手机射频讲解分析课件

Typical Circuit of RF used in Handset 手机射频部分典型电路分析 *1RF Training 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。 Date2RF Training Date3RF Training Outline w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 Date4RF Training 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Transceiver UAA3535的内部结构 Date5RF Training Transceiver UAA3535（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UAA3535 Data Sheet 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 Date6RF Training 返回 Date7RF Training 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 Date8RF Training 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Loop Filter（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（Reference signal source）： 参考信号源提供与反馈信号鉴相鉴频用的对比输入信 号 Date9RF Training PLL Block Diagram 返回 Date10RF Training 锁相环路的性能 w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 Frequency deviation capability the max. PLL capture range （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。 Date11RF Training w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 。 w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。 w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 Date12RF Training 基本构成电路分析 w鉴相器（Phase Detector） w电荷泵环路低通滤波器 （Charge PumpLoop Filter ） w压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator） w分频器（DIV） Date13RF Training 鉴相器（Phase Detector） w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 Date14RF Training 电荷泵环路低通滤波器 （ Charge PumpLoop Filter ） 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。 Date15RF Training 环路低通滤波器（Low Pass Filter ） phase detector Rz Cz Cp VCO R4 C4 To important the transient characteristics The loop can track better a change in input frequency To further reduce the phase noise of the charge pump Date16RF Training 环路低通滤波器的应用举例 返回 Date17RF Training 压控振荡器 （Voltage Controlled Oscillator ） 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。 Date18RF Training VCO的选择要素 wHigh spectral purity wLinear voltage-frequency transfer characteristic wGood frequency stability to temperature wFrequency deviation capability the max. PLL capture range wTime response wLow power consumption and Output level wOutput harmonic level and tuning sensitivity wPhase noise 详见TXVCO Data Sheet RXVCO Data Sheet 返回 Date19RF Training 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 Date20RF Training 锁相环在手机中应用举例 wRX（接收）频率合成器 Date21RF Training wTX-VCO锁相环路 返回 Date22RF Training 功率控制环路（APC） 功率控制环路构成： w 功率放大器（Power Amplifier） w 功率耦合器（Power Coupler） w 功率检波器（Power Detector） w 功率比较、控制器（Power Comparator& 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。 Date23RF Training 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 PI Source from VCO Coupling Power Pc Po 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 Date24RF Training 功率放大器（Power Amplifier ） 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-BGY280 Data Sheet 返回 Date25RF Training 功率耦合器（Power Coupler） 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 Directional Coupler。 w它的主要参数有：详见其LDC Data Sheet 耦合量（Coupling） 插入损耗（Insertion Loss） 隔离度（Isolation） 方向性（Directivity） 单位（dB） 返回 Date26RF Training Directional Coupler Coupli ng I/P PI O/P Po O/P PC Insertion Loss PC*:Coupling power when incident power in wrong direction PI*:Incident Power in wrong direction PI :Input power PO:Output power PC:Coupling power Date27RF Training dB & dBm & dBc wdB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。 P1 P2 Date28RF Training 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 Y dB 输入X dBm 输出Z dBm 则输出Z(dBm)=X+Y Date29RF Training 0dBm=1mW 10dBm=10mW 30dBm=1W dB-功率比 12dB-16 9dB-8 6dB-4 3dB-2 0dB-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 Date30RF Training 参数计算方法 wCoupling= wInsertion Loss= wIsolation= wDirectivity=Coupling-Isolation0 Date31RF Training 计算举例（全用对数计算） PI :0dBm PC :20dBm PO : -1dBm PI* : 0dBm PC* : -40dBm Coupling=-20dBm Insertion Loss= -1dBm Isolation= -40dBm Directivity= Coupling- Isolation =20dBm Date32RF Training 功率检波器（Power Detector ） 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 耦合电容Cc 检波 二极管 D 检波电压输出低通 积分 电路 Date33RF Training 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 Date34RF Training 功率比较、控制器 Power Comparator&Controller w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PCF5078 Data Sheet Date35RF Training 功率控制环路（APC）的应用 返回 Date36RF Training 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（Antenna Switch） 对发射为open TX RX 为发射波长 对接收为short Date37RF Training 收发双工器的特性参数（TX/RX ） wFrequency Range (MHz) wInsertion Loss (dB) wAttenuation(dB) wV.S.W.R. wIsolation (dB) wHarmonics 2xfo, 3xfo (dBc) wPower Capacity (dBm) 详见LMC33-07A0524A Data Sheet返回 Date38RF Training 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 型衰减网络 型衰减网络 R1R2 R3 R1 R2R3 Date39RF Training 衰减网络的计算 w已知网络参数求衰减系数A Zin1： 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 Date40RF Training 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： Date41RF Training 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 Date42RF Training 衰减网络的应用 返回 Date43RF Training 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RF Circuit Fundamentals ） w天线的匹配（参见Transmission Line/Smith Chart ） Date44RF Training 天线匹配的举例 返回 Date45RF Training 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） Date46RF Training 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 Date47RF Training 3dB3dB RR L LC C UU ff fH fL 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 Date48RF Training 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 fH fL 就能构成带通滤波器，其通频带为fL fH 。 w如果将低通滤波器和高通滤波器并联，而且 fH fL 就能构成带阻滤波器，其阻频带为fH fL 。 滤波特性 返回 Date49RF Training 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。Date50RF Training 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 。 Date51RF Training 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 （Decoupling Resistor/Inductor） 去耦电容-C1、C2 （Decoupling Capacitor） 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 电 单 元 Power Battery Decoupling Resistor/Inductor Decoupling Capacitor R/L C1C2 Date52RF Training 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 Date53RF Training 电源滤波去耦网络的应用 Date54RF Training 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 tr U Burst 返回 Date55RF Training 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 SAW Data Sheet lc03c lc66e 返回 Date56RF Training 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 、UO2 L C C L UI UO1 UO2 Rdiff Rs Rs Rs：特性阻抗 Rdiff ：输入阻抗 Date57RF Training 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 Date58RF Training 差模、共模在Balance系统上的传输 w差模（Differential Mode） A B B的传输量为A的一半 w共模（Common Mode） I/PO/P I/PO/P I/P O/P C 返回 Date59RF Training 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 Date60RF Training 稳压管、限幅管、静电放电器的比较 稳 压 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 幅 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 静电放电器 静电放电（ESD:Electric