前端電路(LNA+MIXER)的模擬結果

Input control signal Simulation Result DC current

Consumption

(000)LNA- MIXER OUT P1dB

-40

LNA I/P level (dBm)

MIX OUT level (dBm)

MIX O/P 1dB/dB

P1dB=-32dBm

(圖 3.3.4)前端電路的 P1dB 模擬曲線圖

3.4 佈線圖

我們將整顆 RF IC 的佈線圖，展示於下圖(圖 3.4)。

本論文有論述的部分是：上半部左邊是前端電路，左中是石英晶體的振盪電路。左下是 本地振盪電路。

本論文沒有論述的部分是：上半部右邊是中頻電路，中心是 ADC(類比信號轉數位信號，

右中是 PLL(本地振盪器的頻率鎖定器)，右下是 3Wire(電路 控制中樞)。

(圖 3.4)RF IC 的佈線圖

此晶片使用台灣積體電路公司之 CMOS 0.25um 製程。

雖然由於實驗室的人力資源有限，我們無法將所有的 Section 論述完畢，但是為了 收到衛星信號，我們還是把 RF IC 應有的 Section 完成，只是有些 Section 未出現在論述

中。

四、 實 驗 部 分

4.1 本地振盪電路的量測

4.1.1 實驗的量測配置圖及量測結果

(圖 4.1.1) 為本地振盪電路的量測配置圖，我們將依照此配置圖來量得本地振盪電 路的有關數據。

(表 4.1.1) 為八個頻帶的控制電壓及對應震盪頻率的量測結果。

(表 4.1.1-1) 為八個頻帶的 Phase noise test result table。

(圖 4.1.1-1) 為本地振盪器其相位雜訊在 100KHz 處之量測結果曲線圖

(圖 4.1.1) 本地振盪電路的量測配置圖

A

Ref 10 dBm Att 35 dB

Center 1.555024359 GHz 20 kHz/ Span 200 kHz

RBW 5 kHz

Marker 1 [T1 FXD]

-3.05 dBm 1.554974359 GHz

2

Delta 2 [T1 PHN]

-91.77 dBc/Hz 100.000000000 kHz

PHN -3.039 dBm

PHN

Specifications Simulation Result

Test result

^Unit (表 4.1.1-1)Phase noise test result table

Frequency result Unit=(MHz)

(表 4.1.1-2) Frequency test result

(表 4.1)所示為本地振盪電路的量測結果匯整表，我們將於本章下列的子章節中重點 式的描述其量測過程及圖形。並且說明一些模擬與量測間的誤差原因。

AC electrical characteristics Conditions: VCC=VDD=3.0V,TA=25℃

VCO and Local Oscillator Symbol Parameter SPEC Simulation

result 10KHz Offset

<-75 -81 -78 dBc/Hz

L100K

LO SSB Phase Noise at 100KHz Offset

<-80 -111 -92 dBc/Hz

L1M LO SSB Phase Noise at 1MHz Offset

<-105 -133 -110 dBc/Hz

L2M LO SSB Phase Noise at 2MHz Offset

Na -139 -112 dBc/Hz

(表 4.1)本地振盪電路的各種量測結果匯整表

4.2 石英晶體振盪電路量測

4.2.1 石英晶體振盪電路的量測配置及量測圖形

(圖 4.2.1)是此部分 RF IC 之量測配置圖，我們將依照此配置圖來量得石英晶體振盪 電路的有關數據。電流的選擇模式在佈線(Layout)時已設定到 300uA 的狀態，即 Select1=0, Select0=1。因為這個電路比較單純，所以我們只用佈線(Layout)來選到 300uA 的狀態，待 有需要改變的時候，可以用 MATEL Change 來改變。

我們量測起振時間的方法為:先用 3Wire 將此電路的偏壓電流關掉，然後再用原 3Wire 啟動此電路的偏壓電流，如此我們就可以觀測到此電路的起振時間了。如(圖 4.2.1-1) 石英晶體振盪電路的起振時間之量測結果---約 0.7mS。

我們量測 Duty rate 及振幅的結果如(圖 4.2.1-2)所示之石英晶體振盪電路的 Duty rate 量測結果---約 50%，及振幅的量測----約 3V。這些結果已整理在(表 4.2)中。

(圖 4.2.1) 石英晶體振盪電路的量測配置圖

示波器畫面說明:當電源打開瞬間，示波即被觸發(視窗的左下方箭頭向上處)，一直 到 700uS 時我們見波形已開始穩定輸出，所以將此值填入(表 4.2)中。

(圖 4.2.1-1) 石英晶體振盪電路的起振時間之量測結果---約 0.7mS

示波器畫面說明:我們檢視上半波及下半波所占面積約各佔 50%。

(圖 4.2.1-2) 石英晶體振盪電路的 Duty rate 量測結果---約 50%，及振幅的量測----約 3V。

(表 4.2)是我們的量測結果，在本章的下列子章節中我們將部份描述這些量測的設定 及量測結果圖。

AC electrical characteristics Conditions: VCC=VDD=3.0V,TA=25℃

Crystal Oscillator

Symbol Parameter Note SPEC Sim

Test ^Unit

fXTAL

Recommended Crystal Parameters Frequency

Oscillator startup time to 95% final amplitude and within 10ppm of final frequency

4.3 Front End 實驗結果

我們先將前端電路的一些量測結果匯整於(表 4.3)中，再於下列子章節中敘述這些量 測的過程。

在(表 4.3)中的 Sensitivity(感度)項，由於我們尚未建立雜信模擬機制，所以沒有做 感度的模擬，故目前無法列出數值與實測值相比較。

Input control signal

Experiment result

RFGain

4.3.1 前端電路的增益量測

前端電路的量測結果，已顯示在(表 4.3)中，本節主要在說明，量測的儀器配置和接 線方式。我們是使用 3Wire 來切換前端電路的八種偏壓電流，以量得此八種不同的轉換 增益。

首先我們用 RF SG 從 LNA 端輸入一個-90dBm(輸入信號需夠小才能使電路工作在線 性範圍)的載波信號(頻率為 1575.42MHz)，經過 MIXER 及 LO(頻率為 1554.96MHz)的轉換 後得到一 IF 信號輸出(頻率為 20.46MHz)，再用 Spectrum 量得此信號的振幅。如此將輸 出、輸入振幅一比，就可以得到此前端電路的增益了，然後再將此結果紀錄於(表 4.3) 中。

(圖 4.3.1) 前端電路的增益量測之接線圖

4.3.2 前端電路的NF(雜信指數)量測

前端電路的八種狀態之量測結果，已顯示在(表 4.3)中，本節下列文章主要在說明，

量測的一些過程。

本節第一張圖(圖 4.3.2)為我們的前端電路，NF 量測之接線圖。在量測之前我們先將 儀器校正好以確保量測的結果之可靠度，本節第二張圖(圖 4.3.2-1)所展示的畫面即為量 測前的儀器校正畫面。本節第三張圖(圖 4.3.2-2)為八種狀態中的 Normal type(0.0.0)之量測 結果，我們將此項的量測結果依序紀錄於(表 4.3)中。

(圖 4.3.2) 前端電路的 NF 量測之接線圖

此儀器內含校正說明，我們依此說明，將 NF 及 Gain 校正到趨近於零的狀態。

04:20:02 Mar 17, 2005

User cal invalidated, Meas mode changed

ENR Mode

Mkr1 26.4 MHz 0.109 dB 0.013 dB

9.000

Start 10.00 MHz BW 4 MHz Points 11 Stop 50.00 MHz Tcold 296.50 K Avgs Off Att 0 dB Loss Off Corr

1

(圖 4.3.2-1) 前端電路的 NF 量測之儀器校正畫面

我們量得的結果是 NF=7.48dB，增益為 31.44dB。

Marker Frequency 20.40000000 MHz

22:56:15 Apr 12, 2005

Marker

Mkr1 20.4 MHz 7.482 dB 31.442 dB

9.000

Start 18.00 MHz BW 4 MHz Points 11 Stop 30.00 MHz Tcold 296.50 K Avgs Off Att 0 dB Loss Off Corr

1

(圖 4.3.2-2) 前端電路的 NF 量測畫面

4.3.3 使用頻譜分析儀來量測P1dB

P1dB 的量測結果已顯示在(表 4.3)中，下列(圖 4.3.3)主要是展示此測試的儀器配置。

我們量測 P1dB 的程序是:

(1.)使用 RF SG 輸入一個-100dBm 的載波信號(頻率為 1575.42MHz)，並紀錄輸出在 Spectrum 顯示的 Power level，再將輸出、輸入相減得到增益值。

(2.)然後再將 RF SG 的載波信號調高 1dB，並依序紀錄其增益值的。

(3.)重複這些步驟一直到此增益值比第一步驟少掉 1dB 為止。

(4.)再將此步驟的 RF SG Power level 紀錄下來，即為 P1dB 的量測結果。

依序改變 3Wire 的設定並重複以上四個步驟，並把值紀錄於(表 4.3)中。

(圖 4.3.3) 量測 P1dB 的儀器配置圖

4.3.4 使用頻譜分析儀來量測感度

感度的量測結果已顯示在(表 4.3)中，本節下列文章是在敘述感度的量測的方法 及過程。首先我們將前端電路的感度量測之接線圖，展示於下列第一個圖中，如(圖 4.3.4)。接著我們把儀器校正的結果，展示於下列第二個圖中，如(圖 4.3.4-1)感度量測前 之儀器確認。最後我們把量測結果，展示於下列第三個圖中，如(圖 4.3.4-1)信號雜信比 (S+N/N)的量測畫面。

(圖 4.3.4) 前端電路的感度量測之接線圖

我們想使用頻譜分析儀來量測感度，所以我們首先來確認一下此頻譜分析儀是否能 量測此係統的信號雜信比。我們的做法是：

(1.) 利用射頻信號產生器，從 LNA 打入一個很小能量的載波信號約-120dBm，然後從混 波級的輸出端觀測到此輸出頻譜，並讓儀器自動紀錄此頻譜。如(圖 4.3.5-1)中之上面 的頻譜。

(2.) 關掉此電路(LNA+MIXER)之電源，則此頻譜能量需小於此電路電源打開時的能量。

至少肉眼能清楚辨識。如(圖 4.3-1)中之下方的頻譜。

做完以上兩點確認之後，我們知道量此測試設備(頻譜分析儀)真的可以量測到欲量測 電路所產生的雜信，換句話說欲量測電路所產生的雜信已大於測試設備(頻譜分析儀)的 雜信了。若做完以上兩點之後，此二頻譜的差距仍然不夠大(就是肉眼無法清楚分辨)，

則此方法就不能使用，即應另謀它策了！

(圖 4.3.5-1)中有兩組曲線，下面那一組是 RF IC 電源關掉的雜訊頻譜圖，上面那一

Center 20.44340385 MHz 400 kHz/ Span 4 MHz

RBW 100 kHz

做完了上面的頻譜分析儀，量測雜信的能力確認後，我們就不能再調整頻譜分析儀

Center 20.44340385 MHz 400 kHz/ Span 4 MHz

RBW 100 kHz

4.3.5 RFIC量測設定照片

我們將 RF IC 量測的設定方式，敘述如下：

(1.) 首先我們將自己設計之 RF IC 與週邊元件、接頭...等焊接於 P.C.B 上，如下 (圖 4-1)。從圖中可以看出這是一個 48 腳位包裝的 IC，旁邊搭配了一些必要的 電感、電容等元件。

(圖 4.3.5-1) RF IC 與週邊元件實體圖

(2.) 並用測試治具牢靠的固定住 P.C.B 如下(圖 4.3.5-2) 。此圖中的上方右邊 SMA Connector 為中頻輸入(IF Input)，上方左邊 SMA Connector 為中頻輸出(IF Output)，左側上為 LNA Input，左側下為 OSC Output。右側為電源輸入端及。

(圖 4.3.5-2) 用測試治具固定住的 P.C.B

(3.) 再來我們將所需之儀器架設起來如下(圖 4.3.5-3)。由圖中可以看到使用的儀器 有：

左上方-頻譜分析儀、左下方-射頻信號產生器、中間上方-數位電表、中間中央-電源供應器、中間下方-示波器、最右邊為筆記型電腦，負責送信號給 IC(透過 3Wire)以調整各個電路的電流量。

(圖 4.3.5-3)我們的測試設備組合

(4.) 連接上我們的 P.C.B 如(圖 4.3.5-4)。在這個圖中可以清楚的看到我們已將電源接 上、

控制線(3wire)、RF Cable 等都接上基板了。

(圖 4.3.5-4)待測試模組的接線圖

這是我們就建立的測試平台，在此章節中所有的測試都以如此的設定為基礎。

4.4 戶外衛星實收測試

我們使用衛星接收模組(內含我們自製的 RF IC) 、電腦來做衛星實收測試，以檢驗 我們推薦的方法所做成的 RF IC 是否可行？

在此我們自己設定的檢驗規則是：如果 RF IC 能收到衛星信號並使整個系統運作，

則我們推薦的方法為可行。若不能達到此狀況則我們判定此方法為不可行。

下圖(圖 4.4)即為整個 GPS Receiver 的系統方塊圖，我們將使用這樣的系統來檢驗 我們推薦的方法所做成的 RF IC。我們也找到了 EXT-LNA 的技術資料，附於參考資料 中 [112] 。EXT-LNA 是我們在做實測時發現雲層厚的時候偶而會有斷線的情況，雖然 若不加上此 EXT-LNA 我們依然能夠完成此測試，不過為了更實用我們最後決定加上去。

事實上我們的 EXT-LNA 是使用 Philips BFG425 之電晶體來製作的，它的 Noise figure 為 1.2dB，功率增益為 18dB。重新估算整個射頻系統的感度為：-101dBm，足足 比原先的設計(-94dBm)改善了 6dB，從此我們得到一個經驗：就是要留足夠的餘度才能 使系統運轉順暢。

(圖 4.4)GPS System block diagram

4.4.1 衛星實際接收測試

拔除外購 GPS 系統上的 RF IC，換上我們建構的 RF IC。且經過一番的理論推演及 實驗室測試組合之後，我們試著接收天上的衛星，看看能不能讓系統運作？結果我們得 到了滿意的答案。

下列兩張圖(圖 4.4.1-1 及圖 4.4.1-2)就是我們推薦的 RF IC(“內建測試機制的 GPS Receiver RF IC＂)接收到衛星信號的成果。第一張圖顯示在「新竹科學園區的工業東七

路」的定位情形，第二張圖顯示在「新竹市埔頂路」的定位情形。所以我們最後確認自 己建立的 RF IC 是可以接收到天上的衛星信號並讓系統正常運作。

(圖 4.4.1-1) 使用我們自己建立的 RF IC 在「 工業東七路」的定位情形

(圖 4.4.1-2) 使用我們自己建立的 RF IC 在「新竹市埔頂路」的定位情形

4.4.2 衛星接收模組

下圖(圖 4.4.2-1)中間為 RF IC 及其周邊元件所構成的射頻模組，右邊為基頻模組，

上方的電線及接頭為連結電腦系統的配件。

(圖 4.4.2-1)GPS 模組分解圖

下圖(圖 4.4.2-2)為我們將基頻模組和射頻模組組合後的一個完整的 GPS 系統。

(圖 4.4.2-2)GPS 模組組合圖

五、 結 論

由於晶圓的面積極為昂貴，若單晶面積變大，則相同晶圓切割出來的單晶數目就變 少，商業利潤當然也就縮水了。縱然只是差 1%，在商場如戰場的時代裡，此亦是勝負

由於晶圓的面積極為昂貴，若單晶面積變大，則相同晶圓切割出來的單晶數目就變 少，商業利潤當然也就縮水了。縱然只是差 1%，在商場如戰場的時代裡，此亦是勝負

在文檔中 內建測試機制的衛星定位接收機前端電路設計 (頁 53-0)