手机射频电路设计

2006-6-30RF DBTEL1 Typical Circuit of RF used in Handset 手机射频部分典型电路分析 2006-6-30RF DBTEL2 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。 2006-6-30RF DBTEL3 2006-6-30RF DBTEL4 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 2006-6-30RF DBTEL5 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Transceiver UAA3535的内部结构 2006-6-30RF DBTEL6 Transceiver UAA3535 （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 2006-6-30RF DBTEL7 返回 2006-6-30RF DBTEL8 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 2006-6-30RF DBTEL9 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Loop Filter（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（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 2006-6-30RF DBTEL10 PLL Block Diagram 返回 2006-6-30RF DBTEL11 锁相环路的性能 锁相环的基本性能包括捕获过程与同步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。 2006-6-30RF DBTEL12 环路的跟踪性能环路的跟踪性能 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 2006-6-30RF DBTEL13 基本构成电路分析 鉴相器（Phase Detector） 电荷泵环路低通滤波器 （Charge PumpLoop Filter ） 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator） 分频器（DIV） 2006-6-30RF DBTEL14 鉴相器（Phase Detector） 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。 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 2006-6-30RF DBTEL15 电荷泵环路低通滤波器 （ Charge PumpLoop Filter） 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。 2006-6-30RF DBTEL16 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 2006-6-30RF DBTEL17 环路低通滤波器的应用举例 返回 2006-6-30RF DBTEL18 压控振荡器 （Voltage Controlled Oscillator） 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= 2006-6-30RF DBTEL19 VCO的选择要素 High spectral purity Linear voltage-frequency transfer characteristic Good frequency stability to temperature Frequency deviation capability the max. PLL capture range Time response Low power consumption and Output level Output harmonic level and tuning sensitivity Phase noise 详见TXVCO Data Sheet RXVCO Data Sheet 返回 2006-6-30RF DBTEL20 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 2006-6-30RF DBTEL21 锁相环在手机中应用举例 RX（接收）频率合成器 2006-6-30RF DBTEL22 TX-VCO锁相环路 返回 2006-6-30RF DBTEL23 功率控制环路（APC） 功率控制环路构成： 功率放大器（Power Amplifier） 功率耦合器（Power Coupler） 功率检波器（Power Detector） 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。 2006-6-30RF DBTEL24 功率控制环路构成 功率放大器功率放大器 功率耦合器功率耦合器 检检 波波 器器 功率功率 比较比较 控制器控制器 PI Source from VCO Coupling Power Pc Po 比较信号比较信号 用于用户 设定功率值 用于用户 设定功率值 耦合检波信号耦合检波信号 差值功率 控制信号 差值功率 控制信号 功率 控制 环路 功率 控制 环路 返回 2006-6-30RF DBTEL25 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： 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-BGY280 Data Sheet 返回 2006-6-30RF DBTEL26 功率耦合器（Power Coupler） 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。 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 2006-6-30RF DBTEL27 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 2006-6-30RF DBTEL28 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。 oV V lg20 oP P lg10 mW P dBm 1 lg10)(= P1 P22 1 lg10)( P P dBc = 2006-6-30RF DBTEL29 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: 增益增益 Y dB 输入输入X dBm 输出输出Z dBm 则输出则输出Z(dBm)=X+Y 2006-6-30RF DBTEL30 0dBm=1mW 10dBm=10mW 30dBm=1W dB-功率比功率比 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 2006-6-30RF DBTEL31 参数计算方法 Coupling= Insertion Loss= Isolation= Directivity=Coupling-Isolation0 0lg10 I C P P 0lg10 I O P P 0 * * lg10 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 2006-6-30RF DBTEL50 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。 2006-6-30RF DBTEL51 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。 2006-6-30RF DBTEL52 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 （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 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 用 电 单 元 Power Battery Decoupling Resistor/Inductor Decoupling Capacitor R/L C1C2 2006-6-30RF DBTEL53 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 2006-6-30RF DBTEL54 电源滤波去耦网络的应用 2006-6-30RF DBTEL55 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 U t IKC r =1 返回 2006-6-30RF DBTEL56 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 SAW Data Sheet lc03c lc66e 返回 2006-6-30RF DBTEL57 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 U Lj Cj Cj U UI I o = + = 1 1 1 1 1 L C C L UI UO1 UO2 C L L U Lj Cj LjU UI I o 11 2 = + = Rdiff Rs Rs Rs：特性阻抗 Rdiff：输入阻抗 2006-6-30RF DBTEL58 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 diffs diffs RRf C f RR L = = 2 1 2 2006-6-30RF DBTEL59 差模、共模在Balance系统上的传输 差模（Differential Mode） A B B的传输量为A的一半 共模（Common Mode） I/PO/P I/PO/P I/P O/P C 返回 2006-6-30RF DBTEL60 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 2006-6-30RF DBTEL61 稳压管、限幅管、静电放电器的比较 稳 压 管稳 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 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器 静电放电（ESD:Electric Static Discharge）是专 门用于高压电弧放电的 它用于那些容易被静电 接触的区域，它有效抗 静电电压取决于它的空 隙宽度d U U U=UC-UOU+UO d 返回 2006-6-30RF DBTEL62 上拉、下拉电阻 上、下拉电阻是为了防止扰动引入输入端，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：保持