手機射頻電路分析演示幻燈片

2020/5/16,1,TypicalCircuitofRFusedinHandset,手機射頻部分典型電路分析,2020/5/16,2,射頻電路概況,隨著電路集成技術日新月異的發(fā)展，射頻電路也趨向于集成化、模塊化，這對于小型化移動終端的開發(fā)、應用是特別有利的。目前手機的射頻電路是以RFIC為中心結(jié)合外圍輔助、控制電路構(gòu)成的。射頻電路中各典型功能模塊的分析是我們討論的主要內(nèi)容。,2020/5/16,3,2020/5/16,4,Outline,收發(fā)器（Transceiver）鎖相環(huán)（PLL）功率控制環(huán)路（APC）收發(fā)雙工器（Diplexer）衰減網(wǎng)絡（Attenuation）匹配網(wǎng)絡（Matching）濾波網(wǎng)絡（Filter）平衡網(wǎng)絡（Balance）其它,2020/5/16,5,收發(fā)器（Transceiver）,收發(fā)器即調(diào)制解調(diào)器調(diào)制：發(fā)射時基帶信號加載到射頻信號解調(diào)：接收時射頻信號過濾出基帶信Transceiver根據(jù)其工作頻率可分為：單頻、雙頻、三頻等Transceiver根據(jù)其中頻特征可分為有中頻、零中頻、近零中頻等以DB2009為例介紹TransceiverUAA3535的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2020/5/16,6,TransceiverUAA3535（Philips）,UAA3535是近零中頻收發(fā)器，它最多可以作三頻收發(fā)它內(nèi)部有：三個PLL（包括一個內(nèi)置VCO）、正交混頻解調(diào)器、可控增益低噪放大器、混頻調(diào)制器等它需外接：13MHz參考基準時鐘、RXVCO、TXVCO、基帶控制信號等詳見UAA3535DataSheet我們需要研究其內(nèi)部各重要節(jié)點的頻率、帶寬，信號轉(zhuǎn)換的流程等細節(jié),2020/5/16,7,返回,2020/5/16,8,鎖相環(huán)（PLL）,鎖相環(huán)四個基本構(gòu)成元素鎖相環(huán)路的性能基本構(gòu)成電路分析鎖相環(huán)在手機中應用舉例詳見射頻鎖相環(huán),2020/5/16,9,鎖相環(huán)四個基本構(gòu)成元素,鑒相器（PD）鑒頻器（FD）鑒相鑒頻（PFD）：PD/FD/PFD是一個相位/頻率比較裝置，用來檢測輸入信號與反饋信號之間的相位/頻率差環(huán)路濾波器LoopFilter（LP）：LP一般為N階低通濾波器電壓控制振蕩器（VCO）：VCO是一個電壓-頻率變換裝置，輸出振蕩頻率應隨輸入控制電壓線性地變化參考信號源（Referencesignalsource）：參考信號源提供與反饋信號鑒相鑒頻用的對比輸入信號,2020/5/16,10,PLLBlockDiagram,返回,2020/5/16,11,鎖相環(huán)路的性能,鎖相環(huán)的基本性能包括捕獲過程與同步（1）捕獲過程的性能指捕獲帶和捕獲時間。捕獲帶指環(huán)路能通過捕獲過程而進入同步狀態(tài)所允許的最大固有頻差捕獲時間是環(huán)路由起始時刻到進入同步狀態(tài)的時刻之間的時間間隔Frequencydeviationcapabilitythemax.PLLcapturerange（2）環(huán)路鎖定之后穩(wěn)態(tài)頻差等于零，進入同步狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)相差通?？偸谴嬖诘模且粋€固定值。,2020/5/16,12,環(huán)路的跟蹤性能輸入信號變化越快，跟蹤性能就越差。暫態(tài)相位誤差和穩(wěn)態(tài)相位誤差的大小，是衡量環(huán)路線性跟蹤性能好壞的重要標志。環(huán)路噪聲性能噪聲包括輸入噪聲與諧波干擾和內(nèi)部噪聲與諧波干擾，壓控振蕩器內(nèi)部的噪聲是主要的噪聲源。環(huán)路捕獲性能捕獲帶越寬越好，捕獲時間越短越好，可提高環(huán)路的增益K或者增加濾波器的帶寬，但加大環(huán)路增益或濾波器帶寬往往是與提高環(huán)路的跟蹤性能和濾波性能的要求相矛盾。采用輔助捕獲的方法達到目的。包括輔助鑒頻和鑒頻鑒相，變帶寬和變增益等。,返回,2020/5/16,13,基本構(gòu)成電路分析,鑒相器（PhaseDetector）電荷泵環(huán)路低通濾波器（ChargePumpLoopFilter）壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator）分頻器（DIV）,2020/5/16,14,鑒相器（PhaseDetector）,在頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相位檢波器與脈沖取樣保持相位比較器兩種。,返回,2020/5/16,15,電荷泵環(huán)路低通濾波器（ChargePumpLoopFilter）,電荷泵的的作用主要是：給鎖相環(huán)路提供理想恒定的電流源，保持良好的線性關系，使得頻率范圍易于控制環(huán)路低通濾波器（LPF）由PFD的輸出信號需經(jīng)過低通濾波器再去控制VCO。一般采用電阻、電容構(gòu)成積分形式的低通濾波器，它可以為單階或多階濾波器。它的通頻帶由電阻、電容參數(shù)決定，它的截止速度取決于其階數(shù)。,2020/5/16,16,環(huán)路低通濾波器（LowPassFilter）,phasedetector,Rz,Cz,Cp,VCO,R4,C4,ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequency,Tofurtherreducethephasenoiseofthechargepump,2020/5/16,17,環(huán)路低通濾波器的應用舉例,返回,2020/5/16,18,壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator）,壓控振蕩器一般是由變?nèi)荻O管為主構(gòu)成的諧振回路：諧振回路的中心頻率由其回路的等效L、C特性決定：變?nèi)荻O管的等效電容量由加在其兩端的電壓控制，這樣通過電壓的變化就能轉(zhuǎn)換成回路諧振頻率的變化，就構(gòu)成了壓控振蕩器VCO。,2020/5/16,19,VCO的選擇要素,HighspectralpurityLinearvoltage-frequencytransfercharacteristicGoodfrequencystabilitytotemperatureFrequencydeviationcapabilitythemax.PLLcapturerangeTimeresponseLowpowerconsumptionandOutputlevelOutputharmoniclevelandtuningsensitivityPhasenoise詳見TXVCODataSheetRXVCODataSheet,返回,2020/5/16,20,分頻器（DIV）,鎖相環(huán)通常用于N倍參考頻率的發(fā)生器：其中N為分頻比，它由環(huán)路中分頻器DIV提供參見分頻器,返回,2020/5/16,21,鎖相環(huán)在手機中應用舉例,RX（接收）頻率合成器,2020/5/16,22,TX-VCO鎖相環(huán)路,返回,2020/5/16,23,功率控制環(huán)路（APC）,功率控制環(huán)路構(gòu)成：功率放大器（PowerAmplifier）功率耦合器（PowerCoupler）功率檢波器（PowerDetector）功率比較、控制器（PowerComparator&Controller）這樣構(gòu)成的環(huán)路可以將功率較穩(wěn)定的控制在我們的設定值上，這個設定值可以隨時間根據(jù)需要不斷變化。,2020/5/16,24,功率控制環(huán)路構(gòu)成,功率放大器,功率耦合器,檢波器,功率比較控制器,PI,SourcefromVCO,CouplingPower,Pc,Po,比較信號用于用戶設定功率值,耦合檢波信號,差值功率控制信號,功率控制環(huán)路,返回,2020/5/16,25,功率放大器（PowerAmplifier）,目前手機用PA一般是厚膜模擬電路制成，它要求將低功率射頻信號線性無失真的放大到一定功率值。它的主要參數(shù)有：工作頻率、帶寬最大線性輸出功率（壓縮點）線性放大對輸入功率要求輸入、輸出需要的匹配阻抗工作電源及電壓、電流的要求控制信號的形式及要求噪聲特性等等詳見PA-BGY280DataSheet,返回,2020/5/16,26,功率耦合器（PowerCoupler）,為了達到功率控制，我們需要使用到的功率傳感器就是功率耦合器，一般為DirectionalCoupler。它的主要參數(shù)有：詳見其LDCDataSheet耦合量（Coupling）插入損耗（InsertionLoss）隔離度（Isolation）方向性（Directivity）單位（dB）,返回,2020/5/16,27,DirectionalCoupler,Coupling,I/PPI,O/PPo,O/PPC,InsertionLoss,PC*:Couplingpowerwhenincidentpowerinwrongdirection,PI*:IncidentPowerinwrongdirection,PI:Inputpower,PO:Outputpower,PC:Couplingpower,2020/5/16,28,dB&dBm&dBc,dB是一個相對值，它是針對一定參考而言的，它通常用于表示衰減或增益的量。對電壓比：對功率比：dBm是一個絕對功率值，它是一定功率與一毫瓦的相對值。dBc是一個差值，它表示兩個功率值的差。,P1,P2,2020/5/16,29,dB&dBm&dBc都是對數(shù)表示方式，對它們來講功率的乘除運算變成了它們的加減運算。dB&dBm&dBc是可以直接相加減的。例如:,增益YdB,輸入XdBm,輸出ZdBm,則輸出Z(dBm)=X+Y,2020/5/16,30,0dBm=1mW10dBm=10mW30dBm=1W,dB-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,2020/5/16,31,參數(shù)計算方法,Coupling=InsertionLoss=Isolation=Directivity=Coupling-Isolation0,2020/5/16,32,計算舉例（全用對數(shù)計算）,PI:0dBmPC:20dBmPO:-1dBmPI*:0dBmPC*:-40dBm,Coupling=-20dBmInsertionLoss=-1dBmIsolation=-40dBmDirectivity=Coupling-Isolation=20dBm,2020/5/16,33,功率檢波器（PowerDetector）,功率檢波器對Coupler的耦合高頻信號進行包絡檢波進而得到一個體現(xiàn)耦合信號幅值大小的檢波電壓。我們采用二極管負包絡檢波電路，后級常為低通積分電路。例如：,Coupler輸出,耦合電容Cc,檢波二極管D,檢波電壓輸出,低通積分電路,2020/5/16,34,負包絡檢波的對二極管要求：檢波二極管D以P極為輸入端檢波二極管的極電容要求較小的肖特基二極管，若極電容過大，將會使負包絡過多的耦合流失到低，導致檢波效果變差,返回,2020/5/16,35,功率比較、控制器PowerComparator&Controller,功率比較、控制器的功能：功率比較器將功率檢波信號與設定功率信號相比較得到一個功率控制信號給功率控制器，由功率控制器產(chǎn)生控制電壓給功率放大器（PA）它的具體參數(shù)詳見PCF5078DataSheet,2020/5/16,36,功率控制環(huán)路（APC）的應用,返回,2020/5/16,37,收發(fā)雙工器（Diplexer）,收發(fā)合用一路天線，因此使用天線收發(fā)雙工器（AntennaSwitch）,對發(fā)射為open,TX,RX,為發(fā)射波長,對接收為short,2020/5/16,38,收發(fā)雙工器的特性參數(shù)（TX/RX）,FrequencyRange(MHz)InsertionLoss(dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation(dB)Harmonics2xfo,3xfo(dBc)PowerCapacity(dBm)詳見LMC33-07A0524ADataSheet,返回,2020/5/16,39,衰減網(wǎng)絡（Attenuation）,為了達到系統(tǒng)中對輸入輸出功率要求高的部分的功率適配，我們通常在輸出端到輸入端之間加上功率衰減網(wǎng)絡通常衰減網(wǎng)絡形式有：T型、型衰減網(wǎng)絡的計算,型衰減網(wǎng)絡,型衰減網(wǎng)絡,R1,R2,R3,R1,R2,R3,2020/5/16,40,衰減網(wǎng)絡的計算,已知網(wǎng)絡參數(shù)求衰減系數(shù)AZin1：短路輸入電抗Zin2：開路輸入電抗Zout1：短路輸出電抗Zout2：開路輸出電抗,2020/5/16,41,已知衰減系數(shù)A求網(wǎng)絡參數(shù)（R0：特性阻抗）由求得K值：則可得對T型：對型：,2020/5/16,42,衰減網(wǎng)絡的作用,衰減網(wǎng)絡主要是為了使輸出功率符合下級輸入功率的要求利用衰減網(wǎng)絡可以提高系統(tǒng)的信噪比利用50歐姆衰減網(wǎng)絡可以緩和前級與后級的阻抗變化,2020/5/16,43,衰減網(wǎng)絡的應用,返回,2020/5/16,44,匹配網(wǎng)絡（Matching）,匹配的定義：后級輸入阻抗與前級輸出阻抗共扼匹配網(wǎng)絡的類型：L型T型型阻抗匹配（參見RFCircuitFundamentals）天線的匹配（參見TransmissionLine/SmithChart）,2020/5/16,45,天線匹配的舉例,返回,2020/5/16,46,濾波網(wǎng)絡（Filter）,通用濾波網(wǎng)絡電源濾波去耦網(wǎng)絡聲表面濾波器（SAW）,2020/5/16,47,通用濾波網(wǎng)絡,濾波器是抑制除特定帶寬以外信號及噪聲的裝置。按照不同標準它可分為：低通、高通、帶通、帶阻濾波器；一階、二階、高階濾波器；無源濾波器、有源濾波器以下我們以單階無源濾波器為例做一些簡介,2020/5/16,48,3dB,3dB,R,R,L,L,C,C,U,U,f,f,fH,fL,單階無源低通（LP）,單階無源高通（HP）,高頻截止頻率fH與L、C參數(shù)有關,低頻截止頻率fL與L、C參數(shù)有關,2020/5/16,49,低通濾波器的3dB衰減點的頻率為高頻截止頻率fH，它截止的斜率與其階數(shù)相關高通濾波器的3dB衰減點的頻率為低頻截止頻率fL，它截止的斜率與其階數(shù)相關如果將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，而且fHfL就能構(gòu)成帶通濾波器，其通頻帶為fLfH。如果將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)，而且fHfL就能構(gòu)成帶阻濾波器，其阻頻帶為fHfL。,濾波特性,返回,2020/5/16,50,電源濾波去耦網(wǎng)絡,對于射頻電路而言，電源穩(wěn)定由特別重要的意義，不僅它自身不穩(wěn)定會影響電路性能，而且各用電單元也會以電源為途徑互相傳遞干擾造成很大的不穩(wěn)定因數(shù)，去耦即去除電源與用電單元之間的交流耦合。實際電路中電源去耦電路無論在電源輸出端還是在用電輸入端都需要，而且去耦電路離用電模塊越近達到的去耦效果越好。,2020/5/16,51,電源濾波去耦網(wǎng)絡基本理論,我們一般希望電源供電除了開/關時間以外是直流穩(wěn)定的，不希望它的端電壓出現(xiàn)紋波、抖動、跳變等不穩(wěn)定因數(shù)存在，電源去耦網(wǎng)絡正是為這些交流成分提供了短路到地的通路。去耦電阻、去耦電容及去耦電感構(gòu)成的低通網(wǎng)絡為電源的交流成分提供一個到地的通路，它們的參數(shù)與電源提供的電流量、需要特別濾除的頻率成分等相關。,2020/5/16,52,電源濾波去耦網(wǎng)絡基本構(gòu)成,電源去耦低通濾波網(wǎng)絡如右圖：去耦電阻或電感-R/L（DecouplingResistor/Inductor）去耦電容-C1、C2（DecouplingCapacitor）以上部分部不要求全部具備，去耦電阻及去耦電感有時就可不用去耦電阻R在電路中將緩和電源上升、下降沿的速度，從而抑制高頻噪聲的形成；,用電單元,Power,Battery,DecouplingResistor/Inductor,DecouplingCapacitor,R/L,C1,C2,2020/5/16,53,去耦電感L在回路中必然阻礙高頻交流成分達到隔離效果；有時，我們還使用扼流磁珠來獲得更強的隔離效果。去耦電容由C1、C2并聯(lián)分別承擔低頻、高頻交流成分濾波的任務。電解電容C1一般容量較大在低頻時能提供好的通路，而在高頻時由于其寄生電感的存在阻抗將變大無法提供濾波通路；陶瓷電容C2由于其容量一般較小，所以在低頻時阻抗較大無法提供濾波通路，而在高頻時阻抗變小則會有很好的濾波特性；這樣可以看出C1、C2的濾波特性是互補的，需要同時利用才能得到較寬頻的有效濾波范圍。當然，如果需要更寬的濾波頻段還可用更多不同類型的電容并聯(lián)得到。詳見高速電路板設計技術,2020/5/16,54,電源濾波去耦網(wǎng)絡的應用,2020/5/16,55,電源去耦電路參數(shù)的選擇,C1的選擇：假設電源提供電流為I，則K取10是經(jīng)驗比例一般應用時取電容標稱值在計算值附近就可以了C2的選擇：C2位高頻陶瓷電容，一般在0.1uF以下取值,tr,U,Burst,返回,2020/5/16,56,聲表面濾波器（SAW）,在手機中，接受信號從天線開關到接收處理電路之間采用聲表面濾波器（SAW）聲表面濾波器（SAW）可以提供較寬的通頻帶、較低的損耗，此外有的SAW器件還集成有將非平衡信號轉(zhuǎn)換為平衡信號的功能。SAW的濾波特性詳見SAWDataSheetlc03clc66e,返回,2020/5/16,57,平衡網(wǎng)絡（Balance）,Balance電路構(gòu)成：UI分別經(jīng)過低通、高通得到反相的UO1、UO2,L,C,C,L,UI,UO1,UO2,Rdiff,Rs,Rs,Rs：特性阻抗,Rdiff：輸入阻抗,2020/5/16,58,由計算可知UO1、UO2始終有180度相差（Differential）適合在Balance系統(tǒng)上傳輸。L、C的取值要求：f：系統(tǒng)中心頻率Rs：特性阻抗Rdiff：輸入阻抗該電路可能集成于SAW中,2020/5/16,59,差模、共模在Balance系統(tǒng)上的傳輸,差模（DifferentialMode）ABB的傳輸量為A的一半共模（CommonMode）,I/P,O/P,I/P,O/P,I/P,O/P,C,返回,2020/5/16,60,其它,穩(wěn)壓管、限幅管、靜電放電器的比較上拉、下拉電阻數(shù)字控制信號的高頻抑制措施隔直（Block）電容,2020/5/16,61,穩(wěn)壓管、限幅管、靜電放電器的比較,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管將輸出電壓穩(wěn)定在其標稱值上，常用于低壓直流穩(wěn)壓電源電路,限幅管限幅管將輸出電壓限定在一定的范圍內(nèi)，超出要求范圍的部分由它消耗到地，保證了后級電路、器件的安全工作,靜電放電器靜電放電（ESD:ElectricStaticDischar