手机射频部分典型电路详述

TypicalCircuitofRF

usedinHandset手机射频部分典型电路分析2022/12/171RFDBTEL

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。2022/12/172RFDBTEL2022/12/173RFDBTELOutline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2022/12/174RFDBTEL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2022/12/175RFDBTELTransceiverUAA3535（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2022/12/176RFDBTEL返回2022/12/177RFDBTEL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》

2022/12/178RFDBTEL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2022/12/179RFDBTELPLLBlockDiagram返回2022/12/1710RFDBTEL锁相环环路的的性能能锁相环环的基基本性性能包包括捕捕获过过程与与同步步（1））捕获获过程程的性性能指指捕获获带和和捕获获时间间。捕获带带指环环路能能通过过捕获获过程程而进进入同同步状状态所所允许许的最最大固固有频频差捕获时时间是是环路路由起起始时时刻到到进入入同步步状态态的时时刻之之间的的时间间间隔隔Frequencydeviationcapability>>themax.PLLcapturerange（2））环路路锁定定之后后稳态态频差差等于于零，，进入入同步步状态态。稳稳态相相差通通常总总是存存在的的，它它是一一个固固定值值。2022/12/1211RFDBTEL环路的跟踪性性能输入信号变化化越快，跟踪踪性能就越差差。暂态相位位误差和稳态态相位误差的的大小，是衡衡量环路线性性跟踪性能好好坏的重要标标志。环路噪声性能能噪声包括输入入噪声与谐波波干扰和内部部噪声与谐波波干扰，压控控振荡器内部部的噪声是主主要的噪声源源。环路捕获性能能捕获带越宽越越好，捕获时时间越短越好好，可提高环环路的增益K或者增加滤波波器的带宽，，但加大环路路增益或滤波波器带宽往往往是与提高环环路的跟踪性性能和滤波性性能的要求相相矛盾。采用用辅助捕获的的方法达到目目的。包括辅辅助鉴频和鉴鉴频鉴相，变变带宽和变增增益等。返回2022/12/1212RFDBTEL基本构成电路路分析鉴相器（PhaseDetector）电荷泵——环路低通通滤波器（ChargePump——LoopFilter））压控振荡器（VoltageControlledOscillator）分频器（DIV）2022/12/1213RFDBTEL鉴相器（PhaseDetector）在频率合成器器中所采用的的鉴相器主要要有正弦波相相位检波器与与脉冲取样保保持相位比较较器两种。返回2022/12/1214RFDBTEL电荷泵——环环路低通滤波波器（ChargePump——LoopFilter）电荷泵的的作作用主要是：：给锁相环路路提供理想恒恒定的电流源源，保持良好好的线性关系系，使得频率率范围易于控控制环路低通滤波波器（LPF）由PFD的输出信号需需经过低通滤滤波器再去控控制VCO。一般采用电阻阻、电容构成成积分形式的的低通滤波器器，它可以为为单阶或多阶阶滤波器。它它的通频带由由电阻、电容容参数决定，，它的截止速速度取决于其其阶数。2022/12/1215RFDBTEL环路低通滤波波器（LowPassFilter））phasedetectorRzCzCpVCOR4C4ToimportantthetransientcharacteristicsTheloopcantrackbetterachangeininputfrequencyTofurtherreducethephasenoiseofthechargepump2022/12/1216RFDBTEL环路低通滤波波器的应用举举例返回2022/12/1217RFDBTEL压控振荡器（（VoltageControlledOscillator）压控振荡器一一般是由变容容二极管为主主构成的谐振振回路：谐振回路的中中心频率由其其回路的等效效L、C特性决定：变容二极管的的等效电容量量由加在其两两端的电压控控制，这样通通过电压的变变化就能转换换成回路谐振振频率的变化化，就构成了了压控振荡器器VCO。2022/12/1218RFDBTELVCO的选择要素HighspectralpurityLinearvoltage-frequencytransfercharacteristicGoodfrequencystabilitytotemperatureFrequencydeviationcapability>>themax.PLLcapturerangeTimeresponseLowpowerconsumptionandOutputlevelOutputharmoniclevelandtuningsensitivityPhasenoise详见TXVCODataSheetRXVCODataSheet返回2022/12/1219RFDBTEL分频频器器（（DIV））锁相相环环通通常常用用于于N倍参参考考频频率率的的发发生生器器：：其中中N为分频比比，它由由环路中中分频器器DIV提供参见《分分频器》》返回2022/12/1220RFDBTEL锁相环在在手机中中应用举举例RX（接收）频频率合成成器2022/12/1221RFDBTELTX-VCO锁相环路路返回2022/12/1222RFDBTEL功率控制制环路（（APC））功率控制制环路构成：功率放大大器（PowerAmplifier））功率耦合合器（PowerCoupler）功率检波波器（PowerDetector）功率比较较、控制制器（PowerComparator&Controller）这样构成成的环路路可以将将功率较较稳定的的控制在在我们的的设定值值上，这这个设定定值可以以随时间间根据需需要不断断变化。。2022/12/1223RFDBTEL功率控制制环路构构成功率放大大器功率耦合合器检波器功率比较控制器PISourcefromVCOCouplingPowerPcPo比较信号号用于用户户设定功率率值耦合检波波信号差值功率率控制信号号功率控制环路返回2022/12/1224RFDBTEL功率放大大器（PowerAmplifier））目前手机机用PA一般是厚厚膜模拟拟电路制制成，它它要求将将低功率射射频信号号线性无无失真的的放大到到一定功功率值。。它的主要要参数有有：工作频率率、带宽宽最大线性性输出功功率（压压缩点）线性放大大对输入入功率要要求输入、输输出需要要的匹配配阻抗工作电源源及电压压、电流流的要求求控制信号号的形式式及要求求噪声特性性等等详见PA-BGY280DataSheet返回2022/12/1225RFDBTEL功率耦耦合器器（PowerCoupler）为了达达到功功率控控制，，我们们需要要使用用到的的功率率传感感器就就是功功率耦耦合器器，一一般为为DirectionalCoupler。它的主主要参参数有有：详见其其LDCDataSheet耦合量量（Coupling））插入损损耗（（InsertionLoss））隔离度度（Isolation）方向性性（Directivity）[单位（dB））]<参数数计算算方法法>返回2022/12/1226RFDBTELDirectionalCouplerCouplingI/PPIO/PPoO/PPCInsertionLossPC*:CouplingpowerwhenincidentpowerinwrongdirectionPI*:IncidentPowerinwrongdirectionPI:InputpowerPO:OutputpowerPC:Couplingpower2022/12/1227RFDBTELdB&dBm&dBcdB是一个个相对对值，，它是是针对对一定定参考考而言言的，，它通通常用用于表表示衰衰减或或增益益的量量。对电压压比：：对对功率率比：：dBm是一个个绝对对功率率值，，它是是一定定功率率与一毫瓦瓦的相对对值。。dBc是一个个差值值，它它表示两个个功率率值的的差。。P1P22022/12/1228RFDBTELdB&dBm&dBc都是对对数表表示方方式，，对它它们来来讲功功率的的乘除除运算算变成成了它它们的的加减减运算算。dB&dBm&dBc是可以以直接接相加加减的的。例例如:增益YdB输入XdBm输出ZdBm则输出出Z(dBm)=X+Y2022/12/1229RFDBTEL0dBm=1mW10dBm=10mW30dBm=1WdB------功率比比12dB---169dB---86dB---43dB---20dB---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2022/12/1230RFDBTEL参数计计算方方法Coupling=InsertionLoss=Isolation=Directivity=Coupling-Isolation>02022/12/1231RFDBTEL计算举举例（（全用用对数数计算算）PI:0dBmPC:20dBmPO:-1dBmPI*:0dBmPC*:-40dBmCoupling=-20dBmInsertionLoss=-1dBmIsolation=-40dBmDirectivity=Coupling-Isolation=20dBm2022/12/1232RFDBTEL功率检检波器器（PowerDetector））功率检检波器器对Coupler的耦合合高频频信号号进行行包络络检波波进而而得到到一个个体现现耦合合信号号幅值值大小小的检检波电电压。。我们采采用二二极管管负包包络检检波电电路，，后级级常为为低通通积分分电路路。例例如：Coupler输出耦合电电容Cc检波二极管管D检波电电压输输出低通积分电路2022/12/1233RFDBTEL负包络络检波波的对对二极极管要要求：检波二二极管管D以P极为输输入端端检波二二极管管的极极电容容要求求较小小的肖肖特基基二极极管，，若极极电容容过大大，将将会使使负包包络过过多的的耦合合流失失到低低，导导致检检波效效果变变差返回2022/12/1234RFDBTEL功率比比较、、控制制器PowerComparator&Controller功率比比较、、控制制器的的功能能：功率比比较器器将功功率检检波信信号与与设定定功率率信号号相比比较得得到一一个功功率控控制信信号给给功率率控制制器，，由功功率控控制器器产生生控制制电压压给功功率放放大器器（PA））它的具具体参参数详详见PCF5078DataSheet2022/12/1235RFDBTEL功率控控制环环路（（APC）的应用用返回2022/12/1236RFDBTEL收发双双工器器（Diplexer）收发合用一路路天线，因此此使用天线收收发双工器（（AntennaSwitch）对发射为openTXRX为发射波长对接收为short2022/12/1237RFDBTEL收发双工器的的特性参数（（TX/RX））FrequencyRange(MHz)InsertionLoss(dB)Attenuation(dB)V.S.W.R.Isolation(dB)Harmonics2xfo,3xfo(dBc)PowerCapacity(dBm)详见LMC33-07A0524ADataSheet返回2022/12/1238RFDBTEL衰减网络（Attenuation）为了达到系统统中对输入输输出功率要求求高的部分的的功率适配，，我们通常在在输出端到输输入端之间加加上功率衰减减网络通常衰减网络络形式有：T型、Π型衰减网络的计计算型衰减网络型衰减网络R1R2R3R1R2R32022/12/1239RFDBTEL衰减网络的计计算已知网络参数数求衰减系数数AZin1：短路输入电抗抗Zin2：开路输入电抗抗Zout1：短路输出电抗抗Zout2：开路输出电抗抗2022/12/1240RFDBTEL已知衰减系数数A求网络参数（R0：特性阻抗）由求求得K值：则可得对T型：对对Π型：2022/12/1241RFDBTEL衰减网络的作作用衰减网络主要要是为了使输输出功率符合合下级输入功功率的要求利用衰减网络络可以提高系系统的信噪比比利用50欧姆姆衰减网络可可以缓和前级级与后级的阻阻抗变化2022/12/1242RFDBTEL衰减网络的应应用返回2022/12/1243RFDBTEL匹配网络（Matching）匹配的定义：：后级输入阻抗抗与前级输出出阻抗共扼匹配网络的类类型：L型T型Π型阻抗匹配（参见RFCircuitFundamentals）天线的匹配（（参见TransmissionLine/SmithChart）2022/12/1244RFDBTEL天线匹配配的举例例返回2022/12/1245RFDBTEL滤波网络络（Filter））通用滤波波网络电源滤波波去耦网网络声表面滤滤波器（（SAW））2022/12/1246RFDBTEL通用滤波波网络滤波器是是抑制除除特定带带宽以外外信号及及噪声的的装置。。按照不同同标准它它可分为为：低通、高通、带通、带带阻滤波波器；一阶、二二阶、高高阶滤波波器；无源滤波波器、有有源滤波波器以下我们们以单阶阶无源滤滤波器为为例做一一些简介介2022/12/1247RFDBTEL3dB3dBRRLLCCUUfffHfL单阶无源源低通（（LP）单阶无源源高通（（HP）高频截止止频率fH与L、C参数有关关低频截止止频率fL与L、C参数有关关2022/12/1248RFDBTEL低通滤波波器的3dB衰减点的的频率为为高频截截止频率率fH，它截止的的斜率与与其阶数数相关高通滤波波器的3dB衰减点的的频率为为低频截截止频率率fL，它截止的的斜率与与其阶数数相关如果将低低通滤波波器和高高通滤波波器串联，而且且fH>fL就能构成成带通滤波器，，其通频带为fL~fH。如果将低低通滤波波器和高高通滤波波器并联，而且且fH<fL就能构成成带阻滤波器，，其阻频带为fH~fL。滤波特性性返回2022/12/1249RFDBTEL电源滤波波去耦网网络对于射频频电路而而言，电电源稳定定由特别别重要的的意义，，不仅它它自身不不稳定会会影响电电路性能能，而且且各用电电单元也也会以电源为为途径互互相传递递干扰造成很大大的不稳稳定因数数，去耦耦即去除除电源与与用电单单元之间间的交流流耦合。。实际电路路中电源源去耦电电路无论论在电源源输出端端还是在在用电输输入端都都需要，，而且去去耦电路路离用电电模块越越近达到到的去耦耦效果越越好。2022/12/1250RFDBTEL电源滤波波去耦网网络基本本理论我们一般般希望电电源供电电除了开开/关时时间以外外是直流流稳定的的，不希希望它的的端电压压出现纹纹波、抖抖动、跳跳变等不不稳定因因数存在在，电源源去耦网网络正是是为这些些交流成成分提供供了短路路到地的的通路。。去耦电阻阻、去耦耦电容及及去耦电电感构成成的低通通网络为为电源的的交流成成分提供供一个到到地的通通路，它它们的参参数与电电源提供供的电流流量、需需要特别别滤除的的频率成成分等相相关。2022/12/1251RFDBTEL电源源滤滤波波去去耦耦网网络络基基本本构构成成电源源去去耦耦低低通通滤滤波波网网络络如右右图图：：去耦耦电电阻阻或或电电感感---R/L（DecouplingResistor/Inductor））去耦耦电电容容---C1、、C2（DecouplingCapacitor））以上上部部分分部部不不要要求求全全部部具具备备，，去耦耦电电阻阻及及去去耦耦电电感感有有时时就就可可不不用用去耦耦电电阻阻R在电电路路中中将将缓缓和和电电源源上上升升、、下下降降沿沿的的速速度度，，从从而而抑抑制制高高频频噪噪声声的的形形成成；；用电单元PowerBatteryDecouplingResistor/InductorDecouplingCapacitorR/LC1C22022/12/1252RFDBTEL去耦耦电电感感L在回回路路中中必必然然阻阻碍碍高高频频交交流流成成分分达达到到隔隔离离效效果果；；有时时，，我我们们还还使使用用扼扼流流磁磁珠珠来来获获得得更更强强的的隔隔离离效效果果。。去耦耦电电容容由由C1、、C2并联联分分别别承承担担低低频频、、高高频频交交流流成成分分滤滤波波的的任任务务。。电解解电电容容C1一般般容容量量较较大大在在低低频频时时能能提提供供好好的的通通路路，，而而在在高高频频时时由由于于其其寄生生电电感感的存存在在阻阻抗抗将将变变大大无无法法提提供供滤滤波波通通路路；；陶瓷瓷电电容容C2由于于其其容容量量一一般般较较小小，，所所以以在在低低频频时时阻阻抗抗较较大大无无法法提提供供滤滤波波通通路路，，而而在在高高频频时时阻阻抗抗变变小小则则会会有有很很好好的的滤滤波波特特性性；；这样样可可以以看看出出C1、、C2的滤滤波波特特性性是是互补补的，，需需要要同时时利用用才才能能得得到到较较宽宽频频的的有有效效滤滤波波范范围围。。当然然，，如如果果需需要要更更宽宽的的滤滤波波频频段段还还可可用用更更多多不不同同类类型型的的电电容容并并联联得得到到。。详见见《《高高速速电电路路板板设设计计技技术术》》2022/12/1253RFDBTEL电源源滤滤波波去去耦耦网网络络的的应应用用2022/12/1254RFDBTEL电源源去去耦耦电电路路参参数数的的选选择择C1的选选择择：：假设设电电源源提提供供电电流流为为I，，则K取10是是经经验验比比例例一般般应应用用时时取取电电容容标标称称值值在在计计算算值值附附近近就就可可以以了了C2的选选择择：：C2位高高频频陶陶瓷瓷电电容容，，一一般般在在0.1uF以下下取取值值trUBurst返回回2022/12/1255RFDBTEL声表表面面滤滤波波器器（（SAW））在手手机机中中，，接接受受信信号号从从天天线线开开关关到到接接收收处处理理电电路路之之间间采采用用声声表表面面滤滤波波器器（（SAW））声表表面面滤滤波波器器（（SAW））可以以提提供供较较宽宽的的通通频频带带、、较较低低的的损损耗耗，，此此外外有有的的SAW器件件还还集集成成有有将将非非平平衡衡信信号号转转换换为为平平衡衡信信号号的的功功能能。。SAW的滤滤波波特特性性详详见见SAWDataSheetlc03clc66e返回回2022/12/1256RFDBTEL平衡衡网网络络（（Balance））Balance电路路构构成成：：UI分别别经经过过低低通通、、高高通通得得到到反反相相的的UO1、、UO2LCCLUIUO1UO2RdiffRsRsRs：特性性阻阻抗抗Rdiff：输入入阻阻抗抗2022/12/1257RFDBTEL由计算可知知UO1、UO2始终有180度相差差（Differential）适合在Balance系统上传输输。L、C的取值要求求：f：系统中心频频率Rs：特性阻抗Rdiff：输入阻抗该电路可能能集成于SAW中2022/12/1258RFDBTEL差模、共模模在Balance系统上的传传输差模（DifferentialMode）ABB的传输量为为A的一半共模（CommonMode）I/PO/PI/PO/PI/PO/PC返回2022/12/1259RFDBTEL其它稳压管、限限幅管、静静电放电器器的比较上拉、下拉拉电阻数字控制信信号的高频频抑制措施施隔直（Block）电容2022/12/1260RFDBTEL稳压管、限限幅管、静静电放电器器的比较稳压管管稳压管将输输出电压稳稳定在其标称值值上，常用用于低压直流稳稳压电源电电路限幅管管限幅管将输输出电压限限定在一定的范范围内，超超出要求范围的的部分由它它消耗到地，保保证了后级级电路、器件的的安全工作作静电放电器器静电放电（（ESD:ElectricStat