用户指南 3910

MAX2769 GPS接收机用户指南

By: David Weber

摘要 : 这篇文章介绍了低成本,一次变频,低中频的GPS接收机芯片MAX2769,其灵活性及性能均优于早先的产品。同时描述了MAX2769评估板(EV kit)的测试程序以及为方便评估推荐使用的SPI™寄存器设置。

概述

MAX2769是低成本、一次变频、低中频GPS接收芯片,其灵活性及性能均优于已有产品。该器件支持各种GPS应用,如移动终端、PDA、嵌入式PC以及车载系统。MAX2769是市场上最灵活、性能最高、功耗最低的GPS接收机。

IC特性

低直流功耗

MAX2769在3V供电时,典型电流损耗为16mA至23mA。采用SPI接口控制,可将芯片置于空闲模式,这种模式下,只有时钟缓冲器和温度传感器工作,电流损耗降至0.5mA。

低BOM成本和小尺寸设计

MAX2769的直接下变频结构具有内部滤波器,无需外部滤波元件。系统串联噪声系数(NF)为1.4dB (第一级噪声系数的典型值为0.8dB),因此,该器件可以使用无源天线,不需要外部低噪声放大器(LNA)。由于省去了中频滤波和前置放大器,MAX2769只占用很小的电路板空间即可实现接收功能。

使用有源天线带来的灵活性

设计人员可利用该器件和一个有源天线,构建车载定位系统。对于有源天线的应用,可选择另一条内部通路,连接至一个增益更低(13dB与19dB)、噪声系数稍高(1.1dB与0.8dB)的LNA (LNA2)。这条通路可以将默认配置下、 3V供电时的电流损耗由23mA至21mA降到16mA至19mA。

引脚3的电压用来偏置有源器件。在无源天线应用中,可通过SPI接口关闭该电压。但是,一旦加载该电压,就会根据是否存在有源天线自动选择LNA。LNA选通模式下配置接收机,使其根据天线偏置引脚监测电流负荷是否超过1.5mA,从而自动在两个LNA之间切换。用户不需要针对有源天线、无源天线进行不同的设计;该芯片可针对不同应用自动选择适当的LNA。如果不需要自动选择LNA,可通过Config1寄存器<14:13>禁止该项功能。

内部调节参考晶振的容性负载

使用MAX2769及晶振参考时钟时,无需调节外部负载电容进行器件匹配—可通过SPI接口对一系列内部晶振负载电容进行设置,通过调整负载电容获得正确的参考时钟频率。内部电容的可编程范围大约为11pF至17pF (设置值加上9pF的寄生电容)。在晶体和晶体/参考输入之间放置一 个串联电容。如果所要求的负载在11pF至17pF,该耦合电容可以很大(如:10nF),以避免影响编程设置。对于负载电容小于11pF的晶体,需要较小的耦合电容与内部电容串联,降低器件的容性负载。两种方式最终对频率的调整都可通过SPI接口在内部完成。

参考频率和IF频率的灵活性

该设计的参考频率范围较宽:8MHz至44MHz,默认设置为16.328MHz。IF频率在0至12.5MHz之间分为63级可调,默认设置为4.092MHz (推荐IF频率保持在4.092MHz或4.092MHz以下,因为更高频率时需要额外的措施来保证其稳定性)。N分频合成器使器件能够以很小的步长提供优异的相位噪声指标,这样的灵活性并不影响性能。市场上没有其它产品能够提供这种灵活性。

中频滤波器的灵活性

中频滤波非常重要,因为它可在消除干扰的同时限定噪声带宽,并改善灵敏度。MAX2769的中频滤波非常灵活,设计中使用了复杂的多相巴特沃斯结构,可根据应用需要将其设置成3阶或5阶、带通或低通。可设置中心频率,使其与具体的中频设计保持一致。3dB带宽可选择为2.5MHz、4.2MHz、8.0MHz或18MHz。用户可根据具体应用选择一个带宽,优化设计(注:这里指双边带3dB带宽。当选择低通选项时,这个带宽减少一半,为1.25MHz、2.1MHz、4.0MHz和9MHz。事实上,最高设置只用于低通配置中)。传统设计中,需要一个4.8MHz的低通滤波器通过中频数据。该设计中,可使用2.6MHz带通滤波器降低3dB附近的噪声带宽,提高系统灵敏度。滤波器(带通模式)在fc ±1.023MHz处的衰减不能大于1dB。

高系统增益及宽范围的电平控制

不使用有源天线时,若要在小信号强度环境下使用MAX2769,接收机必须有足够的增益。MAX2769可提供高达110dB的增益(模拟模式)以及60dB至65dB的增益调节范围。

对放大后的RF信号进行滤波

独立使用该接收电路时不需要外部滤波,但当靠近蜂窝射频发送器或WiLAN发送器使用时,可能需要额外的滤波,以防止GPS接收前端过载。MAX2769在第一级LNA输出与混频器输入之间提供了RF信号引出端(分别为引脚2和5)。如果不需要滤波,这些端口直接通过耦合电容连接。如果在此处增加滤波,可以降低对接收机较高灵敏度的影响(例如,对于器件的典型参数,具有1dB插入损耗的声表滤波器可以使串联噪声系数或GPS灵敏度降低约0.15dB)。

输出模式的灵活性

绝大多数GPS器件只提供单一输出,MAX2769可设置为模拟输出或从ADC产生1至3位CMOS、无符号有限差分逻辑或二进制补码输出。

温度传感器和状态监测

MAX2769包含一个温度传感器,必要时可以进行外部校准。当通过LD引脚锁存检测状态时,器件经过设置可提供输出信号、参考时钟或Σ-Δ测试结果。也可以通过设置短路到有源天线或一个独立的电压测试点。

该器件通过3线SPI接口对10个寄存器进行编程配置,寄存器说明见表1。详细信息请参考MAX2769数据资料

表1. SPI配置寄存器说明
Register Address Function Default
CONF1<31:0> 0000 Configures Rx and IF sections, sets antenna bias and LNA autoselect A2919A3
CONF2<31:0> 0001 Configures AGC and output format 055028C
CONF3<31:0> 0010 Configures PGA, and details of AGC, filtering, and data streaming EAFE1DC
PLLCONFIG <31:0> 0011 Sets PLL, VCO, and CLK settings 9EC0008
DIV<31:0> 0100 Sets PLL main and reference division ratios 0C00080
FDIV<31:0> 0101 Sets PLL fractional division ratios 8000070
STRM<31:0> 0110 Configures DSP interface frame streaming 8000000
CLK<31:0> 0111 Sets fractional clock divider values 10061B2
TEST1<31:0> 1000 Sets up test mode 1E0D401
TEST2<31:0> 1001 Sets up test mode 14C0002

关于MAX2769评估板的主要功能,可通过以下步骤对表2所列参数进行测量。欲知更多详情,可查询MAX2769评估板数据资料。为方便测试,一些设置不同于缺省设置,用户可自由选择不同设置。

表2. 推荐测量步骤中的待测参数
Parameter Pins at Which Measurements Are Made on the MAX2769 Connectors at Which Measurements Are Made on the MAX2769 EV Kit Target Value
LNA1 Gain 27–2 J7–J8 19dB
LNA2 Gain 25–2 J6–J8 13dB
System IP3 with LNA1 27–18 J7–J2 -26dBm
System IP3 with LNA2 25–18 J6–J2 -20dBm
LNA1 NF (Default Mode) 27–2 J7–J8 0.8dB
LNA2 NF 25–2 J6–J8 1.5dB
LNA1 P1dB (Output) 27–2 J7–J8 8dBm
LNA2 P1dB (Output) 25–2 J6–J8 10dB
Cascaded System NF, LNA1 27–18 J7–J2 1.4dB
Cascaded System NF, LNA2 25–18 J6–J2 2.7dB
Current Consumption (Default Mode, LNA1) 11, 13, 14, 19, 23 W19, W20, W11, W12 19mA (default mode device only) (36mA at 3V, 140mA at ±5V for entire EV kit)
IF Output Gain Range (4.092MHz IF) 27–18 J6 or J7–J2 55dB to 110dB
3dB IF Filter Passband 27–18 J7–J2 2.5MHz (default)
4MHz Offset Filter Rejection 18 J7–J2 29dB (3rd-order BPF), 48dB (5th-order BPF)
Digital Output 25, 27–17, 18, 20, 21 J12–J9 CMOS square wave with 50% duty cycle
AGC Function 25, 27–17, 18, 20, 21 J12–J9 Flat, -105dBm to -65dBm input

器件主要功能的测试步骤

安装U8—确保只有U8Y2安装,软件假定参考频率为16.368MHz。如果使用其它频率,需修改PLLCONFIG<22:21>。移除评估板的U28、R61、R62、R63、R64、R65、C68和C69。安装C26,但板上不能安装U11。为了测量系统级联后的特性,使用RF电缆将J8连接至J12。

模拟测量(参见下面第1步到第14步),确保R47、R48、R52和R54已经插入。通过两个差分至单端转换接收器(MAX4444)将输出连接至测量端口J3 (I输出)和J2 (Q输出)。将50Ω负载(例如连接频谱分析仪的电缆)放置在端口,正确加载(注意不需要非平衡转换变压器T2和T3,不要加载)。

跳线应按照如下设置:
  • 连接W1–W9
  • 连接W16、W17 (连接信号通路)和W23顶部的两个引脚,将信号短接到地
  • 不要连接W13–W15、W18和W28 (注意W13–W15启动预配置状态并禁止SPI命令)

LNA1测试(默认电流模式)

1. 将3V、±5V和GND作用于W19、W20、W11和W12。

2. 运行软件建立新的缺省寄存器配置,如附录所述(注意,这些不是缺省值)。

Config1: A2959A3
Config2: 85502AC
Config3: EAFF1DC
PLL Config: 9EC0008
PLL Integer Division: 0C00080
PLL Fractional Division Ratio: 8000070
DSP Interface: 8000000
CLK Fractional Division Ratio: 10061B2
TEST1: 1E0F401
TEST2: 14C0002

确保SHDN和IDLE置1,禁止这两种状态。

3. 测量+3V时,W19和W20的电流损耗。

4. 在J7输入一个-60dBm、1575.42MHz的单音信号。测量J8处的信号并记录LNA1的增益。电路板引线在1575MHz产生的0.35dB的损耗,需要考虑这一因素。

5. 提高输入信号,使其达到1dB压缩点(P1dB) (并非规格中给出的指标,约为+8dBm),保证对所有线损进行补偿。

6. 用一个短的低损耗电缆连接J8至J12,即将LNA1输出连接到混频器。降低输入信号强度至-110dBm,并监测J2处的4.092MHz输出,测量系统增益。它应该在110dB左右,从而得到0dBm输出。

7. 通过设置<3:27-22>为63 (CONF2: 85512AC和CONF3: FEFF1DC)设置最大GAININ电平。把输入电平降低到-115dBm,测量增益—它应该为115dB左右。输入电平需通过更改GAININ调节,通过设置CONF3: 02FF1DC使GAININ降到最小,再次测量此增益。它应该为55dB左右。

8. 测量使用LNA1时的IP3,合并两个输入信号(为-55dBm左右的输入),F1 = 1587.42MHz和F2 = 1599.42MHz (其中,2 × F1 - F2落在带内1575.42MHz处),将其注入到J7。测量J2处4.092MHz信号强度(Q输出)。将两个输入减小1dB,注意该分量会减小3dB (如果没有得到该结果,降低信号,使用更低的输入电平)。OIP3 = (3 x POUT - product)/2,所以IIP3 = (3 × POUT - product)/2 - gain,降低到(3 × (PIN + gain) - product/2 - gain = (3 × POUT - product + gain)/2。最小增益(55dB)时,POUT = 5dBm。一个典型的3次谐波产物在最小增益时输出频谱可能为-5dBm,这时,IIP3 = (3 × (-55) + 5 + 110)/2 = -25dBm。

9. 用NF计测量LNA1的噪声系数,利用增益发测量混频器的噪声系数:将增益设置为最大(见步骤8),减小频谱分析仪的带宽分辨率,测量信噪比,确定混频器的NF。需要精确测量系统增益,例如,输入噪声是-174dBm/Hz,采用-100dBm输入电平,假定混频器增益约为90dB,接收机不会处于限幅状态。1Hz带宽下S/N为-74dB (S = 100dB/Hz,N = 174dBm/Hz)。这是,我们可能在J2测到的输出噪底为-73dBm/Hz,SNR为63dB (输出为-10dBm)。系统的NF会随着S/N的降低而变差,降至11dB。这个结果是近似值,因为测量精度较差。然而,这个结果对精度要求不是很严格,近似结果已足够用于系统分析。从所有测试结果中减去电路板的输入损耗(粗略估计为0.35dB)。得到LNA1的增益,就能计算出串联噪声系数。

可以采用增益测量的方法或y系数法测量整个系统的串联噪声系数,但所得结果也是近似值。

10. 回到步骤2检测器件的寄存器设置,在J12处作用一个至少低于1dB压缩点10dB的输入电平,一般为-110dB。对1572.9MHz至1577.9MHz输入频率进行扫描,生成一个通带为2.6MHz的IF带通滤波器。利用频谱分析仪的最大保持选项进行测量。

11. 将AGC设置在自动模式(AGC的开启与I、 Q无关),这时,CONF2<12:11> = 00。为LNA1输入-150dBm信号,选择LNA1。注意将输入电平提高至-65dBm时输出的单音功率应该保持近似不变(说明AGC正常工作)。

LNA2测试

12. 切换到LNA2 (CONF1<14:13> = 01),在J6处输入一个-60dBm、 1575.42MHz的CW信号。测量J8处LNA2增益并记录数据。将输入电平提高到1dB压缩点(P1dB),重复步骤4、5测量LNA2 (注意级联后的P1dB主要由混频器决定)。串联增益为线性增益加上步骤7测量的混频器输入端口至J2的增益。

13. 如果有NF计,测量J6和J8之间LNA2的噪声系数。按照步骤9测量NF。确认AGC控制关闭后,才能控制输出电平,CONF2<12:11> = 10。

14. 默认设置下,测量使用LNA2时的IP3。两个信号源F1 = 1587.42MHz、F2 = 1599.42MHz组合后(其中2 × F1 - F2落在带内1575.42MHz处),注入J6。测量J2处的4.092MHz输出信号(Q输出)—必须选择模拟模式。将两个输入减小1dB,可以观察到该输出降低3dB (如果没有得到该结果,降低信号,使用更低的输入电平),按照步骤8计算IIP3。

数字测试

在J9 A、B、C和D进行数字测量,电路板上最初使用的74LV07驱动芯片(U28)无法为信号提供足够的缓冲驱动,使它们通过连接器JDR1连接到计算机。使用这些输出信号驱动电路板以外的电路时,可能需要单独的缓冲器。

15. 切换到数字输出(CONF2<5:4> = 00),CONF2 = 855028C,监测示波器信号。应该在J9处观察到一个CMOS方波输出(2.8V幅值)。CONF2<27> = 1时,可以观察到I、Q信号。

附录:主要功能测试中寄存器的设置

CONF1:测试:A2959A3
该寄存器设置为:
  • 使能芯片(默认)
  • 禁止空闲模式(默认)
  • 设置缺省电流编程
  • 设置非缺省本振电流编程
  • 设置缺省混频器电流编程
  • 在混频器输出端选择13MHz无源滤波器极点(默认)
  • 选择打开LNA1 (当ANT BIAS引脚没有负载电流时,默认是选通模式)
  • 使能混频器(默认)
  • 关断外部有源天线偏置(默认是打开偏置)
  • 选择FC = 4.092MHz
  • 选择2.5MHz多相IF带通滤波器
  • 选择26dB IF滤波器增益(默认值为17dB)
CONF2:测试:85502AC
该寄存器设置为:
  • 同时选择I和Q通道(默认仅选择I通道)
  • 将AGC增益设置为170 (默认值)
  • 将位计数长度设置为1024位(默认值)
  • 选择符号/幅度输出格式(默认)
  • 选择1位AGC (默认1位)
  • 选择模拟输出驱动(默认为CMOS逻辑)
  • 禁止本振缓冲器(默认)
  • 使能温度检测(默认)
CONF3:测试:EAFF15C
该寄存器设置为:
  • 设置PGA增益,电平/LSB为58 (默认;仅当AGC关闭且通过SPI设置增益时使用)
  • 选择标称ADC输入量程(默认)
  • 为输出驱动器选择标称负载(默认)
  • 使能ADC (默认)
  • 使能输出驱动器(默认)
  • 使能滤波器直流失调抑制电路(默认)
  • 使能中频滤波器(默认)
  • 使能两个通道的AGC (默认只使能I通道)
  • 使能滤波器和AGC之间的高通耦合(默认)
  • 设置50kHz高通转角频率(默认值为20kHz)
  • 为数据流选择无DSP接口(默认)
  • 设置缺省的数据计数长度(16394位/帧)
  • 选择2位数据流(默认)
  • 使能同步脉冲输出(默认)
  • 使能帧同步脉冲输出(默认)
  • 禁止数据同步脉冲输出(默认)
  • 禁止DSP接口复位(默认)
PLLCONFIG:测试:9EC0008
该寄存器设置为:
  • 在标准电流模式下使能VCO (默认)
  • 禁止外部VCO偏置补偿(默认)
  • 将时钟输出驱动器设置为CMOS模式(默认)
  • 将时钟频率设置为XTAL频率
  • 为晶体选择130mA的标准缓冲电流(默认;范围是130mA至700mA)
  • 设置负载电容,将其设置为3.6pF (默认;标称CL > 12pF)
  • 选择LD引脚输出作为PLL锁存检测(默认)
  • 选择0.5mA电流的电荷泵操作(默认)
  • 选择2ns电荷泵接通时间(默认)
  • 选择整数N PLL (默认)
  • 禁止省电模式(默认为激活省电模式)
  • 为预标定E2C选择低电流模式(默认为大电流模式)
DIV:测试:0C00080
该寄存器设置为:
  • 为低端注入设置N = 1536 (默认;LO = 1536 × 1.023MHz = 1571.328MHz)
  • 设置R = 16 (默认;步长 = 16.368MHz/16 = 1.023MHz)
FDIV:测试:8000070
该寄存器设置为:
  • 设置分数分频比 = 80000 (默认值)
  • 选择标称电流和滤波器微调值
STRM:测试:8000000
该寄存器设置为:
  • 设置标准的数据流接口控制,由FRAME_COUNT设定的帧开始
CLK:测试:10061B2
该寄存器设置为:
  • 将L计数器设置为256
  • 将M计数器设置为1563
  • 选择将参考分频器的小数分频时钟输入小数分频器(小数分频)
  • 选择样参考分频器的串行输出时钟(整数分频)
(在PLL Config寄存器选择整数N时,不使用这些设置。)

TEST1:测试:1E0F401
该寄存器保留用于测试。

TEST2:测试:14C0002
该寄存器保留用于测试。

图1所示是对寄存器进行配置的界面。

 图1. MAX2769评估板测试软件界面
图1. MAX2769评估板测试软件界面