1、GSM手機射頻工作原理與電路分析2007-1-27RF DBTEL1Outline匹配網(wǎng)絡(Matching收發(fā)雙工器(Diplexer聲表面波濾波器(SAW平衡網(wǎng)絡(Balance鎖相環(huán)(PLL收發(fā)器(Transceiver衰減網(wǎng)絡(Attenuation功率控制環(huán)路(APC濾波網(wǎng)絡(Filter其它2007-1-27RF DBTEL2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2007-1-27RF DBTEL3天線匹配的舉例返回2007-1-27RF DBTEL42007-1-27RF DBTEL 5收發(fā)雙工器(Diplexer 收發(fā)合用

2、一路天線,因此使用天線收發(fā)雙工器(Antenna Switch 4/對發(fā)射為openTX RX為發(fā)射波長對接收為short收發(fā)雙工器的特性參數(shù)(TX/RXFrequency Range (MHzInsertion Loss (dBAttenuation(dBIsolation (dBHarmonics 2xfo, 3xfo (dBcPower Capacity (dBm詳見LMC33Data Sheet返回2007-1-27RF DBTEL6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S

3、AW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SAW Data Sheetlc03c lc66e返回2007-1-27RF DBTEL72007-1-27RF DBTEL8平衡網(wǎng)絡(Balance Balance 電路構成:U I 分別經(jīng)過低通、高通得到反相的U O1 、U O2L C C U L j C j C j U U I I o =+=11111L CCL U I U O1U O2C L L U L j C j L j U U I I o 112=+=R diff R s R s R s :特性阻抗R diff :輸入阻抗2007-1-27RF DBTEL 9平

4、衡網(wǎng)絡(Balance 由計算可知U O1 、U O2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R s :特性阻抗R diff :輸入阻抗該電路可能集成于SAW 中diff s diff s R R f C f R R L =2122007-1-27RF DBTEL 10差模、共模在Balance 系統(tǒng)上的傳輸差模(Differential Mode A BB 的傳輸量為A 的一半共模(Common Mode I/P O/P I/P O/PI/P O/PC返回鎖相環(huán)(PLL鎖相環(huán)應用于濾波、頻率綜合、調(diào)制解調(diào)、信號與

5、檢測等多個方面。鎖相環(huán)四個基本構成元素基本構成電路分析鎖相環(huán)在手機中應用舉例2007-1-27RF DBTEL11鎖相環(huán)四個基本構成元素鑒相器(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Loop Filter(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(Reference signal source:參考信號源提供與反饋信號鑒相鑒頻用的對比輸入信號2007-1-27RF DBTEL12PLL Block Diag

6、ram返回2007-1-27RF DBTEL13基本構成電路分析鑒相器(Phase Detector電荷泵環(huán)路低通濾波器(Charge PumpLoop Filter 壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator分頻器(DIV2007-1-27RF DBTEL142007-1-27RF DBTEL 15鑒相器(Phase Detector 鑒相器的主要作用:檢測輸入信號與反饋信號之間的相位差。鑒相器的數(shù)學模型:返回K d sin (+1(tv (te (t =1(t -v (tV d (t=K d sin e (t 鑒相器的數(shù)學模型電荷泵環(huán)路低通濾波器(Charge

7、PumpLoop Filter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)。2007-1-27RF DBTEL16環(huán)路低通濾波器(Low Pass FilterphasedetectorRzCz CpVCOR4C4To important the transient characteristics The loop can track better

8、a change in input frequency To further reduce the phase noise of the charge pump2007-1-27RF DBTEL17環(huán)路低通濾波器的應用舉例返回2007-1-27RF DBTEL182007-1-27RF DBTEL 19壓控振蕩器(Voltage Controlled scillator 壓控振蕩器一般是由變?nèi)荻O管為主構成的諧振回路: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,就構成了壓控振蕩器VCO 。LC

9、10=2007-1-27RF DBTEL 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rf N f ×=0返回鎖相環(huán)在手機中應用舉例RX(接收頻率合成器2007-1-27RF DBTEL21TX-VCO鎖相環(huán)路2007-1-27RF DBTEL22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Tra

10、nsceiver UAA3535的內(nèi)部結(jié)構2007-1-27RF DBTEL23Transceiver UAA3535 (PhilipsUAA3535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UAA3535Data Sheet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)2007-1-27RF DBTEL24返回2007-1-27RF DBTEL252007-1-27RF DBTEL26衰減網(wǎng)絡(Attenuation

11、 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R 1R 2R 3R 1R 2R 32007-1-27RF DBTEL27衰減網(wǎng)絡的計算已知網(wǎng)絡參數(shù)求衰減系數(shù)AZ in1:短路輸入電抗Z in2:開路輸入電抗Z out1:短路輸出電抗Z out2:開路輸出電抗2121212111lg 1011lg 10(out out out out in in in in Z Z Z Z Z Z Z Z dB A +=+=2007-1-27RF DBTEL28衰減網(wǎng)絡的計算已知衰減系數(shù)A 求網(wǎng)絡參

12、數(shù)(R 0:特性阻抗由求得K 值:則可得對T 型:對型:(1lg 20dB A K=outinV V K =1211203021=+=K KR R K K R R R KK R R K K R R R 211121032=+=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2007-1-27RF DBTEL29衰減網(wǎng)絡的應用返回2007-1-27RF DBTEL30功率控制環(huán)路(APC功率控制環(huán)路構成:功率放大器(Power Amplifier功率耦合器(Power Coupler功率檢波器(Pow

13、er Detector功率比較、控制器(Power Comparator&Controller 這樣構成的環(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。2007-1-27RF DBTEL312007-1-27RF DBTEL 32功率控制環(huán)路構成功率放大器功率耦合器檢波器功率比較控制器P I Source from VCO Coupling Power P c P o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)路返回功率放大器(Power mplifier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

14、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-BGY280 Data Sheet返回2007-1-27RF DBTEL33功率耦合器(Power Coupler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Directional Coupler。它的主要參數(shù)有:詳見LDC Data Sheet耦合量(Coupling插入損耗(Insertion Loss隔離度(Isolation方向性(Directivity單位(dB返回2007-1-27

15、RF DBTEL342007-1-27RF DBTEL 35功率檢波器(Power Detector 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C c檢波二極管D檢波電壓輸出低通積分電路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2007-1-27RF DBTEL36功率比較、控制器Power Comparator&Controll

16、er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PCF5078Data Sheet 2007-1-27RF DBTEL37功率控制環(huán)路(APC的應用返回2007-1-27RF DBTEL38濾波網(wǎng)絡(Filter通用濾波網(wǎng)絡電源濾波去耦網(wǎng)絡2007-1-27RF DBTEL39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2007-1-

17、27RF DBTEL402007-1-27RF DBTEL 413dB 3dB R R LL CC U Uf f f H f L 單階無源低通(LP 單階無源高通(HP 高頻截止頻率f H 與L 、C 參數(shù)有關低頻截止頻率f L 與L 、C 參數(shù)有關濾波特性低通濾波器的3dB衰減點的頻率為高頻截止頻率f H,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f L,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f H > f L就能構成帶通濾波器,其通頻帶為f L f H。如果將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián),而且f H < f L就能構成帶阻濾波器,

18、其阻頻帶為f Hf L。返回2007-1-27RF DBTEL42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。2007-1-27RF DBTEL43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、

19、去耦電容及去耦電感構成的低通網(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。2007-1-27RF DBTEL442007-1-27RF DBTEL 45電源濾波去耦網(wǎng)絡基本構成電源去耦低通濾波網(wǎng)絡如右圖:去耦電阻或電感-R/L (Decoupling Resistor/Inductor 去耦電容-C1、C2(Decoupling Capacitor 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 Decoupling Resistor/Inductor Decoupling Capacitor R/L C1C2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