手機(jī)射頻原理與電路

GSM手機(jī)射頻工作原理與電路分析2024/3/11RFDBTEL2024/3/12RFDBTEL

Outline匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching）收發(fā)雙工器（Diplexer）聲表面波濾波器(SAW)平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance）鎖相環(huán)（PLL）收發(fā)器（Transceiver）衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation）功率控制環(huán)路（APC）濾波網(wǎng)絡(luò)（Filter）其它2024/3/13RFDBTEL匹配網(wǎng)絡(luò)（Matching）匹配的定義：后級(jí)輸入阻抗與前級(jí)輸出阻抗共扼匹配網(wǎng)絡(luò)的類型：L型T型Π

型2024/3/14RFDBTEL天線匹配的舉例返回2024/3/15RFDBTEL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（AntennaSwitch）對(duì)發(fā)射為openTXRX為發(fā)射波長(zhǎng)對(duì)接收為short2024/3/16RFDBTEL收發(fā)雙工器的特性參數(shù)（TX/RX）FrequencyRange(MHz)InsertionLoss(dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation(dB)Harmonics2xfo,3xfo(dBc)PowerCapacity(dBm)

詳見(jiàn)LMC33DataSheet返回2024/3/17RFDBTEL聲表面濾波器（SAW）

在手機(jī)中，接受信號(hào)從天線開(kāi)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（SAW）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(jiàn)SAWDataSheet

lc03c

lc66e返回2024/3/18RFDBTEL平衡網(wǎng)絡(luò)（Balance）Balance電路構(gòu)成：UI

分別經(jīng)過(guò)低通、高通得到反相的UO1、UO2LCCLUIUO1UO2RdiffRsRsRs：特性阻抗Rdiff：輸入阻抗2024/3/19RFDBTEL由計(jì)算可知UO1、UO2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Rs：特性阻抗Rdiff：輸入阻抗該電路可能集成于SAW中2024/3/110RFDBTEL差模、共模在Balance系統(tǒng)上的傳輸差模（DifferentialMode）AB

B的傳輸量為A的一半共模（CommonMode）I/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回2024/3/111RFDBTEL鎖相環(huán)（PLL）鎖相環(huán)應(yīng)用于濾波、頻率綜合、調(diào)制解調(diào)、信號(hào)與檢測(cè)等多個(gè)方面。鎖相環(huán)四個(gè)基本構(gòu)成元素基本構(gòu)成電路分析鎖相環(huán)在手機(jī)中應(yīng)用舉例

2024/3/112RFDBTEL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(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位/頻率差環(huán)路濾波器LoopFilter（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（Referencesignalsource）：

參考信號(hào)源提供與反饋信號(hào)鑒相鑒頻用的對(duì)比輸入信號(hào)2024/3/113RFDBTELPLLBlockDiagram返回2024/3/114RFDBTEL基本構(gòu)成電路分析鑒相器（PhaseDetector）電荷泵——環(huán)路低通濾波器（ChargePump——LoopFilter）壓控振蕩器（VoltageControlledOscillator）分頻器（DIV）2024/3/115RFDBTEL鑒相器（PhaseDetector）鑒相器的主要作用:檢測(cè)輸入信號(hào)與反饋信號(hào)之間的相位差。鑒相器的數(shù)學(xué)模型：返回

Kdsin()+θ1(t)θv(t)θe(t)=θ1(t)-θv(t)Vd(t)=Kdsinθe(t)鑒相器的數(shù)學(xué)模型2024/3/116RFDBTEL電荷泵——環(huán)路低通濾波器

（

ChargePump——LoopFilter）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(guò)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)。2024/3/117RFDBTEL環(huán)路低通濾波器（LowPassFilter）phasedetectorRzCzCpVCOR4C4ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequencyTofurtherreducethephasenoiseofthechargepump2024/3/118RFDBTEL環(huán)路低通濾波器的應(yīng)用舉例返回2024/3/119RFDBTEL壓控振蕩器

（VoltageControlledOscillator）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在其兩端的電壓控制，這樣通過(guò)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。2024/3/120RFDBTEL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(jiàn)《分頻器》返回2024/3/121RFDBTEL鎖相環(huán)在手機(jī)中應(yīng)用舉例RX（接收）頻率合成器

2024/3/122RFDBTELTX-VCO鎖相環(huán)路

2024/3/123RFDBTEL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(guò)濾出基帶信Transceiver根據(jù)其工作頻率可分為：?jiǎn)晤l、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TransceiverUAA3535的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2024/3/124RFDBTELTransceiverUAA3535（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)PLL（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(jiàn)UAA3535DataSheet

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)2024/3/125RFDBTEL返回2024/3/126RFDBTEL衰減網(wǎng)絡(luò)（Attenuation）為了達(dá)到系統(tǒng)中對(duì)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、Π

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)R1R2R3R1R2R32024/3/127RFDBTEL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)AZin1：短路輸入電抗

Zin2：開(kāi)路輸入電抗Zout1：短路輸出電抗

Zout2：開(kāi)路輸出電抗2024/3/128RFDBTEL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(duì)T型：對(duì)Π型：

2024/3/129RFDBTEL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(jí)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)可以緩和前級(jí)與后級(jí)的阻抗變化

2024/3/130RFDBTEL衰減網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用返回2024/3/131RFDBTEL功率控制環(huán)路（APC）功率控制環(huán)路構(gòu)成：

功率放大器（PowerAmplifier）

功率耦合器（Power

Coupler）

功率檢波器（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。2024/3/132RFDBTEL功率控制環(huán)路構(gòu)成功率放大器功率耦合器檢波器功率比較控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比較信號(hào)用于用戶設(shè)定功率值耦合檢波信號(hào)差值功率控制信號(hào)功率控制環(huán)路返回2024/3/133RFDBTEL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(wú)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(duì)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(jiàn)PA-BGY280DataSheet返回2024/3/134RFDBTEL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DirectionalCoupler。它的主要參數(shù)有：詳見(jiàn)LDCDataSheet

耦合量（Coupling）

插入損耗（InsertionLoss）

隔離度（Isolation）

方向性（Directivity）[單位（dB）]

返回2024/3/135RFDBTEL功率檢波器（Power

Detector）功率檢波器對(duì)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。我們采用二極管負(fù)包絡(luò)檢波電路，后級(jí)常為低通積分電路。例如：Coupler輸出耦合電容Cc檢波二極管D檢波電壓輸出低通積分電路2024/3/136RFDBTEL負(fù)包絡(luò)檢波的對(duì)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(guò)大，將會(huì)使負(fù)包絡(luò)過(guò)多的耦合流失到低，導(dǎo)致檢波效果變差

返回2024/3/137RFDBTEL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，由功率控制器產(chǎn)生控制電壓給功率放大器（PA）

它的具體參數(shù)詳見(jiàn)PCF5078DataSheet

2024/3/138RFDBTEL功率控制環(huán)路（APC）的應(yīng)用返回2024/3/139RFDBTEL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)2024/3/140RFDBTEL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：低通、高通、帶通、帶阻濾波器；一階、二階、高階濾波器；無(wú)源濾波器、有源濾波器以下我們以單階無(wú)源濾波器為例做一些簡(jiǎn)介2024/3/141RFDBTEL3dB3dBRRLLCCUUfffHfL單階無(wú)源低通（LP）單階無(wú)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)2024/3/142RFDBTEL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2024/3/143RFDBTEL電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(wú)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。2024/3/144RFDBTEL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(kāi)/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)。2024/3/145RFDBTEL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（DecouplingResistor/Inductor）

去耦電容---C1、C2（DecouplingCapacitor）

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；用電單元PowerBatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1C22024/3/146RFDBTEL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(lái)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(wú)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(wú)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(jiàn)《高速電路板設(shè)計(jì)技術(shù)》2024/3/147RFDBTEL電源濾波去耦網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用2024/3/148RFDBTEL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

trUBurst返回2024/3/149RFDBTEL其它上拉、下拉電阻數(shù)字控制信號(hào)的高頻抑制措施隔直（Block）電容2024/3/150RFDBTEL上拉、下拉電阻

上、下拉電阻是為了防止擾動(dòng)引入輸入端，保持開(kāi)關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)定性而設(shè)置的：上拉電阻RH（PullHigh）下拉電阻RL（PullLow）常開(kāi)

常