手机射频电路分析.ppt

2020 2 7 RFDBTEL 1 TypicalCircuitofRFusedinHandset 手机射频部分典型电路分析 2020 2 7 RFDBTEL 2 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 2 7 RFDBTEL 3 2020 2 7 RFDBTEL 4 Outline 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 2 7 RFDBTEL 5 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 2 7 RFDBTEL 6 TransceiverUAA3535 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 2 7 RFDBTEL 7 返回 2020 2 7 RFDBTEL 8 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 2 7 RFDBTEL 9 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 2 7 RFDBTEL 10 PLLBlockDiagram 返回 2020 2 7 RFDBTEL 11 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Frequencydeviationcapability themax 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 2 7 RFDBTEL 12 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 2 7 RFDBTEL 13 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 2 7 RFDBTEL 14 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 2 7 RFDBTEL 15 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 2 7 RFDBTEL 16 环路低通滤波器 LowPassFilter phasedetector Rz Cz Cp VCO R4 C4 ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequency Tofurtherreducethephasenoiseofthechargepump 2020 2 7 RFDBTEL 17 环路低通滤波器的应用举例 返回 2020 2 7 RFDBTEL 18 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 2020 2 7 RFDBTEL 19 VCO的选择要素 HighspectralpurityLinearvoltage frequencytransfercharacteristicGoodfrequencystabilitytotemperatureFrequencydeviationcapability themax PLLcapturerangeTimeresponseLowpowerconsumptionandOutputlevelOutputharmoniclevelandtuningsensitivityPhasenoise详见TXVCODataSheetRXVCODataSheet 返回 2020 2 7 RFDBTEL 20 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 返回 2020 2 7 RFDBTEL 21 锁相环在手机中应用举例 RX 接收 频率合成器 2020 2 7 RFDBTEL 22 TX VCO锁相环路 返回 2020 2 7 RFDBTEL 23 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 2 7 RFDBTEL 24 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 SourcefromVCO CouplingPower 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 2020 2 7 RFDBTEL 25 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 2 7 RFDBTEL 26 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 返回 2020 2 7 RFDBTEL 27 DirectionalCoupler Coupling I PPI O PPo O PPC InsertionLoss PC Couplingpowerwhenincidentpowerinwrongdirection PI IncidentPowerinwrongdirection PI Inputpower PO Outputpower PC Couplingpower 2020 2 7 RFDBTEL 28 dB dBm dBc dB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 P1 P2 2020 2 7 RFDBTEL 29 dB 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 Y 2020 2 7 RFDBTEL 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 2 7 RFDBTEL 31 参数计算方法 Coupling InsertionLoss Isolation Directivity Coupling Isolation 0 2020 2 7 RFDBTEL 32 计算举例 全用对数计算 PI 0dBmPC 20dBmPO 1dBmPI 0dBmPC 40dBm Coupling 20dBmInsertionLoss 1dBmIsolation 40dBmDirectivity Coupling Isolation 20dBm 2020 2 7 RFDBTEL 33 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 2 7 RFDBTEL 34 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 2 7 RFDBTEL 35 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PCF5078DataSheet 2020 2 7 RFDBTEL 36 功率控制环路 APC 的应用 返回 2020 2 7 RFDBTEL 37 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 对发射为open TX RX 为发射波长 对接收为short 2020 2 7 RFDBTEL 38 收发双工器的特性参数 TX RX FrequencyRange MHz InsertionLoss dB Attenuation dB V S W R Isolation dB Harmonics2xfo 3xfo dBc PowerCapacity dBm 详见LMC33 07A0524ADataSheet 返回 2020 2 7 RFDBTEL 39 衰减网络 Attenuation 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通常衰减网络形式有 T型 型衰减网络的计算 型衰减网络 型衰减网络 R1 R2 R3 R1 R2 R3 2020 2 7 RFDBTEL 40 衰减网络的计算 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 2020 2 7 RFDBTEL 41 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 2020 2 7 RFDBTEL 42 衰减网络的作用 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利用衰减网络可以提高系统的信噪比利用50欧姆衰减网络可以缓和前级与后级的阻抗变化 2020 2 7 RFDBTEL 43 衰减网络的应用 返回 2020 2 7 RFDBTEL 44 匹配网络 Matching 匹配的定义 后级输入阻抗与前级输出阻抗共扼匹配网络的类型 L型T型 型阻抗匹配 参见RFCircuitFundamentals 天线的匹配 参见TransmissionLine SmithChart 2020 2 7 RFDBTEL 45 天线匹配的举例 返回 2020 2 7 RFDBTEL 46 滤波网络 Filter 通用滤波网络电源滤波去耦网络声表面滤波器 SAW 2020 2 7 RFDBTEL 47 通用滤波网络 滤波器是抑制除特定带宽以外信号及噪声的装置 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 2020 2 7 RFDBTEL 48 3dB 3dB R R L L C C U U f f 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 2020 2 7 RFDBTEL 49 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 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 2020 2 7 RFDBTEL 50 电源滤波去耦网络 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 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 2020 2 7 RFDBTEL 51 电源滤波去耦网络基本理论 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 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 2020 2 7 RFDBTEL 52 电源滤波去耦网络基本构成 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 DecouplingResistor Inductor DecouplingCapacitor R L C1 C2 2020 2 7 RFDBTEL 53 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 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 2020 2 7 RFDBTEL 54 电源滤波去耦网络的应用 2020 2 7 RFDBTEL 55 电源去耦电路参数的选择 C1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C2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 2020 2 7 RFDBTEL 56 声表面滤波器 SAW 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 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 SAW的滤波特性详见SAWDataSheetlc03clc66e 返回 2020 2 7 RFDBTEL 57 平衡网络 Balance Balance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 2020 2 7 RFDBTEL 58 由计算可知UO1 UO2始终有180度相差 Differential 适合在Balance系统上传输 L C的取值要求 f 系统中心频率Rs 特性阻抗Rdiff 输入阻抗该电路可能集成于SAW中 2020 2 7 RFDBTEL 59 差模 共模在Balance系统上的传输 差模 DifferentialMode ABB的传输量为A的一半共模 CommonMode I P O P I P O P I P O P C 返回 2020 2 7 RFDBTEL 60 其它 稳压管 限幅管 静电放电器的比较上拉 下拉电阻数字控制信号的高频抑制措施隔直 Block 电容 2020 2 7 RFDBTEL 61 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 Electri