手机射频部分典型电路分析.ppt

射频电路概况随着电路集成技术日新月异的发展，射频电路也趋向于集成化、模块化，这对于小型化移动终端的开发、应用是特别有利的。目前手机的射频电路是以 RFIC 为中心结合外围辅助、控制电路构成的。射频电路中各典型功能模块的分析是我们讨论的主要内容。2024/5/22周三1.2024/5/22周三2.Outlinew收发器（Transceiver）w锁相环（PLL）w功率控制环路（APC）w收发双工器（Diplexer）w衰减网络（Attenuation）w匹配网络（Matching）w滤波网络（Filter）w平衡网络（Balance）w其它2024/5/22周三3.收发器（Transceiver）w收发器即调制解调器 调制：发射时基带信号加载到射频信号 解调：接收时射频信号过滤出基带信wTransceiver根据其工作频率可分为：单频、双频、三频等wTransceiver根据其中频特征可分为有中频、零中频、近零中频等 以DB2009为例介绍TransceiverUAA3535的内部结构2024/5/22周三4.TransceiverUAA3535（Philips）wUAA3535是近零中频收发器，它最多可以作三频收发w它内部有：三个PLL（包括一个内置VCO）、正交混频解调器、可控增益低噪放大器、混频调制器等w它需外接：13MHz参考基准时钟、RXVCO、TXVCO、基带控制信号等详见UAA3535DataSheet我们需要研究其内部各重要节点的频率、带宽，信号转换的流程等细节2024/5/22周三5.返回2024/5/22周三6.锁相环（PLL）w锁相环四个基本构成元素w锁相环路的性能w基本构成电路分析w锁相环在手机中应用举例详见射频锁相环2024/5/22周三7.锁相环四个基本构成元素w鉴相器（PD）鉴频器（FD）鉴相鉴频（PFD）：PD/FD/PFD是一个相位/频率比较装置，用来检测输入信号与反馈信号之间的相位/频率差w环路滤波器LoopFilter（LP）：LP一般为N阶低通滤波器w电压控制振荡器（VCO）：VCO是一个电压-频率变换装置，输出振荡频率应随输入控制电压线性地变化w参考信号源（Referencesignalsource）：参考信号源提供与反馈信号鉴相鉴频用的对比输入信号2024/5/22周三8.PLLBlockDiagram返回2024/5/22周三9.锁相环路的性能w锁锁相相环环的基本性能包括捕的基本性能包括捕获过获过程与同步程与同步（1）捕获过程的性能指捕获带和捕获时间。捕获带指环路能通过捕获过程而进入同步状态所允许的最大固有频差捕获时间是环路由起始时刻到进入同步状态的时刻之间的时间间隔Frequencydeviationcapabilitythemax.PLLcapturerange（2）环路锁定之后稳态频差等于零，进入同步状态。稳态相差通常总是存在的，它是一个固定值。2024/5/22周三10.w环环路的跟踪性能路的跟踪性能输入信号变化越快，跟踪性能就越差。暂态相位误差和稳态相位误差的大小，是衡量环路线性跟踪性能好坏的重要标志。w环环路噪声性能路噪声性能噪声包括输入噪声与谐波干扰和内部噪声与谐波干扰，压控振荡器内部的噪声是主要的噪声源。w环环路捕路捕获获性能性能捕获带越宽越好，捕获时间越短越好，可提高环路的增益K或者增加滤波器的带宽，但加大环路增益或滤波器带宽往往是与提高环路的跟踪性能和滤波性能的要求相矛盾。采用辅助捕获的方法达到目的。包括辅助鉴频和鉴频鉴相，变带宽和变增益等。返回2024/5/22周三11.基本构成电路分析w鉴相器（PhaseDetector）w电荷泵环路低通滤波器（ChargePumpLoopFilter）w压控振荡器（VoltageControlledOscillator）w分频器（DIV）2024/5/22周三12.鉴相器（PhaseDetector）w在在频率率合合成成器器中中所所采采用用的的鉴相相器器主主要要有有正正弦弦波波相相位位检波器与脉冲取波器与脉冲取样保持相位比保持相位比较器两种。器两种。返回2024/5/22周三13.电荷泵环路低通滤波器（ChargePumpLoopFilter）w电荷泵的的作用主要是：给锁相环路提供理想恒定的电流源，保持良好的线性关系，使得频率范围易于控制w环路低通滤波器（LPF）由PFD的输出信号需经过低通滤波器再去控制VCO。一般采用电阻、电容构成积分形式的低通滤波器，它可以为单阶或多阶滤波器。它的通频带由电阻、电容参数决定，它的截止速度取决于其阶数。2024/5/22周三14.环路低通滤波器（LowPassFilter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4To important the transient characteristics The loop can track better a change in input frequencyTo further reduce the phase noise of the charge pump2024/5/22周三15.环路低通滤波器的应用举例返回2024/5/22周三16.压控振荡器（VoltageControlledOscillator）w压控振荡器一般是由变容二极管为主构成的谐振回路：谐振回路的中心频率由其回路的等效L、C特性决定：变容二极管的等效电容量由加在其两端的电压控制，这样通过电压的变化就能转换成回路谐振频率的变化，就构成了压控振荡器VCO。2024/5/22周三17.VCO的选择要素wHigh spectral puritywLinear voltage-frequency transfer characteristicwGood frequency stability to temperaturewFrequency deviation capability the max.PLL capture rangewTime responsewLow power consumption and Output level wOutput harmonic level andtuning sensitivitywPhase noise 详见TXVCODataSheetRXVCODataSheet返回2024/5/22周三18.分频器（DIV）w锁相环通常用于N倍参考频率的发生器：其中N为分频比，它由环路中分频器DIV提供 参见分频器 返回2024/5/22周三19.锁相环在手机中应用举例wRX（接收）频率合成器2024/5/22周三20.返回2024/5/22周三21.功率控制环路（APC）功率控制环路构成：w功率放大器（PowerAmplifier）w功率耦合器（PowerCoupler）w功率检波器（PowerDetector）w功率比较、控制器（PowerComparator&Controller）这样构成的环路可以将功率较稳定的控制在我们的设定值上，这个设定值可以随时间根据需要不断变化。2024/5/22周三22.功率控制环路构成功率放大器功率放大器功率耦合器功率耦合器检波波器器功率功率比比较控制器控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比比较信号信号用于用用于用户设定功率定功率值耦合耦合检波信号波信号差差值功率功率控制信号控制信号功率功率控制控制环路路返回2024/5/22周三23.功率放大器（PowerAmplifier）目前手机用PA一般是厚膜模拟电路制成，它要求将低功率射频信号线性无失真的放大到一定功率值。它的主要参数有：w工作频率、带宽w最大线性输出功率（压缩点）w线性放大对输入功率要求w输入、输出需要的匹配阻抗w工作电源及电压、电流的要求w控制信号的形式及要求w噪声特性等等 详见PA-BGY280DataSheet返回2024/5/22周三24.功率耦合器（PowerCoupler）w为了达到功率控制，我们需要使用到的功率传感器就是功率耦合器，一般为DirectionalCoupler。w它的主要参数有：详见其LDCDataSheet耦合量（Coupling）插入损耗（InsertionLoss）隔离度（Isolation）方向性（Directivity）单位（dB）返回2024/5/22周三25.DirectionalCouplerCouplingI/PPIO/PPoO/PPCInsertionLossPC*:CouplingpowerwhenincidentpowerinwrongdirectionPI*:IncidentPowerinwrongdirectionPI:InputpowerPO:OutputpowerPC:Couplingpower2024/5/22周三26.dB&dBm&dBcwdB是一个相对值，它是针对一定参考而言的，它通常用于表示衰减或增益的量。对电压比：对功率比：wdBm是一个绝对功率值，它是一定功率与一毫瓦的相对值。wdBc是一个差值，它表示两个功率值的差。P1P22024/5/22周三27.wdB&dBm&dBc都是对数表示方式，对它们来讲功率的乘除运算变成了它们的加减运算。wdB&dBm&dBc是可以直接相加减的。例如:增益增益 YdB输入入XdBm输出出ZdBm则输出出Z(dBm)=X+Y2024/5/22周三28.0dBm=1mW10dBm=10mW30dBm=1WdB-功率比功率比12dB-169dB-86dB-43dB-20dB-1-3dB-1/2=0.5-6dB-1/4=0.25-9dB-1/8=0.125-12dB-1/16=0.0625-15dB-1/32=0.03125-18dB-1/64=0.015625返回2024/5/22周三29.参数计算方法wCoupling=wInsertionLoss=wIsolation=wDirectivity=Coupling-Isolation02024/5/22周三30.计算举例（全用对数计算）PI:0dBmPC:20dBmPO:-1dBmPI*:0dBmPC*:-40dBmCoupling=-20dBmInsertionLoss=-1dBmIsolation=-40dBmDirectivity=Coupling-Isolation=20dBm2024/5/22周三31.功率检波器（PowerDetector）w功率检波器对Coupler的耦合高频信号进行包络检波进而得到一个体现耦合信号幅值大小的检波电压。w我们采用二极管负包络检波电路，后级常为低通积分电路。例如：Coupler输出出耦合耦合电容容Cc检波波二极管二极管D检波波电压输出出低通低通积分分电路路2024/5/22周三32.负包络检波的对二极管要求：w检波二极管D以P极为输入端w 检波二极管的极电容要求较小的肖特基二极管，若极电容过大，将会使负包络过多的耦合流失到低，导致检波效果变差返回2024/5/22周三33.功率比较、控制器PowerComparator&Controllerw功率比较、控制器的功能：功率比较器将功率检波信号与设定功率信号相比较得到一个功率控制信号给功率控制器，由功率控制器产生控制电压给功率放大器（PA）它的具体参数详见PCF5078DataSheet2024/5/22周三34.功率控制环路（APC）的应用返回2024/5/22周三35.收发双工器（Diplexer）w收发合用一路天线，因此使用天线收发双工器（AntennaSwitch）对发射射为openTXRX为发射波射波长对接收接收为short2024/5/22周三36.收发双工器的特性参数（TX/RX）wFrequencyRange(MHz)wInsertionLoss(dB)wAttenuation(dB)wV.S.W.R.wIsolation(dB)wHarmonics2xfo,3xfo(dBc)wPowerCapacity(dBm)详见LMC33-07A0524ADataSheet返回2024/5/22周三37.衰减网络（Attenuation）w为了达到系统中对输入输出功率要求高的部分的功率适配，我们通常在输出端到输入端之间加上功率衰减网络w通常衰减网络形式有：T型、型w衰减网络的计算 型衰减网型衰减网络型衰减网型衰减网络R1R2R3R1R2R32024/5/22周三38.衰减网络的计算w已知网络参数求衰减系数AZin1：短路输入电抗Zin2：开路输入电抗Zout1：短路输出电抗Zout2：开路输出电抗2024/5/22周三39.w已知衰减系数A求网络参数（R0：特性阻抗）由求得K值：则可得对T型：对型：2024/5/22周三40.衰减网络的作用w衰减网络主要是为了使输出功率符合下级输入功率的要求w利用衰减网络可以提高系统的信噪比w利用50欧姆衰减网络可以缓和前级与后级的阻抗变化 2024/5/22周三41.衰减网络的应用返回2024/5/22周三42.匹配网络（Matching）w匹配的定义：后级输入阻抗与前级输出阻抗共扼w匹配网络的类型：L型T型型w阻抗匹配（参见RFCircuitFundamentals）w天线的匹配（参见TransmissionLine/SmithChart）2024/5/22周三43.天线匹配的举例返回2024/5/22周三44.滤波网络（Filter）w通用滤波网络w电源滤波去耦网络w声表面滤波器（SAW）2024/5/22周三45.通用滤波网络w滤波器是抑制除特定带宽以外信号及噪声的装置。w按照不同标准它可分为：低通、高通、带通、带阻滤波器；一阶、二阶、高阶滤波器；无源滤波器、有源滤波器以下我们以单阶无源滤波器为例做一些简介2024/5/22周三46.3dB3dBRRLLCCUUfffHfL单阶无源低通（LP）单阶无源高通（HP）高频截止频率fH与L、C参数有关低频截止频率fL与L、C参数有关2024/5/22周三47.w低通滤波器的3dB衰减点的频率为高频截止频率fH，它截止的斜率与其阶数相关w高通滤波器的3dB衰减点的频率为低频截止频率fL，它截止的斜率与其阶数相关w如果将低通滤波器和高通滤波器串联，而且fHfL就能构成带通滤波器，其通频带为fLfH。w如果将低通滤波器和高通滤波器并联，而且fHfL就能构成带阻滤波器，其阻频带为fHfL。滤波特性返回2024/5/22周三48.电源滤波去耦网络w对于射频电路而言，电源稳定由特别重要的意义，不仅它自身不稳定会影响电路性能，而且各用电单元也会以电源为途径互相传递干扰造成很大的不稳定因数，去耦即去除电源与用电单元之间的交流耦合。w实际电路中电源去耦电路无论在电源输出端还是在用电输入端都需要，而且去耦电路离用电模块越近达到的去耦效果越好。2024/5/22周三49.电源滤波去耦网络基本理论w我们一般希望电源供电除了开/关时间以外是直流稳定的，不希望它的端电压出现纹波、抖动、跳变等不稳定因数存在，电源去耦网络正是为这些交流成分提供了短路到地的通路。w去耦电阻、去耦电容及去耦电感构成的低通网络为电源的交流成分提供一个到地的通路，它们的参数与电源提供的电流量、需要特别滤除的频率成分等相关。2024/5/22周三50.电源滤波去耦网络基本构成w电源去耦低通滤波网络如右图：去耦电阻或电感-R/L（DecouplingResistor/Inductor）去耦电容-C1、C2（DecouplingCapacitor）以上部分部不要求全部具备，去耦电阻及去耦电感有时就可不用w去耦电阻R在电路中将缓和电源上升、下降沿的速度，从而抑制高频噪声的形成；用用电单元元PowerBatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1C22024/5/22周三51.w去耦电感L在回路中必然阻碍高频交流成分达到隔离效果；有时，我们还使用扼流磁珠来获得更强的隔离效果。w去耦电容由C1、C2并联分别承担低频、高频交流成分滤波的任务。电解电容C1一般容量较大在低频时能提供好的通路，而在高频时由于其寄生电感的存在阻抗将变大无法提供滤波通路；陶瓷电容C2由于其容量一般较小，所以在低频时阻抗较大无法提供滤波通路，而在高频时阻抗变小则会有很好的滤波特性；这样可以看出C1、C2的滤波特性是互补的，需要同时利用才能得到较宽频的有效滤波范围。当然，如果需要更宽的滤波频段还可用更多不同类型的电容并联得到。详见高速电路板设计技术2024/5/22周三52.电源滤波去耦网络的应用2024/5/22周三53.电源去耦电路参数的选择wC1的选择：假设电源提供电流为I，则K取10是经验比例一般应用时取电容标称值在计算值附近就可以了wC2的选择：C2位高频陶瓷电容，一般在0.1uF以下取值trUBurst返回2024/5/22周三54.声表面滤波器（SAW）w在手机中，接受信号从天线开关到接收处理电路之间采用声表面滤波器（SAW）w声表面滤波器（SAW）可以提供较宽的通频带、较低的损耗，此外有的SAW器件还集成有将非平衡信号转换为平衡信号的功能。wSAW的滤波特性详见SAWDataSheetlc03clc66e返回2024/5/22周三55.平衡网络（Balance）wBalance电路构成：UI分别经过低通、高通得到反相的UO1、UO2LCCLUIUO1UO2RdiffRsRsRs：特性阻抗Rdiff：输入阻抗2024/5/22周三56.w由计算可知UO1、UO2始终有180度相差（Differential）适合在Balance系统上传输。wL、C的取值要求：f：系统中心频率Rs：特性阻抗Rdiff：输入阻抗w该电路可能集成于SAW中2024/5/22周三57.差模、共模在Balance系统上的传输w差模（DifferentialMode）ABB的传输量为A的一半w共模（CommonMode）I/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回2024/5/22周三58.其它w稳压管、限幅管、静电放电器的比较w上拉、下拉电阻w数字控制信号的高频抑制措施w隔直（Block）电容2024/5/22周三59.稳压管、限幅管、静电放电器的比较稳 压 管管稳压管将输出电压稳定在其标称值上，常用于低压直流稳压电源电路限限 幅幅 管管限幅管将输出电压限定在一定的范围内，超出要求范围的部分由它消耗到地，保证了后级电路、器件的安全工作静静电放放电器器静电放电（ESD:ElectricStaticDischarge）是专门用于高压电弧放电的它用于那些容易被静电接触的区域，它有效抗静电电压取决于它的空隙宽度dUUU=UC-UOU+UOd返回2024/5/22周三60.上拉、下拉电阻上、下拉上、下拉电阻是阻是为了防止了防止扰动引入引入输入端，入端，保持开关状保持开关状态的的稳定性而定性而设置的：置的：上拉电阻RH（PullHigh）下拉电阻RL（PullLow）常开常闭I/PI/PI/PI/PO/PO/PO/PO/PRHRHRLRLVCCVCCVCCVCC返回2024/5/22周三61.数字控制信号的高频抑制措施w射频电路需要由CPU的控制才能有效工作，可是一般数字开关信号都带有很复杂的频率成分，这对于射频电路的稳定性能是一个很大的威胁。w因此我们在控制信号到射频电路的回路中加上抑制高频干扰的电阻R，它可以有效的减缓数字信号的上升、下降沿坡度即减少高频成分。CPURFRControlSignal返回2024/5/22周三62.隔直（Block）电容w对于交流信号处理电路特别是信号放大电路一般不希望连同直流成分同时引入，因为直流偏置的存在很容易使得放大电路处于饱和状态，这样交流信号会被淹没不可能通过有效的放大处理单元，为此我们通常在处理电路输入端串联适当容量的隔直（Block）电容可以有效解决这个问题。因为电容的特性是它对一定频率以下特别是直流信号是阻滞开路（Block）的，而对交流信号则形成通路的。至于电容量的大小取决于带处理交流信号的频率。放大放大处理理电路路SignalBlockDCOffset0返回2024/5/22周三63.Referencew射频锁相环w分频器w高速电路板设计技术wRFCircuitFundamentalswTransmissionLine/SmithChartwDataSheet：UAA3535、TXVCO、RXVCO、PA-BGY280、PCF5078、LMC33-07A0524A、lc03c、lc66e、LDC10B140J1747返回2024/5/22周三64.