣。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和增益，更要關注其帶外衰減指標，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重要。

CDMA, WCDMA手機收發是雙工工作的，其功放的發射信號和噪聲會對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接收機噪聲系數得到1.5dB左右的改善。然而，由于GSM手機收發是時分工作的，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GPS接收前端，以節省成本。

針對不同的系統和平臺，目前，手機GPS接收前端有幾種方案：

--在GMS系統上，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。以上方案這對設計時間，設計難度，性能指標，PCB尺寸以及元件數都是挑戰。

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：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 結合行業領先的CaAs E-pHEMT工藝和FBAR濾波器技術，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，結構有： Filter + LNA + Filter; Filter + LNA; LNA + Filter; 或單純的LNA，在規劃和設計這些產品時Avago充分考慮了其應用環境，是手機GPS接收設計上的首選。

CaAs E-pHEMT低噪放的特點

相比其他材料和工藝，CaAs E-pHEMT的優勢主要在于：噪聲系數低，是低噪放的首選；低工作電壓下線性高，提高接收機動態范圍，有利于后續信號的混頻和解調；增益高乃是放大器的價值所在。因此，CaAs E-pHEMT正是噪聲系數，線性和增益三個低噪放重要指標的完美結合，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。
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ALM-1712 GPS接收前端實例

下圖1為Avago的ALM-1712產品，由兩個FBAR濾波器和一個LNA組成，三級總的噪聲系數為1.65 dB 。RF端ESD >3KV，省去外加ESD保護器件，節省空間和成本。低至1V 工作，可關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。

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圖1：Avago? ALM-1712產品

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境下，GPS接收機發揮能良好的功能。ALM-1712很好地滿足了手機GPS的特殊要求：電子環境，功耗，體積和成本要求以及設計時間和性能指標，這些對手機廠家的意義不言而喻。

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圖2

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圖3??



圖4??



圖5

下面是市場常見的兩個型號的主要指標，在低噪放都采用CaAs E-pHEMT工藝的情況下，不難看出FBAR濾波器對PCS頻段的抑制比SAW高出21dB( 63 vs. 42)
產品?ALM-1412?RFxxxx
結構?CaAs E-pHEMT + FBAR?CaAs E-pHEMT + SAW
Gain(dB)?13.50 ?13.50
NF(dB)?0.82 ?0.85
IP1dB(dBm)?2.70 ?-2.00
IIP3(dBm)?7.00 ?9.00
Cell Band Rejection (dBc)?54.00 ?54.00
PCS Band Rejection (dBc)?63.00 ?42.00

附圖1是Avago公司在GPS 接收前端產品線的發展路線圖。不難發現，Avago公司對GPS接收機前端模塊和低噪放市場非常重視，隨著不同功能性能產品在GPS接收機上的廣泛應用，Avago將繼續推出更多滿足市場的產品，詳情可咨詢Aavago亞太地區重要代理商世強電訊。
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附圖1：Avago科技GPS接收前端產品發展線路圖

面向GSP, ISM和WiMAX市場, 最近Avago推出MGA-24106低噪放，繼承了Avago 低噪放產品一貫的噪聲系數，增益及線性指標的優勢。在3.3V6mA偏置下,1.57GHz，噪聲系數為0.87，增益為19.6dB, IP1dB為-8.7dBm, IIP3為-0.2dBm。 在低至1.8V電壓下能正常工作。封裝在1.5x1.2x0.5mm3，只需幾個外圍器件。在體積，功耗和低電壓工作方面更高一籌，其價格更具有市場競爭力。在手持，移動終端無線設備上應用前景廣闊。

附圖2是手機用FBAR, SAW和陶瓷濾波器的性能比較。FBAR技術是Avago公司又一領先技術的產品線，在手機上的雙工器，多工器和各種濾波器都占有很大的份額。
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附圖2：FBAR, SAW和陶瓷濾波器的性能比較。