近，GPS導航系統已被全球的消費市場廣泛采用。GPS不僅被用于專業或商業應用，如軍事跟蹤、運輸車隊、科技探索，而且還普遍用于許多消費類產品，如手機和個人數字助理(PDA)設備。

　　實際上，車載GPS導航系統近幾年來已經成為美國、歐洲和日本市場上中高端汽車的標準配備。GPS售后市場同樣火爆，因為車載娛樂信息系統，如具備大屏幕液晶顯示器的DVD影院將很有可能帶有GPS功能。

　　中國現在是備受關注的重要的新興市場之一。2005年底，中國配備GPS的汽車不到10萬輛，市場滲透率不及2%，遠遠低于成熟市場的滲透率。預計從2006年至2009年，中國的GPS市場每年將以至少50%的增長率迅速發展。到2009年，GPS產品總銷售額將為大約100億元人民幣。這就是GPS成為RF領域成長快速的市場的原因所在。

　　此外，對GPS接收器靈敏度的嚴格要求(特別在高樓大廈林立的城市地區)也推動了外部低噪放大器(LNA)應用市場的發展。英飛凌科技公司(Infineon Technologies)的BGA615L7是為數不多的、即使在弱信號條件下也能提高接收器靈敏度并兼具優異RF性能的GPS LNA之一。

　　在電氣特征方面，BGA615L7具有18dB的系統增益，系統噪聲系數低至0.9dB。它的RF輸出在內部進行了50歐姆的匹配，更重要的是，它可以承受基于人體模型的1kV靜電放電(ESD)。本文將討論利用BGA615L7來提高GPS RF系統性能。

　　GPS系統已得到廣泛使用，但GPS應用目前還面臨一些技術挑戰。GPS信號的強弱取決于信號帶寬和噪聲基底。但無線環境非常復雜，一方面，GPS噪聲基底約為111dBm/MHz且必須被防護，另一方面，來自導航衛星的弱信號易受到樹葉、多通道干擾以及天氣狀況的影響，而且在室內還會被進一步削弱，因此單芯片GPS接收器在如此苛刻條件下，若沒有外部LNA幾乎無法工作。圖1給出了GPS接收機系統的總體框圖。

圖1： GPS接收機系統的總體框圖

　　為提高GPS接收器的靈敏度，可以將單片微波集成電路(MMIC)或射頻(RF)晶體管用作GPS接收器中的LNA。性能良好的RF晶體管具有非常低的噪聲系數和非常高的增益，但為獲得RF性能，需要進行非常復雜的RF設計。

　　MMIC LNA的工作原理與RF晶體管相似，但它采用不同的RF設計方法。與RF晶體管LNA相比，MMIC LNA易于使用且RF設計復雜度低，外部器件數量少，能節省PCB空間并且縮短產品開發周期，因此現在MMIC以RF LNA形式廣泛用于許多無線應用。

　　BGA615L7是一種專門為GPS設計的硅鍺(SiGe)LNA MMIC，采用了英飛凌的B7HF技術。BGA615L7能經受基于人體模型的1kV靜電放電，增益高達18dB，噪聲系數低至0.9dB，輸入三階截止點(IIP3)在1.575GHz處為-1dBm。此外，BGA615L7還具有預匹配輸入、預匹配輸出和片上關斷功能，而待機電流低至3uA。BGA617L7采用小型P-TSLP-7-1無鉛封裝，非常適用于便攜式設備和PCB空間受限的設備，如手機、PDA和GPS模塊。(以上數據的測試條件為TA=25℃，Vcc=2.8V，頻率=1575MHz)

1. 低噪聲系數和高增益特性

　　噪聲會給通信系統帶來不利的影響，它會大大降低通信接收系統的靈敏度。噪聲系數是衡量器件的噪聲功率增加總量的一個測量指標。一階LNA是整個接收器鏈的系統噪聲系數的主要來源，這意味著噪聲系數越小，接收器的噪聲基底就越低，接收器的靈敏度就可以更高。

　　因此，噪聲系數低的MMIC LNA有助于大大提高整個GPS接收器的靈敏度。英飛凌的BGA615L7的噪聲系數低至0.9dB，它是世界上采用硅鍺(SiGe)技術、擁有噪聲系數的MMIC之一。此外，BGA615L7還具有高達18dB的系統增益。在一些設計中在采用BGA615L7以后，就不再需要二階LNA。如此高的增益性能可以幫助客戶降低系統總成本。

2. 高線性LNA

　　非線性LNA會產生很高的諧波失真，這些諧波產物會落在接收頻段，從而降低GPS接收器的RF靈敏度。描述LNA的線性特性有三個主要參數：輸入三階截止點(IIP3)、輸出三階截止點(OIP3)和輸出1dB壓縮點(OP1dB)。BGA615L7的IIP3高達-1dBm，OIP3可以達到+17dBm，OP1dB為+7dBm，這使得該芯片成為適用于GPS應用的LNA之一。

3. 合理的帶外抑制

　　在GPS天線和LNA之間放置一個帶通聲表面波(SAW)濾波器(如圖1所示)，可抑制所有不想要的信號。如果沒有帶通SAW濾波器，天線接收到的所有信號都將饋送到GPS LNA中，從而產生雜散信號并顯著降低接收器的接收靈敏度、LNA線性度等性能。例如，如果將一個不帶SAW濾波器的GPS接收器設計到手機系統中，手機功率放大器發出的強大GSM信號會大大降低GPS接收器的靈敏度和線性度。在具有WLAN和GPS功能的PDA上也會發生同樣問題。

　　因此，為確保處理器只處理想要的信號，用帶通SAW濾波器阻隔帶外信號進入GPS接收器非常重要。BGA615L7具有帶外抑制功能，可有效地阻隔一部分不想要的信號(圖2)。當它與拒波濾波器一起使用時，能有效地避免任何不想要的信號進入GPS接收器，從而提高RF的選擇性。

圖2：BGA615L7具有帶外抑制功能，可有效地阻隔一部分不想要的信號

4. 低功耗

　　對任何采用電池供電的設備而言，如何省電是一個關鍵問題。低功耗意味著工作時間更長。為實現這個目的，產品設計工程師可以采用更強大的電池，也可以降低系統功耗預算。當然，如果不考慮設計成本，同時采用這兩種方法是再好不過的，但這往往不現實。

　　BGA615L7集成了導通/關閉功能，可以降低接收器的電流消耗。在“關閉”狀態下，BGA615L7只需要3uA待機電流，在“導通”狀態下，總電流消耗僅為5.6mA。

5. 產品的可靠性

　　人們非常希望GPS設備具有很高的可靠性，特別對便攜式GPS系統而言。BGA615L7的工作電壓為2.4V~3.2V。在這個電壓變化范圍內，BGA615L7的RF性能仍保持高水平，電流消耗僅在5.5mA和5.7mA之間稍稍變動(圖3)，因此設計工程師完全不用擔心在低電池電量條件下LNA性能會下降。BGA615L7的工作溫度范圍為-30℃~+85℃，它可以在苛刻的環境(如在北極和撒哈拉沙漠)中正常工作。

圖3：BGA615L7的工作電壓為2.4~3.2V。在這個電壓變化范圍內，BGA615L7的RF性能仍保持高水平，電流消耗僅在5.5mA和5.7mA之間稍稍變動。

6. 只需少量的外部組件

　　手機、PDA和手表等消費類產品對尺寸有限制，它們需要小且薄的GPS模塊，BGA615L7可滿足這種設計要求。在標準應用中，BGA615L7只需7個外部無源器件(圖4)，一共僅占用6.6×2.3mm的電路板空間(圖5)。

　　圖4：在標準應用中，BGA615L7只需外接7個無源器件

本文小結

　　一款性能良好的GPS接收器應該具備高靈敏度和高選擇性特性，并且可以可靠地工作。采用智能軟件設計的精確的GPS硬件能進一步增強GPS功能。英飛凌公司的BGA615L7 MMIC可為GPS LNA帶來成本效益和優異的RF性能。

圖5：BGA615L7評估板僅占用6.6×2.3mm的電路板空間

參考資料：

[1] www.chinanews.cn
[2] BGA615L7 硅鍺 GPS LNA MMIC 產品簡介 (B132-H8725-X-0-7600)
[3] BGA615L7數據表
[4] GPS應用中的BGA615L7硅鍺LNA (AN091)