WiFi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計

1、WiFi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計 (General RF Design In WiFi Product)第1章. 射頻設(shè)計框圖圖1-1 Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計框圖如圖1-1所示，一般Wi-Fi產(chǎn)品的射頻部分由五大部分組成，藍色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器（Radio Transceiver）一般是一個設(shè)計的核心器件之一，除了與射頻電路的關(guān)系比較密切以外，一般還會與CPU有關(guān)，在這里，我們只關(guān)注其與射頻電路相關(guān)的一些內(nèi)容。發(fā)送信號時，收發(fā)器本身會直接輸出小功率的微弱的射頻信號，送至功率放大器（Power Amplifier，PA）進行功率放大，然后通過收發(fā)切換器（Trans

2、mit/Receive Switch）經(jīng)由天線（Antenna）輻射至空間。接收信號時，天線會感應(yīng)到空間中的電磁信號，通過切換器之后送至低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，LNA）進行放大，這樣，放大后的信號就可以直接送給收發(fā)器進行處理，進行解調(diào)。第2章. 無線收發(fā)器如圖2-1中，有幾個電源管腳，數(shù)字地，模擬地，射頻輸出，功率放大器增益控制，功率檢測，溫度檢測，射頻輸入，低噪聲放大器增益控制，發(fā)射、接收切換等管腳。圖2-1 一般的無線收發(fā)芯片（射頻電路設(shè)計相關(guān)）2.2. 差分射頻信號的處理2.2.1. 收發(fā)器本身具有的管腳圖2-2 收發(fā)器的射頻輸入與輸出管腳這里必須指出的是，

3、Atheros的收發(fā)器一般會同時對輸入與輸出做差分處理。但是Ralink一般要求外部輸入的信號是差分的，而自身輸出的射頻信號則不是差分的。圖2-3射頻信號則不是差分的處理方式2.2.2. 收發(fā)器發(fā)送的差分信號平衡器通常用來處理差分信號的問題，電感和電容都能夠改變信號的相位，從差分信號到單端信號，基本的方法就是用電感和電容組成兩條不同的通路，這樣，經(jīng)過處理電路的兩路信號就在相位上相差了180，從而可以使原本相位相差180的差分信號同相，得到單端信號。相反，使單端信號通過兩條不同的通路，就得到了差分信號。下面讓我們來分別看一下這兩種方法的電路形式。方法一，使用平衡器。原本相位相差180的差分信號經(jīng)

4、過平衡器（Balun，俗稱巴倫），就可以得到合二為一的單端射頻信號。如圖2-5所示，圖中的F1就是一個平衡器，差分信號RFOUT_P和RFOUT_N經(jīng)過F1得到單端信號RF_OUT。圖2-5 典型的平衡電路方法二，使用分立元件。典型的使用分立元件的處理電路如圖2-6所示。圖2-6 典型的分立元件處理電路2.2.4. 收發(fā)器接收的差分信號收發(fā)器接收的信號來自于前端的低噪聲放大器，和功率放大器一樣，低噪聲放大器處理的也是單端射頻信號，這樣，我們必須將低噪聲放大器輸出的信號進行轉(zhuǎn)換。同樣，對于低噪聲放大器的輸出信號同樣有兩種處理方式：使用平衡器和使用分立元件。Atheros的方案中，有些使用平衡器；

5、Ralink的方案中，至今還沒有使用過。先來介紹使用平衡器的方案。在某實際案例中，采用了如圖2-8所示的平衡器電路。單端信號RF_IN經(jīng)過平衡器F5后得到差分的射頻信號RFIN_P和RFIN_N。圖2-8 某案例采用的平衡器電路再來看看采用分立元件實現(xiàn)的方法，圖2-9是Ralink慣用的方式，圖2-10是Atheros常用的處理方式。圖2-9Ralink常用的分立元件信號處理方式圖2-10 Atheros常用的分立元件信號處理方式2.3. 收發(fā)器的電源管腳收發(fā)器從圖2-2也可以看出來，一般會具有主電源管腳，核電壓電源管腳，IO電源管腳，鎖相環(huán)（Phase Lock Loop，PLL）電源管腳等

6、。一般來說，收發(fā)器的模擬電源供電和數(shù)字電源供電要用電感或者磁珠隔開，并且一定要在電感或磁珠后放置容量比較大的電容，會對電源的性能起到很大的提升作用，同時并聯(lián)幾個容量比較小的瓷片電容，就可以濾除不同頻率的交流成分。2.4. 收發(fā)器完整的外圍電路設(shè)計如何選擇收發(fā)器，收發(fā)器相關(guān)的差分信號處理，收發(fā)器的電源供給，這三方面的內(nèi)容基本上較完整的覆蓋了收發(fā)器射頻電路設(shè)計的內(nèi)容。我們對收發(fā)器輸出的差分信號用平衡器處理得到單端信號RFOUT，來自低噪聲放大器的接收信號RFIN用分立元件處理得到差分信號RFIN_P，RFIN_N。圖2-11 完整設(shè)計的無線收發(fā)器外圍電路第3章. 功率放大器功率放大器，Power

7、Amplifier，俗稱PA，主要的作用就是將無線收發(fā)器（Radio Transceiver）送來的射頻信號進行功率放大，保證有足夠大的輸出功率滿足設(shè)計需求。圖3-1 功率放大器的框圖功率放大器的參數(shù)：增益，噪聲，非線性。增益，和最終的輸出功率有關(guān)，噪聲和非線性關(guān)系著信號質(zhì)量。3.1.3. 功放芯片的主要參數(shù) 工作頻率 小信號增益 最大線性輸出功率 1dB壓縮點輸出功率 誤差向量幅度（EVM） 相鄰信道功率比（ACPR） 噪聲系數(shù) 是否內(nèi)建功率檢測功能 是否內(nèi)建增益控制功能 供電電壓 消耗的電流 3.2. 功放芯片的供電圖3-2展示的一般功放芯片有三個電源管腳，分別是VCC，VC1，VC2，其

8、中的VCC是主電源供電，VC1是芯片內(nèi)部第一級放大的供電，VC2是芯片內(nèi)部第二級放大的供電。這里有個很重要的問題需要注意，VC1和VC2 不是簡單的供電管腳，這兩個管腳通常不會直接連接到電源上，一般會串聯(lián)一個電感（或者電阻）再連接到電源上，因為這是為芯片內(nèi)的功率晶體管（或場效應(yīng)管）供電的管腳，而電感是不容易集成到芯片中的，就得到了典型的功放芯片的供電方式，如圖3-3所示。圖3-3 典型的功放芯片供電方式功放電路處理模擬信號，需要尤其注意其電源要與數(shù)字電路的電源分開。如圖3-3所示，對于VC1和VC2這兩個管腳，放置的濾波電容容量要較小，通常在1-10pF。3.3. 輸入回路功放電路的輸入回路一

9、般包括兩個部分，一個是帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF），一個是型匹配網(wǎng)絡(luò)。3.3.1. 帶通濾波器帶通濾波器的參數(shù)主要有： 輸入阻抗 輸出阻抗 通頻帶 通頻帶內(nèi)的衰減 通頻帶以外的衰減 3.3.2. 型匹配網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典的準(zhǔn)則：共軛匹配傳輸功率最大。圖3-5給出的是Ralink常用的一種型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-5 Ralink常用的型匹配網(wǎng)絡(luò)3.3.3. 完整設(shè)計的輸入回路如圖3-6所示，就是一個設(shè)計完整的功放電路輸入回路。圖中的U9就是一款成品的帶通濾波器，而C108，C109和L14就組成了一個型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-6 完整設(shè)計的功放電路的輸入回路3.4. 輸出回路在輸出回路中，最重

10、要的組成部分就是低通濾波器。低通濾波器解決功放引起的高次諧波，還要解決的問題就是匹配問題。一般的低通濾波器的形式。如圖3-7所示，是Ralink常用的濾波器形式。C112，C111，C113，C110和C114就組成了一個低通濾波器，來自功放芯片的信號PA_OUT經(jīng)過濾波器后得到LPF_OUT這信號送至后續(xù)電路。圖3-7 Ralink常用的低通濾波器一般射頻功率放大電路的完整的輸出回路，如圖3-8所示。圖3-8 完整設(shè)計的功率放大器輸出回路3.5.1. 芯片內(nèi)建的功率檢測我們在圖3-2中已經(jīng)看到，一般的功放芯片會有POWER_DETECT這樣的一個管腳，這個管腳的作用就是用于功率檢測的。使用芯

11、片內(nèi)建的功率檢測功能可以簡化電路設(shè)計，常見的完整形式如圖3-9所示。圖3-9 常見的使用內(nèi)建功率檢測功能的電路形式3.5.2. 芯片外圍的功率檢測電路如圖3-10所示，就是Atheros常用的功率檢測方案。圖中的PC1就是一個印制耦合器（Printed Coupler），來自功率放大器的輸出信號LPF_OUT經(jīng)過耦合器，就在2，3腳感應(yīng)到高頻交變電壓，這個電壓隨著輸出功率的增大而增大L18，L19，D1，C217，R248組成了常規(guī)的整流電路，這樣，就得到了隨著輸出功率的變化而變化的直流電壓POWER_DETECT，無線收發(fā)器就可以得到這個電壓值從而做作出相應(yīng)的動作。這里有一點需要注意的是，整

12、流二極管D1一定要選擇工作頻率很高的二極管，例如這個設(shè)計中的SMS7630的工作頻率就達10GHz。圖3-10 Atheros常用的功率檢測方案3.6. 增益控制圖3-11是典型的增益控制原理圖。來自收發(fā)器的控制信號PA_GAIN經(jīng)過R245和C248組成的RC濾波電路（濾除來自收發(fā)器的可能的交流成分）通過兩個電阻作用于功放芯片的GAIN_1和GAIN_2兩個管腳，從而控制功率放大電路的增益，也控制著最終的輸出功率。圖3-11 典型的增益控制原理圖3.7. 溫度檢測圖3-12中的RT1是熱敏電阻，當(dāng)環(huán)境溫度改變時，自身的阻值會發(fā)生變化，這樣，顯而易見，TMP_DET的值就會發(fā)生變化。溫度檢測電

13、路一般會放置在功放芯片的附近。圖3-12 Ralink常用的溫度檢測電路第4章. 低噪聲放大器低噪聲放大器的性能直接影響著整個設(shè)計的靈敏度。低噪聲放大器的框圖如圖4-1所示，有四個部分組成，輸入回路，輸出回路，放大電路，增益控制。圖4-1 低噪聲放大器的框圖4.1. 低噪聲的放大器的主要參數(shù)低噪聲放大器具有極低的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)的物理含義是：信號通過放大器之后，由于放大器產(chǎn)生噪聲，使信噪比變壞；信噪比下降的倍數(shù)就是噪聲系數(shù)。除了噪聲系數(shù)以外，以下幾個參數(shù)也是我們需要關(guān)注的： 功率增益 增益平坦度 工作頻帶 動態(tài)范圍 功率增益主要就指低噪聲放大器的增益能力，增益平坦度描述放大器在工作頻帶內(nèi)頻率

14、變化引起的功率增益的波動，工作頻帶就是指放大器的正常工作的頻率范圍，動態(tài)范圍是指放大器允許輸入的最小和最大功率范圍。4.3. 輸入回路和功率放大器一樣，低噪聲放大器的輸入回路中也會有匹配網(wǎng)絡(luò)，但是Atheros很少看到低噪放的輸入匹配網(wǎng)絡(luò)，而Ralink幾乎在每個設(shè)計中都中規(guī)中矩的使用型匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖4-3所示，就是Ralink常用的型匹配網(wǎng)絡(luò)。有了匹配網(wǎng)絡(luò)，我們可以最大限度的保證我們的設(shè)計是高性能的，也就是High-Performance。圖4-3 Ralink常用的型匹配網(wǎng)絡(luò)4.5. 電源與增益控制增益控制的作用是很明顯的，當(dāng)接收到的信號強度較低時，我們可以提高低噪聲放大器的增益，保證信號

15、可以正常被接收；當(dāng)接收信號的強度較高時，可以降低低噪聲放大器的增益，以免造成信號阻塞。這就是所謂的自動增益控制（Auto Gain Control，AGC）。低噪聲放大器的增益是依靠改變供電電壓來實現(xiàn)的，三極管放大電路的放大倍數(shù)和供電電壓有密切關(guān)系。4.6. 完整設(shè)計的低噪聲放大器圖中的LNA_GAIN是來自無線收發(fā)器（Radio Transceiver）的增益控制信號，放大器使用的晶體管就是最常用的SGA-8343，R238，R239，R240是基極的偏置電阻，C219，L20，C220組成了低通濾波器，來自切換芯片（Switch）的LNA_IN通過低通濾波器之后經(jīng)由C218耦合至低噪聲放大

16、器，Q2與C221，L51，C214，R240，C210，R239，R238，C211，R241，C215，L52組成了共射極放大電路，最終輸出RFIN送至收發(fā)器進行處理。尤其值得我們注意的是，在每一個節(jié)點處，都放置了濾波電容，這樣，就可以最大限度的消除任何可能的噪聲，從而實現(xiàn)性能優(yōu)秀的低噪聲放大電路。圖4-5 某實際案例中設(shè)計精良的低噪聲放大器第5章. 收發(fā)切換電路收發(fā)切換電路實現(xiàn)的功能就是進行發(fā)射與接收的切換，通常其最重要的組成部分就是一顆芯片：芯片的選擇，發(fā)射與接收回路，天線回路，控制管腳的處理。5.1. 切換芯片的選擇在選擇切換芯片時，我們主要關(guān)注以下幾個參數(shù)： 工作頻率 切換速度 關(guān)斷的隔離度 導(dǎo)通的衰減 控制電壓 第6章. 天線與天線連接器在天線或者天線連接器的附近放置一個型匹配網(wǎng)絡(luò)，典型的設(shè)計如圖6