手機(jī)典型電路分析

1、2021-8-11 Typical Circuit of RF used in Handset 手機(jī)射頻部分典型電路分析 2021-8-12 射頻電路概況 隨著電路集成技術(shù)日新月異的發(fā)展， 射頻電路也趨向于集成化、模塊化，這 對于小型化移動(dòng)終端的開發(fā)、應(yīng)用是特 別有利的。 目前手機(jī)的射頻電路是以 RFIC 為中 心結(jié)合外圍輔助、控制電路構(gòu)成的。 射頻電路中各典型功能模塊的分析是 我們討論的主要內(nèi)容。 2021-8-13 2021-8-14 Outline 收發(fā)器（Transceiver） 鎖相環(huán)（PLL） 功率控制環(huán)路（APC） 收發(fā)雙工器（Diplexer） 衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation

2、） 匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching） 濾波網(wǎng)絡(luò)（Filter） 平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance） 其它 2021-8-15 收發(fā)器（Transceiver） 收發(fā)器即調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制：發(fā)射時(shí)基帶信號(hào)加載到射頻信號(hào) 解調(diào)：接收時(shí)射頻信號(hào)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Transceiver UAA3535的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2021-8-16 Transceiver UAA3535（Philips） UAA3535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(gè)P

3、LL（包括一個(gè)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(zhǔn)時(shí)鐘、RXVCO、TXVCO、基帶控制 信號(hào)等 詳見UAA3535 Data Sheet 我們需要研究其內(nèi)部各重要節(jié)點(diǎn)的頻率、 帶寬，信號(hào)轉(zhuǎn)換的流程等細(xì)節(jié) 2021-8-17 返回 2021-8-18 鎖相環(huán)（PLL） 鎖相環(huán)四個(gè)基本構(gòu)成元素 鎖相環(huán)路的性能 基本構(gòu)成電路分析 鎖相環(huán)在手機(jī)中應(yīng)用舉例 詳見射頻鎖相環(huán) 2021-8-19 鎖相環(huán)四個(gè)基本構(gòu)成元素 鑒相器（PD）鑒頻器（FD）鑒相鑒頻（PFD）： PD/FD/PFD是一個(gè)相位/頻率比較裝置，用來檢測輸入信 號(hào)與反饋信號(hào)之間的

4、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(gè)電壓-頻率變換裝置 ，輸出振蕩頻率應(yīng)隨輸 入控制電壓線性地變化 參考信號(hào)源（Reference signal source）： 參考信號(hào)源提供與反饋信號(hào)鑒相鑒頻用的對比輸入信號(hào) 2021-8-110 PLL Block Diagram 返回 2021-8-111 鎖相環(huán)路的性能 鎖相環(huán)的鎖相環(huán)的基本性能包括基本性能包括捕獲過程與同步捕獲過程與同步 （1）捕獲過程的性能指捕獲帶和捕獲時(shí)間。 捕獲帶指環(huán)路能通過捕獲過程而進(jìn)入同步狀態(tài)所允許 的最大固有頻差 捕獲時(shí)間是環(huán)路由起始

5、時(shí)刻到進(jìn)入同步狀態(tài)的時(shí)刻之 間的時(shí)間間隔 Frequency deviation capability the max. PLL capture range （2）環(huán)路鎖定之后穩(wěn)態(tài)頻差等于零，進(jìn)入同步狀態(tài)。穩(wěn)態(tài) 相差通常總是存在的，它是一個(gè)固定值。 2021-8-112 環(huán)路的跟蹤性能環(huán)路的跟蹤性能 輸入信號(hào)變化越快，跟蹤性能就越差。暫態(tài)相位誤差和 穩(wěn)態(tài)相位誤差的大小，是衡量環(huán)路線性跟蹤性能好壞的重 要標(biāo)志。 環(huán)路噪聲性能環(huán)路噪聲性能 噪聲包括輸入噪聲與諧波干擾和內(nèi)部噪聲與諧波干擾， 壓控振蕩器內(nèi)部的噪聲是主要的噪聲源。 環(huán)路捕獲性能環(huán)路捕獲性能 捕獲帶越寬越好，捕獲時(shí)間越短越好，可提高環(huán)路的

6、 增益K或者增加濾波器的帶寬，但加大環(huán)路增益或?yàn)V波器帶 寬往往是與提高環(huán)路的跟蹤性能和濾波性能的要求相矛盾。 采用輔助捕獲的方法達(dá)到目的。包括輔助鑒頻和鑒頻鑒相， 變帶寬和變增益等。 返回 2021-8-113 基本構(gòu)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（DIV） 2021-8-114 鑒相器（Phase Detector） 在頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相在頻率合成器中所采用的鑒相器主要有正弦波相 位檢波器與脈沖取

7、樣保持相位比較器兩種。位檢波器與脈沖取樣保持相位比較器兩種。 返回 2021-8-115 電荷泵環(huán)路低通濾波器 （ Charge 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(guān)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(hào)需經(jīng)過低通濾波器再去控制 VCO。一般采用電阻、電容構(gòu)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)。 2021-8-116 環(huán)路低通濾波器（Low Pass Filter） phase detector Rz Cz Cp V

8、CO 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 2021-8-117 環(huán)路低通濾波器的應(yīng)用舉例 返回 2021-8-118 壓控振蕩器 （Voltage Controlled Oscillator） 壓控振蕩器一般是由變?nèi)荻O管為主構(gòu)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

9、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(gòu)成了壓控 振蕩器VCO。 LC10 2021-8-119 VCO的選擇要素 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 Out

10、put harmonic level and tuning sensitivity Phase noise 詳見TXVCO Data Sheet RXVCO Data Sheet 返回 2021-8-120 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 rfNf0 返回 2021-8-121 鎖相環(huán)在手機(jī)中應(yīng)用舉例 RX（接收）頻率合成器 2021-8-122 返回 2021-8-123 功率控制環(huán)路（APC） 功率控制環(huán)路構(gòu)成： 功率放大器（Power Amplifier） 功率耦合器（Power Coupler） 功率檢波器

11、（Power Detector） 功率比較、控制器（Power Comparator& Controller ） 這樣構(gòu)成的環(huán)路可以將功率較穩(wěn)定的控制在我 們的設(shè)定值上，這個(gè)設(shè)定值可以隨時(shí)間根據(jù)需要 不斷變化。 2021-8-124 功率控制環(huán)路構(gòu)成 功率放大器功率放大器 功率耦合器功率耦合器 檢檢 波波 器器 功率功率 比較比較 控制器控制器 PI Source from VCO Coupling Power Pc Po 比較信號(hào)比較信號(hào) 用于用戶用于用戶 設(shè)定功率值設(shè)定功率值 耦合檢波信號(hào)耦合檢波信號(hào) 差值功率差值功率 控制信號(hào)控制信號(hào) 功率功率 控制控制 環(huán)路環(huán)路 返回 2021-8-1

12、25 功率放大器（Power Amplifier） 目前手機(jī)用PA一般是厚膜模擬電路制成，它要求將 低功率射頻信號(hào)線性無失真的放大到一定功率值。 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(diǎn)） 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(hào)的形式及要求 噪聲特性等等 詳見PA-BGY280 Data Sheet 返回 2021-8-126 功率耦合器（Power Coupler） 為了達(dá)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

13、耦合量（Coupling） 插入損耗（Insertion Loss） 隔離度（Isolation） 方向性（Directivity） 單位（dB） 返回 2021-8-127 dB & dBm & dBc dB是一個(gè)相對值，它是針對一定參考而言的，它 通常用于表示衰減或增益的量。 對電壓比： 對功率比： dBm是一個(gè)絕對功率值，它是一定功率與一毫瓦 的相對值。 dBc是一個(gè)差值，它表 示兩個(gè)功率值的差。 oV V lg20 oP P lg10 mW P dBm 1 lg10)( P1 P22 1 lg10)( P P dBc 2021-8-128 dB& dBm & dBc 都是對數(shù)表示方式，

14、對它們來 講功率的乘除運(yùn)算變成了它們的加減運(yùn)算。 dB& dBm & dBc是可以直接相加減的。例如: 增益增益 Y dB 輸入輸入X dBm 輸出輸出Z dBm 則輸出則輸出Z(dBm)=X+Y 2021-8-129 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 2021-8-130 Direc

15、tional 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 2021-8-131 參數(shù)計(jì)算方法 Coupling= Insertion Loss= Isolation= Directivity=Coupling-Isolation0 0lg10

16、I C P P 0lg10 I O P P 0 * * lg10 I C P P 2021-8-132 計(jì)算舉例（全用對數(shù)計(jì)算） PI :0dBm PC :-20dBm PO : -1dBm PI* : 0dBm PC* : -40dBm Coupling=-20dBm Insertion Loss= -1dBm Isolation= -40dBm Directivity= Coupling- Isolation =20dBm 2021-8-133 功率檢波器（Power Detector） 功率檢波器對Coupler的耦合高頻信號(hào)進(jìn)行包絡(luò) 檢波進(jìn)而得到一個(gè)體現(xiàn)耦合信號(hào)幅值大小的檢 波電壓。

17、我們采用二極管負(fù)包絡(luò)檢波電路，后級常為低 通積分電路。例如： Coupler 輸出輸出 耦合電容耦合電容Cc 檢波檢波 二極管二極管 D 檢波電壓輸出檢波電壓輸出低通低通 積分積分 電路電路 2021-8-134 負(fù)包絡(luò)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(huì)使負(fù)包絡(luò)過 多的耦合流失到低，導(dǎo)致檢波效果變差 返回 2021-8-135 功率比較、控制器 Power Comparator&Controller 功率比較、控制器的功能： 功率比較器將功率檢波信號(hào)與設(shè)定功率 信號(hào)相比較得到一個(gè)功率控制信號(hào)給功 率控制器，由功率控制

18、器產(chǎn)生控制電壓 給功率放大器（PA） 它的具體參數(shù)詳見PCF5078 Data Sheet 2021-8-136 功率控制環(huán)路（APC）的應(yīng)用 返回 2021-8-137 收發(fā)雙工器（Diplexer） 收發(fā)合用一路天線，因此使用天線收發(fā) 雙工器（Antenna Switch） 4/ 對發(fā)射為對發(fā)射為open TX RX 為發(fā)射波長為發(fā)射波長 對接收為對接收為short 2021-8-138 收發(fā)雙工器的特性參數(shù)（TX/RX） Frequency Range (MHz) Insertion Loss (dB) Attenuation(dB) V.S.W.R. Isolation (dB) Ha

19、rmonics 2xfo, 3xfo (dBc) Power Capacity (dBm) 詳見LMC33Data Sheet返回 2021-8-139 衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation） 為了達(dá)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(luò) 通常衰減網(wǎng)絡(luò)形式 有：T型、 型 衰減網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算 型衰減網(wǎng)絡(luò)型衰減網(wǎng)絡(luò) 型衰減網(wǎng)絡(luò)型衰減網(wǎng)絡(luò) R1R2 R3 R1 R2R3 2021-8-140 衰減網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算 已知網(wǎng)絡(luò)參數(shù)求衰減系數(shù)A Zin1： 短路輸入電抗 Zin2： 開路輸入電抗 Zout1：短路輸出電抗 Zout2： 開路輸出電抗 2 1

20、 2 1 2 1 2 1 1 1 lg10 1 1 lg10)( out out out out in in in in Z Z Z Z Z Z Z Z dBA 2021-8-141 已知衰減系數(shù)A求網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（R0：特性阻抗） 由 求得K值： 則可得對T型： 對型： )( 1 lg20dBA K out in V V K 1 2 1 1 2 03 021 K K RR K K RRR K K RR K K RRR 2 1 1 1 2 01 032 2021-8-142 衰減網(wǎng)絡(luò)的作用 衰減網(wǎng)絡(luò)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(luò)可以提高系統(tǒng)的信噪比 利用50歐姆衰減網(wǎng)絡(luò)可

21、以緩和前級與后 級的阻抗變化 2021-8-143 衰減網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 返回 2021-8-144 匹配網(wǎng)絡(luò)（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(luò)的類型： L型 T型 型 阻抗匹配（參見RF Circuit Fundamentals ） 天線的匹配（參見Transmission Line/Smith Chart） 2021-8-145 天線匹配的舉例 返回 2021-8-146 濾波網(wǎng)絡(luò)（Filter） 通用濾波網(wǎng)絡(luò) 電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò) 聲表面濾波器（SAW） 2021-8-147 通用濾波網(wǎng)絡(luò) 濾波器是抑制除特定帶寬以外信號(hào)及噪聲 的裝置。 按照不同標(biāo)準(zhǔn)它可分為

22、： 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 2021-8-148 3dB3dB RR L LC C UU fffHfL 單階無源低通（LP） 單階無源高通（HP） 高頻截止頻率fH 與L、C參數(shù)有關(guān) 低頻截止頻率fL 與L、C參數(shù)有關(guān) 2021-8-149 低通濾波器的3dB衰減點(diǎn)的頻率為高頻截止頻率 fH，它截止的斜率與其階數(shù)相關(guān) 高通濾波器的3dB衰減點(diǎn)的頻率為低頻截止頻率 fL ，它截止的斜率與其階數(shù)相關(guān) 如果將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，而且 fH fL 就能構(gòu)成帶通濾波器，其通頻帶為fL fH。 如果將

23、低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)，而且 fH fL 就能構(gòu)成帶阻濾波器，其阻頻帶為fH fL。 濾波特性 返回 2021-8-150 電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò) 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(huì)影響電路性 能，而且各用電單元也會(huì)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(shí)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(dá)到的去耦效果越好。 2021-8-151 電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)基本理論 我們一般希望電源供電除了開/關(guān)時(shí)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(dòng)、跳變等不穩(wěn)定因

24、數(shù)存在，電源 去耦網(wǎng)絡(luò)正是為這些交流成分提供了短路 到地的通路。 去耦電阻、去耦電容及去耦電感構(gòu)成的低 通網(wǎng)絡(luò)為電源的交流成分提供一個(gè)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(guān)。 2021-8-152 電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)成 電源去耦低通濾波網(wǎng)絡(luò) 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(shí)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； 用用 電電 單單

25、元元 Power Battery Decoupling Resistor/Inductor Decoupling Capacitor R/L C1C2 2021-8-153 去耦電感L在回路中必然阻礙高頻交流成分達(dá)到隔離效果； 有時(shí)，我們還使用扼流磁珠來獲得更強(qiáng)的隔離效果。 去耦電容由C1、C2并聯(lián)分別承擔(dān)低頻、高頻交流成分濾波 的任務(wù)。 電解電容C1一般容量較大在低頻時(shí)能提供好的通路，而 在高頻時(shí)由于其寄生電感的存在阻抗將變大無法提供濾波 通路； 陶瓷電容C2由于其容量一般較小，所以在低頻時(shí)阻抗較 大無法提供濾波通路，而在高頻時(shí)阻抗變小則會(huì)有很好的 濾波特性； 這樣可以看出C1、C2的濾波特

26、性是互補(bǔ)的，需要同時(shí)利 用才能得到較寬頻的有效濾波范圍。 當(dāng)然，如果需要更寬的濾波頻段還可用更多不同 類型的 電容并聯(lián)得到。 詳見高速電路板設(shè)計(jì)技術(shù) 2021-8-154 電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用 2021-8-155 電源去耦電路參數(shù)的選擇 C1的選擇： 假設(shè)電源提供電流為I， 則 K取10是經(jīng)驗(yàn)比例 一般應(yīng)用時(shí)取電容標(biāo)稱值在計(jì)算值附近就可以了 C2的選擇： C2位高頻陶瓷電容，一般在0.1uF以下取值 tr U Burst U t IKC r 1 返回 2021-8-156 聲表面濾波器（SAW） 在手機(jī)中，接受信號(hào)從天線開關(guān)到接收處 理電路之間采用聲表面濾波器（SAW） 聲表面濾波器（SA

27、W）可以提供較寬的通 頻帶、較低的損耗，此外有的SAW器件還 集成有將非平衡信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡信號(hào)的功 能。 SAW的濾波特性詳見 SAW Data Sheet lc03c lc66e 返回 2021-8-157 平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance） Balance電路構(gòu)成： UI 分別經(jīng)過低通、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 ：輸入阻抗 2021-8-158 由計(jì)算可知UO1 、UO2始

28、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 Rs：特性阻抗 Rdiff ：輸入阻抗 該電路可能集成于SAW中 diffs diffs RRf C f RR L 2 1 2 2021-8-159 差模、共模在Balance系統(tǒng)上的傳輸 差模（Differential Mode） A B B的傳輸量為A的一半 共模（Common Mode） I/PO/P I/PO/P I/P O/P C 返回 2021-8-160 其它 穩(wěn)壓管、限幅管、靜電放電器的比較 上拉、下拉電阻 數(shù)字控制信號(hào)的高頻抑制措施 隔直（Block）電容 2021-8-161 穩(wěn)壓管、限幅管、靜電放電器的比較 穩(wěn)穩(wěn) 壓壓 管管 穩(wěn)壓管將輸出電壓穩(wěn)定 在其標(biāo)稱值上，常用于 低壓直流穩(wěn)壓電源電路 限限 幅幅 管管 限幅管將輸出電壓限定 在一定的范圍內(nèi)，超出 要求范圍的部分由它消 耗到地，保證了后級電 路、器件的安全工作 靜電放電器靜電放電器