CC BY
169Использование малошумящего усилителя UPC8232T5N
для улучшения характеристик GPS-сигнала
Перевод: Руслан ЮРКОВ
Технология глобального позиционирования находит применение во многих различных устройствах. В настоящее время эта технология стремительно завоевывает рынок сотовых телефонов.
Введение
Спецификация E911 описывает особую GPS-технологию для сотовых телефонов. Трубки, использующие эту технологию, при звонке на номера служб спасения автоматически передают свои координаты операторам. Спрос на трубки, оснащенные GPS-сервисом, непрерывно растет. GPS-приемники входят в состав всех телефонов сотовой связи третьего поколения.
При использовании модулей GPS для мобильных устройств особое внимание производители уделяют размеру модуля и его энергопотреблению. Эти требования привели к разработке интегральных микросхем с функциями приемника и процессора GPS. Такая микросхема включает в себя встроенный малошумящий усилитель (МШУ). К сожалению, шумовые характеристики и общая чувствительность этих встроенных МШУ не всегда удовлетворительны. Чтобы уменьшить шум на входе и улучшить чувствительность, производители используют внешние устройства МШУ.
Рис. 1. Внешний вид оценочной платы UPC8232T5N
Дискретный МШУ должен располагаться около антенны, в этом случае потери существенно уменьшаются. Это решение плюс качественное согласование и фильтрация, могут улучшить шумовую характеристику более чем на 1,5 дБ по сравнению с использованием МШУ, интегрированного на чипе.
МШУ для GPS должны обладать следующими параметрами: низким уровнем шума, большим усилением, небольшим размером и низким энергопотреблением. Особенно важной является функция снижения энергопотребления, которая во время простоя отключает усилитель. Микросхема МШУ UPC8232T5N, разработанная компанией NEC, удовлетворяет всем этим требованиям.
SiGe-Carbon (карбоновая кремниево-германиевая) микросхема UPC8232T5N разработана специально для использования в составе модуля GPS для мобильных телефонов и имеет встроенные цепи согласования, ESD-защиту и стабилизатор напряжения. UPC8232T5N (рис. 1) имеет уровень шума 0,9 дБ и усиление 17,5 дБ. При этом потребление тока составляет всего 3,2 мА при напряжении питания 2,7-3,3 В (табл. 1). Благодаря своим размерам (1,5x1,5x0,37 мм) усилитель UPC8232T5N подходит для современных телефонов. Не требуя сложных внешних активных цепей, этот усилитель является наиболее миниатюрным дискретным решением МШУ в настоящее время.
Внеполосные сигналы и десенсибилизация
МШУ для диапазона 1,575 ГГц, особенно в высокоинтегрированных телефонах, подвергаются воздействию разнообразных внеполосных сигналов: мобильная связь 900 МГц, 1800-1900 МГц, 2,4 ГГц; WLAN и Bluetooth, а также 2,5-2,7 ГГц WiMAX. Если уровень этих блокирующих сигналов достаточно высок, проявляется эффект понижения усиления МШУ в полосе GPS и общего снижения чувствительности усилителя. Этот эффект называется десенсибилизация.
Измерения, проведенные компанией California Eastern Laboratories (CEL), показали, что внеполосные сигналы с уровнем -15 дБм могут уменьшить усиление МШУ на 1 дБ, снижая, таким образом, чувствительность системы GPS.
Эти измерения были сделаны путем подачи внеполосных сигналов в испытываемый МШУ. При этом контролировалось усиление сигнала на частоте 1,575 ГГц. Когда усиление уменьшалось на 1 дБ, регистрировался входной уровень мощности внеполосного сигнала, который вызывал десенсибилизацию.
Уменьшение десенсибилизации
Десенсибилизацию можно уменьшить, добившись максимального согласования уси-
Рис. 2. Входная последовательная LC-цепочка с низкими потерями
Таблица 1. Характеристики UPC8232T5N
Характеристики на частоте 1,575 ГГц
Коэффициент шума 0,95 дБ
Усиление 17,5 дБ
КСВН вход -15 дБ
КСВН выход -17 дБ
IP3 вход -10 дБм
P (1 дБ) вход -20 дБм
1потр 3,2 мА
Таблица 2. Входная последовательная LC-цепочка с низкими потерями
Таблица 4. Чувствительность — цепи согласования
Наименование Символ Значение Производитель Серия
Конденсатор C1 2,0 пФ Murata GRM15
Конденсатор C2 1,0 пФ Murata GRM15
Конденсатор C3 1000 пФ Murata GRM15
Конденсатор C4 1000 пФ Murata GRM15
Индуктивность L1 12,0 нГн Murata LQW15
1 100 МГц I
I ЗЮОМГцН
Рис. 3. График усиления с использованием цепей согласования с низкими потерями
лителя и применив фильтрацию. Согласование, которое приводит к улучшению характеристик, заключается в использовании входной последовательной ЬС-цепи с низкими потерями (рис. 2, табл. 2). По существу, это полосовой фильтр, который позволяет добиться величины коэффициента усиления ИРС8232Т5Ы 17,46 дБ (рис. 3).
Добавляя второй конденсатор в Т-образную цепь (рис. 4, табл. 3), получаем фильтр высокой частоты (ФВЧ). Эта цепь уменьшает чувствительность МШУ к сигналам 900 МГц, но не оказывает никакого эффекта на сигна-
Таблица 3. Входная цепочка с ФВЧ
Наименование Символ Значение Производитель Серия
Конденсатор C1 1,0 пФ Murata GRM15
Конденсатор C2 1,0 пФ Murata GRM15
Конденсатор C3 1000 пФ Murata GRM15
Конденсатор C4 1000 пФ Murata GRM15
Конденсатор C4 2,7 пФ Murata GRM15
Индуктивность L1 6,2 нГн Murata LQW15
Цепь согласования Последовательная LC-цепочка Т-образный ФВЧ
Коэффициент шума на 1,575 ГГц 0,95 дБ 1,05 дБ
Десенсибилизация:
900 МГц -15 дБм -5 дБм
1710 МГц -15 дБм -18 дБм
1850 МГц -15 дБм -17 дБм
2400 МГц -12 дБм -14 дБм
лы выше 1,575 ГГц и полосу GPS. Потери в ФВЧ также несколько ухудшают коэффициент шума. В таблице 4 сравнивается чувствительность к внеполосным сигналам для двух различных конфигураций.
Распределенная фильтрация — оптимальное решение
Самый распространенный и эффективный способ борьбы с десенсибилизацией — фильтрация. А самой оптимальной является распределенная фильтрация. При распределенной фильтрации полосовой фильтр на ПАВ с низкими потерями расположен перед МШУ, а второй, высокоизбирательный полосовой фильтр на ПАВ, — сразу после МШУ (рис. 5). В этой популярной конфигурации внеполосные сигналы подавляются фильтром до МШУ. При этом уровень блокирующих сигналов, при котором наступает десенсибилизация, увеличивается более чем на 20 дБ.
Предварительный фильтр также уменьшает интермодуляцию внеполосных сигналов в МШУ. Однако потери в фильтре приводят к ухудшению показателя коэффициента шума в полосе GPS почти на 0,5 дБ. Тем не менее, благодаря использованию сверхмалошу-
1,575 ГГц
V
UPC8232T5N SiGe:C МШУ
Предварительный Высоко-
фильтр с низкими избирательный
потерями фильтр на ПАВ
Рис. 5. Распределенная фильтрация
мящего усилителя, такого как UPC8232T5N, общий коэффициент шума остается на низком уровне.
Высокоизбирательный фильтр на ПАВ, стоящий после МШУ, имеет высокие потери в рабочей полосе GPS, но он устраняет любые сильные сигналы вне полосы GPS, которые могут быть усилены МШУ. В некоторых схемных решениях высокоизбирательный фильтр расположен перед МШУ. Однако эта конфигурация может добавить 1,5 дБ к коэффициенту шума — значение, которое неприемлемо в большинстве ситуаций.
Параметры, полученные при распределенной фильтрации, приведены в таблице 5 и на рис. 6. Нужно отметить, что коэффициент шума остался в пределах 1,5 дБ, несмотря на потери фильтра и значительное улучшение десенсибилизации, уровень которой составляет более +5 дБм.
Таблица 5. Десенсибилизация при распределенной фильтрации
UPC8232T5N с предварительной и последующей фильтрацией
Коэффициент шума 1,575 ГГц 1,5 дБ
Усиление 1,575 ГГц 15,6 дБ
Десенсибилизация:
на 900 МГц >+10 дБм
на 1710 МГц +5 дБм
на 1850 МГц +8 дБм
на 2400 МГц >+10 дБм
Реализация распределенных цепей фильтрации требует особого внимания к выбору компонентов и согласованию. С помощью компонентов согласующей цепи МШУ должен быть настроен на наименьший коэффициент шума и согласован с входом. Плохое согласование вызовет потери в ПАВ-фильтре, стоящем перед МШУ, которые, в свою очередь, ухудшат общую шумовую характеристику.
Компоненты, используемые во входной цепи МШУ, должны иметь высокую добротность. Характеристики фильтра особенно чувствительны к добротности катушки индуктивности, стоящей на входе. Топология полосковых линий должна обеспечивать низкий уровень потерь, поскольку чрезмерно узкие полосковые линии увеличат коэффициент шума. На рис. 7 изображена оценочная
1.15,60 дБ при 1,575 ГГц
2. -76,25 дБ при 900 МГц
3. -50,57 при 1,9 ГГц
Рис. б. Частотная характеристика усилителя с распределенной фильтрацией
плата UPC8232T5N, в которой используется распределенная фильтрация.
Заключение
Благодаря подходящим компонентам и профессиональной разработке цепей, инженеры, реализующие возможности GPS, могут легко справиться с внеполосными сигналами. Использование малошумящего усилителя UPC8232T5N и распределенной фильтрации поможет сделать это, не жертвуя пространством и энергопотреблением. ■
