GSM手机射频工作原理与电路分析.ppt

2020 3 27 RFDBTEL 1 GSM手机射频工作原理与电路分析 2020 3 27 RFDBTEL 2 2020 3 27 RFDBTEL 3 Outline 匹配网络 Matching 收发双工器 Diplexer 声表面波滤波器 SAW 平衡网络 Balance 锁相环 PLL 收发器 Transceiver 衰减网络 Attenuation 功率控制环路 APC 滤波网络 Filter 其它 2020 3 27 RFDBTEL 4 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 2020 3 27 RFDBTEL 5 天线匹配的举例 返回 2020 3 27 RFDBTEL 6 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 3 27 RFDBTEL 7 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LMC33DataSheet 返回 2020 3 27 RFDBTEL 8 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 3 27 RFDBTEL 9 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 3 27 RFDBTEL 10 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 3 27 RFDBTEL 11 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 3 27 RFDBTEL 12 锁相环 PLL 锁相环应用于滤波 频率综合 调制解调 信号与检测等多个方面 锁相环四个基本构成元素基本构成电路分析锁相环在手机中应用举例 2020 3 27 RFDBTEL 13 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 3 27 RFDBTEL 14 PLLBlockDiagram 返回 2020 3 27 RFDBTEL 15 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 3 27 RFDBTEL 16 鉴相器 PhaseDetector 鉴相器的主要作用 检测输入信号与反馈信号之间的相位差 鉴相器的数学模型 返回 Kdsin 1 t v t e t 1 t v t Vd t Kdsin e t 鉴相器的数学模型 2020 3 27 RFDBTEL 17 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 3 27 RFDBTEL 18 环路低通滤波器 LowPassFilter phasedetector Rz Cz Cp VCO R4 C4 ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequency Tofurtherreducethephasenoiseofthechargepump 2020 3 27 RFDBTEL 19 环路低通滤波器的应用举例 返回 2020 3 27 RFDBTEL 20 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 3 27 RFDBTEL 21 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 3 27 RFDBTEL 22 锁相环在手机中应用举例 RX 接收 频率合成器 2020 3 27 RFDBTEL 23 TX VCO锁相环路 2020 3 27 RFDBTEL 24 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 3 27 RFDBTEL 25 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 3 27 RFDBTEL 26 返回 2020 3 27 RFDBTEL 27 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 3 27 RFDBTEL 28 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 3 27 RFDBTEL 29 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 3 27 RFDBTEL 30 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 3 27 RFDBTEL 31 衰减网络的应用 返回 2020 3 27 RFDBTEL 32 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 3 27 RFDBTEL 33 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 3 27 RFDBTEL 34 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 3 27 RFDBTEL 35 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LDCDataSheet耦合量 Coupling 插入损耗 InsertionLoss 隔离度 Isolation 方向性 Directivity 单位 dB 返回 2020 3 27 RFDBTEL 36 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 3 27 RFDBTEL 37 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 3 27 RFDBTEL 38 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 3 27 RFDBTEL 39 功率控制环路 APC 的应用 返回 2020 3 27 RFDBTEL 40 滤波网络 Filter 通用滤波网络电源滤波去耦网络 2020 3 27 RFDBTEL 41 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 3 27 RFDBTEL 42 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 3 27 RFDBTEL 43 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 3 27 RFDBTEL 44 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 3 27 RFDBTEL 45 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 3 27 RFDBTEL 46 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 3 27 RFDBTEL 47 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 3 27 RFDBTEL 48 电源滤波去耦网络的应用 2020 3 27 RFDBTEL 49 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 3 27 RFDBTEL 50 其它 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 3 27 RFDBTEL 51 上拉 下拉电阻上 下拉电阻是为了防止扰动引入输入端 保持开关状态的稳定性而设置的 上拉电阻RH PullHigh