低噪聲放大器（LNA）廣泛應用於在全球導航衛星系統（GNSS）中，包括個人導航設備、手機、平板電腦、手錶等穿戴設備。低噪聲放大器在改善接收系統信號的信噪比，提升系統接收靈敏度、提升系統定位精度和速度等方面起到了重要作用。同時，隨著穿戴設備的普及，市場對低噪聲放大器的低功耗要求也越來越高。超低功耗的低噪聲放大器在設計時平衡了噪聲係數和增益的同時，極大地減小對系統功耗的需求，從而延長了穿戴設備的電池使用壽命。
英飛凌提供了一系列品類齊全的GNSS LNA產品，幫助客戶實現更優的系統噪聲係數、更低的系統功耗以及更短的定位時間。該系列產品具有如下優勢:
小封裝和高集成度：
英飛凌GNSS LNA均採用TSNP-9-2封裝（1.1mm*0.7mm），而且晶片內部集成了輸入、輸出匹配以及ESD保護電路。這些高集成度的設計為客戶方案節省了信號損耗、PCB面積。小型化設計也非常適合個人穿戴、Wi-Fi、智慧型手機等個人電子設備。
場內矽鍺(SiGe)工藝：
英飛凌GNSS低噪聲放大器採用了場內矽鍺(SiGe)工藝，相比於CMOS工藝，矽鍺能夠提供更低的噪聲係數，同時優化整體LNA的射頻性能。而相較於砷化鎵（GaAs）工藝，矽鍺工藝提供了性能相仿而性價比更好的產品。
豐富的產品形態：
英飛凌GNSS低噪聲放大器產品形態齊全，覆蓋超低功耗LNA、高線性度LNA等多種應用需求，如表1。以下將根據英飛凌GNSS LNA產品聚焦的應用，分別介紹幾類GNSS產品的特點。
1. 高線性度GNSS LNA：BGA824N6
GNSS衛星的軌道高度距離地球超過20,000公里, 發射功率在50W（即47dBm）左右。考慮到大氣損耗、路徑衰減以及天線效率，在GNSS接收機輸入端的信號水平是極其微弱的，基本在-130dBm的範圍。GNSS接收機是否能恢復如此微弱的信號強度並且向最終用戶提供有意義的信息，這在很大程度上取決於GNSS接收機前端鏈路的噪聲係數。
一顆高增益低噪聲的LNA可以改善GNSS接收機的靈敏度，在系統上體現為更短的首次定位時間(Time to First Fix)，即GNSS接收機第一次捕獲衛星信號和導航數據，進而計算位置信息所需要地時間。BGA824N6的噪聲係數僅為0.55dB，同時可以提供17dB的高增益，進而對整個系統的靈敏度提升有極大的裨益。
隨著終端設備集成越來越多的功能，許多不同制式的通信模塊需要同時工作。為保證系統的正常運行,不同通信模塊需要將彼此的相互干擾減小到最低。下面我們以GNSS接收機和GSM/LTE/UMTS等頻段同時並行工作為例，闡述下高線性度LNA對提高系統共存性能的原理。
圖1是使用BGA824N6在手機蜂窩場景中的框圖。假設PCS 1900MHz阻塞信號工作在f1=1851MHz，發射功率為30dBm，同時LTE Band3發射信號工作在f2=1713MHz，發射功率為24dBm。這兩個GPS帶外干擾信號產生的三階交調信號頻率為
2×F2-F1=2×1713-1851=1575MHz
該三階交調信號正好落入GPS帶內，而該干擾信號的幅度極大程度上取決於GPS前端LNA，即BGA824N6的線性度。
假設PCS 1900MHz干擾信號距離GPS接收機的距離為1m，GPS接收天線在PCS頻段的天線增益為-6dBi，則在1m的自由空間損耗後，在GPS第一級BPF接收到的PCS信號強度為-13.8dBm;同時如果LTE發射天線和GPS接收天線的隔離度為15dB，濾波器對帶外阻塞信號的衰減幅度在40dB以上，則在BGA824N6輸入端看到的干擾信號幅度為：-53.8dBm的PCS阻塞信號和幅度為-31dBm的LTE Band2阻塞信號。
相應地，在LNA輸入端產生的交調信號幅度為:-129.8dBm。在GPS信號幅度為-130dBm的弱信號下，其J/S仍可達到42.8dB，遠高於GPS接收機對窄帶干擾信號解調的解調門限要求。
2. 超低功耗GNSS LNA：BGA123N6 & BGA125N6
隨著經濟不斷地發展，人們越來越多地將目光關注到自身健康和生活品質。相應地，可穿戴手環、手錶等個人無線設備被廣泛地應用於監測個人健康情況、位置信息等應用。而這些系統應用所面臨的一個主要挑戰即如何減小設備尺寸同時延長設備的待機時間。得益於人們對於RF電路設計不斷地優化，比如亞閾值區域（subthreshold region）和Gm-Boosting等技術,LNA能夠工作在更低的電壓和電流範圍。
下面詳細介紹我們英飛凌針對於鋰電池等穿戴設配研發的的超低功耗GNSS LNA：BGA123N6和BGA125N6。BGA12XN6 LNA可以工作在1.2V低電壓區域，整體功耗控制在1.5mW水平，從實際測試情況看到使用BGA12XN6可以提高系統GPS定位精度到cm範圍，同時大幅縮短TTFF定位時長。表2詳細羅列了BGA12XN6的關鍵技術指標。
那為什麼我們英飛凌要基於L1和L5的頻段開發兩顆雙頻段LNA？在系統應用上，雙頻段LNA又有什麼優勢呢？
回答這個問題之前，我們先了解下GNSS導航系統是如何工作的。
GNSS 使用衛星、接收器和算法向地球上任何地方的 GNSS接收器提供時間和地理位置信息。在沒有遮擋的環境中，接收機（如智慧型手機終端）可以在三顆GNSS衛星的幫助下生成位置信息，而第四顆衛星可以驗證位置信息的準確性。然而，依賴於單一頻率（稱為 L1 頻段）的傳統 GPS 可能會受到各種因素的影響。L1信號不能繞過大型物理結構，如山脈或高層建築，也可能受到電離層中茂密的樹葉或噪聲帶寬失真的影響。物理環境可能導致信號採用更長的路徑，從而導致多徑錯誤。功能正常時，單頻 GPS 可以提供最遠5米的準確位置。
先進的雙頻技術旨在通過使用 L5 頻段來克服信號處理問題。由於 L5頻段為航空安全服務保留的無線電頻段，因此它通過先進的信號設計為客戶提供更大的帶寬和更高的功率。通過將L5與 L1頻段配對，L5 波段可提供更可靠的位置識別，並具有厘米級精度。下圖是雙頻接收系統的前端接收框圖以及對系統定位精度的提升。
總結一下英飛凌的超低功耗BGA123N6+BGA125N6的解決方案，具有
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縮短系統的TTFF定位時間
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延長電池使用時長
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尤其適合穿戴設備或者使用小型電池設備的裝置和IoT應用
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保證最高的信號質量
3. 寬帶GNSS LNA：BGA525N6
許多GNSS LNA可以通過調諧輸入端的匹配器件將GNSS LNA分別應用於L1和L5頻段，從而提高系統的定位精度。英飛凌BGA525N6是一顆寬帶GNSS LNA，即LNA在同一個輸入匹配下可以覆蓋L1和L2-L5頻段的工作。圖3和表3分別是BGA525N6典型應用電路以及主要性能指標。
從典型應用電路可以看到，BGA525N6隻需要一顆輸入匹配就能實現寬帶匹配，覆蓋1160MHz-1610MHz。另外，BGA525N6提供了三種增益模式來滿足不同應用場景下對電流、增益、線性度要求。更重要的是，由於BGA525N6單顆LNA可以同時支持L1-L5/L2的雙頻段的接收的能力，這極大地減少了PCB布局的面積。圖4是一個採用兩顆常規GNSS LNA實現雙頻段和採用單顆BGA525N6實現雙頻段的系統框架圖和BOM的比對。可以看到英飛凌寬帶GNSS LNA不僅節省了PCB的布板面積和BOM成本，而且提供了更低的系統電流。尤其在可穿戴設備，如手錶等產品，受限於產品的面積和電池的容量，寬帶GNSS LNA既保證了系統定位精度，而且也極大地優化了電流和尺寸。
4. 帶有By-Pass功能的GNSS LNA：BGA5M1BN6
於一些支持GNSS有源天線模組的前端接收鏈路設計時，需要考慮到有源天線額外的增益對整個鏈路的影響。集成By-Pass模式的GNSS LNA可以讓接收鏈路設計時既保證了動態範圍，而且也能適應不同場景的使用需求，即：在有源天線工作時，GNSS LNA切換到By-Pass增益模式；當模組不使用有源天線時，GNSS LNA切換到增益模式工作。
圖5是支持雙頻段L1和L5同時集成By-Pass功能的前端GNSS LNA接收鏈路方案。
BGA5M1BN6設計之初是為了提高信號在LTE頻段（1805-2200MHz）的接收信號，但通過調諧輸入匹配器件，BGA5M1BN6也可以應用在GNSS L1頻段。其主要射頻性能參數在VCC=1.8V如表4：
可以看到在高增益模式下，LNA提供了最優的噪聲係數來提高系統靈敏度。在Bypass模式下，LNA會以低電流形式工作。集成Bypass功能的LNA可以提高整個系統的動態範圍，從而使得前端設計能滿足不同應用場景的需求。
5. 小結
英飛凌GNSS LNA依靠自身場內SiGe工藝研發和量產了一系列的GNSS LNA產品來滿足不同的應用需求，產品性能卓越，在智慧型手機終端、穿戴設備、IoT等領域都有廣泛的應用。除了上述的GNSS LNA外，英飛凌還有一系列低噪聲係數的放大管設計的LNA，點擊此處，了解更多。
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參考來源