微波射频手机射频电路原理分析

2020/4/22RFDBTEL1TypicalCircuitofRFusedinHandset手机射频电路原理分析2020/4/22RFDBTEL2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。2020/4/22RFDBTEL32020/4/22RFDBTEL4Outline收发器（Transceiver）锁相环（PLL）功率控制环路（APC）收发双工器（Diplexer）衰减网络（Attenuation）匹配网络（Matching）滤波网络（Filter）平衡网络（Balance）其它2020/4/22RFDBTEL5收发器（Transceiver）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Transceiver根据其工作频率可分为：单频、双频、三频等Transceiver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2020/4/22RFDBTEL6TransceiverUAA3535（Philips）UAA3535是近零中频收发器，它最多可以作三频收发它内部有：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2020/4/22RFDBTEL7返回2020/4/22RFDBTEL8锁相环（PLL）锁相环四个基本构成元素锁相环路的性能基本构成电路分析锁相环在手机中应用举例详见《射频锁相环》2020/4/22RFDBTEL9锁相环四个基本构成元素鉴相器（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/频率差环路滤波器LoopFilter（LP）：LP一般为N阶低通滤波器电压控制振荡器（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2020/4/22RFDBTEL10PLLBlockDiagram返回2020/4/22RFDBTEL11锁相环路的性能锁相环的基本性能包括捕获过程与同步（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。2020/4/22RFDBTEL12环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。环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。环路捕获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2020/4/22RFDBTEL13基本构成电路分析鉴相器（PhaseDetector）电荷泵——环路低通滤波器（ChargePump——LoopFilter）压控振荡器（VoltageControlledOscillator）分频器（DIV）2020/4/22RFDBTEL14鉴相器（PhaseDetector）在频率合成器中所采用的鉴相器主要有正弦波相位检波器与脉冲取样保持相位比较器两种。返回2020/4/22RFDBTEL15电荷泵——环路低通滤波器（ChargePump——LoopFilter）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。2020/4/22RFDBTEL16环路低通滤波器（LowPassFilter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequencyTofurtherreducethephasenoiseofthechargepump2020/4/22RFDBTEL17环路低通滤波器的应用举例返回2020/4/22RFDBTEL18压控振荡器（VoltageControlledOscillator）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。LC102020/4/22RFDBTEL19VCO的选择要素HighspectralpurityLinearvoltage-frequencytransfercharacteristicGoodfrequencystabilitytotemperatureFrequencydeviationcapabilitythemax.PLLcapturerangeTimeresponseLowpowerconsumptionandOutputlevelOutputharmoniclevelandtuningsensitivityPhasenoise详见TXVCODataSheetRXVCODataSheet返回2020/4/22RFDBTEL20分频器（DIV）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》rfNf0返回2020/4/22RFDBTEL21锁相环在手机中应用举例RX（接收）频率合成器2020/4/22RFDBTEL22TX-VCO锁相环路返回2020/4/22RFDBTEL23功率控制环路（APC）功率控制环路构成：功率放大器（PowerAmplifier）功率耦合器（PowerCoupler）功率检波器（PowerDetector）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。2020/4/22RFDBTEL24功率控制环路构成功率放大器功率耦合器检波器功率比较控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比较信号用于用户设定功率值耦合检波信号差值功率控制信号功率控制环路返回2020/4/22RFDBTEL25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：工作频率、带宽最大线性输出功率（压缩点）线性放大对输入功率要求输入、输出需要的匹配阻抗工作电源及电压、电流的要求控制信号的形式及要求噪声特性等等详见PA-BGY280DataSheet返回2020/4/22RFDBTEL26功率耦合器（PowerCoupler）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。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）]参数计算方法返回2020/4/22RFDBTEL27DirectionalCouplerCouplingI/PPIO/PPoO/PPCInsertionLossPC*:CouplingpowerwhenincidentpowerinwrongdirectionPI*:IncidentPowerinwrongdirectionPI:InputpowerPO:OutputpowerPC:Couplingpower2020/4/22RFDBTEL28dB&dBm&dBcdB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：dBm是一个绝对功率值，它是一定功率与一毫瓦的相对值。dBc是一个差值，它表示两个功率值的差。oVVlg20oPPlg10mWPdBm1lg10)(P1P221lg10)(PPdBc2020/4/22RFDBTEL29dB&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。dB&dBm&dBc是可以直接相加减的。例如:增益YdB输入XdBm输出ZdBm则输出Z(dBm)=X+Y2020/4/22RFDBTEL300dBm=1mW10dBm=10mW30dBm=1WdB------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2020/4/22RFDBTEL31参数计算方法Coupling=InsertionLoss=Isolation=Directivity=Coupling-Isolation00lg10ICPP0lg10IOPP0**lg10ICPP2020/4/22RFDBTEL32计算举例（全用对数计算）PI:0dBmPC:20dBmPO:-1dBmPI*:0dBmPC*:-40dBmCoupling=-20dBmInsertionLoss=-1dBmIsolation=-40dBmDirectivity=Coupling-Isolation=20dBm2020/4/22RFDBTEL33功率检波器（PowerDetector）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。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输出耦合电容Cc检波二极管D检波电压输出低通积分电路2020/4/22RFDBTEL34负包络检波的对二极管要求：检波二极管D以P极为输入端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2020/4/22RFDBTEL35功率比较、控制器PowerComparator&Controller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PCF5078DataSheet2020/4/22RFDBTEL36功率控制环路（APC）的应用返回2020/4/22RFDBTEL37收发双工器（Diplexer）收发合用一路天线，因此使用天线收发双工器（AntennaSwitch）4/对发射为openTXRX为发射波长对接收为short2020/4/22RFDBTEL38收发双工器的特性参数（TX/RX）FrequencyRange(MHz)InsertionLoss(