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Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2016-10-21 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】這篇文章是我結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐編寫(xiě)而成的,這是一篇針對(duì)性很強(qiáng)的技術(shù)文章。在這篇文章中,我只是分析研究了Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路設(shè)計(jì),而且主要分析的是Atheros 和Ralink的解決方案,對(duì)于其他廠商的解決方案并沒(méi)有進(jìn)行研究。希望能夠?qū)Υ蠹业脑O(shè)計(jì)工作起到一定的幫助作用。
 
I. 前言
 
這是一篇針對(duì)性很不強(qiáng)的技術(shù)文章。在這篇文章中,我研究,討論了Wi-Fi產(chǎn)品中的射頻電路設(shè)計(jì),包括各個(gè)組成部分,如無(wú)線收發(fā)器,功率放大器,低噪聲放大器,如果把這里的某一部分深入展開(kāi)討論,都可以寫(xiě)成一本很厚的書(shū)。
 
這篇文章具有一般性。雖然說(shuō)這篇文章主要分析了Atheros和Ralink的方案,但是這兩家廠商的解決方案很具有代表性,而且具有很高的市場(chǎng)占有率,因此,大部分Wi-Fi 產(chǎn)品也必然是具有一致或者類似的架構(gòu)。經(jīng)常瀏覽相關(guān)網(wǎng)站的人一定知道,在中國(guó)市場(chǎng)熱賣(mài)的無(wú)線路由器,無(wú)線AP很多都是這兩家的解決方案。
 
這篇文章具有一定的實(shí)用性。這篇文章的編寫(xiě)是基于我們公司的二十余種參考設(shè)計(jì)電路,充分吸收了參考設(shè)計(jì)的精華,并提取其一般性,同時(shí),本文也重在分析實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)和選擇器件時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題,并沒(méi)有進(jìn)行深入的理論研究,所以,本文具有一定的實(shí)用性。
 
這篇文章是我在自己的業(yè)余時(shí)間編寫(xiě)的(也可以說(shuō)我用這種方式消磨時(shí)間),如果這篇文章能夠?yàn)榇蠹业墓ぷ鲙?lái)一點(diǎn)幫助,那將是我最高興的事。
 
第1章. 射頻設(shè)計(jì)框圖
 
做技術(shù)的,講解某個(gè)設(shè)計(jì)的原理時(shí),都會(huì)從講解框圖開(kāi)始,本人也不例外,先給大家展示一下Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計(jì)框圖。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖1-1 Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻設(shè)計(jì)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(這是我個(gè)人的見(jiàn)解,不同的工程師可能會(huì)有不同的想法),藍(lán)色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)一般是一個(gè)設(shè)計(jì)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(huì)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(hào)時(shí),收發(fā)器本身會(huì)直接輸出小功率的微弱的射頻信號(hào),送至功率放大器(Power Amplifier,PA)進(jìn)行功率放大,然后通過(guò)收發(fā)切換器(Transmit/Receive Switch)經(jīng)由天線(Antenna)輻射至空間。接收信號(hào)時(shí),天線會(huì)感應(yīng)到空間中的電磁信號(hào),通過(guò)切換器之后送至低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)進(jìn)行放大,這樣,放大后的信號(hào)就可以直接送給收發(fā)器進(jìn)行處理,進(jìn)行解調(diào)。
 
在后續(xù)的講解中,我會(huì)將圖1-1中的各個(gè)部分逐個(gè)展開(kāi),將每一個(gè)都暴露在大家眼前,也會(huì)詳細(xì)講解每一部分的設(shè)計(jì),相信大家在認(rèn)真仔細(xì)的閱讀這篇文檔之后,就可以對(duì)射頻的各個(gè)組成部分有一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)。
 
第2章. 無(wú)線收發(fā)器
 
我把無(wú)線收發(fā)器(在本章的以下內(nèi)容中簡(jiǎn)稱收發(fā)器)放在了第一個(gè)模塊,主要原因就是因?yàn)椋话銜?huì)是一個(gè)設(shè)計(jì)的核心器件之一,有的時(shí)候還可能集成在CPU上,就會(huì)是一個(gè)設(shè)計(jì)中的最重要的芯片,同時(shí),理所當(dāng)然,收發(fā)器的重要性決定了它的外圍電路必然很復(fù)雜,實(shí)際上也是如此。而且,如果沒(méi)有參考設(shè)計(jì),完全由我們自主設(shè)計(jì)的時(shí)候,這顆芯片也是我們應(yīng)該放在第一優(yōu)先的位置去考慮,這顆芯片從根本上決定著整個(gè)設(shè)計(jì)的無(wú)線性能。這樣,這一部分的設(shè)計(jì)講解起來(lái)會(huì)比較困難,可是還是想最先講解這里。
 
收發(fā)器通常會(huì)有很多的管腳,在如圖2-1中,我只給出了射頻電路設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)關(guān)注的管腳,可以看到,有幾個(gè)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(cè),溫度檢測(cè),射頻輸入,低噪聲放大器增益控制,發(fā)射、接收切換等管腳,在接下來(lái)的內(nèi)容中,我會(huì)把這些管腳分模塊逐個(gè)講解。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-1 一般的無(wú)線收發(fā)芯片(射頻電路設(shè)計(jì)相關(guān))
 
2.1. 無(wú)線收發(fā)器芯片的技術(shù)參數(shù)
 
不同的設(shè)計(jì),收發(fā)器一般會(huì)很不一樣,我們大多數(shù)時(shí)候都不會(huì)想著去更換它。一般我們選用收發(fā)器,會(huì)直接按照參考設(shè)計(jì)進(jìn)行,盡管如此,我還是像從一個(gè)研發(fā)人的角度出發(fā),說(shuō)一說(shuō),在選擇無(wú)線收發(fā)器時(shí)應(yīng)該關(guān)注的一些參數(shù)(射頻電路相關(guān)的參數(shù))。
 
2.1.1. 協(xié)議,頻率,通路與傳輸速率
 
在收發(fā)器的Datasheet中,一般會(huì)在開(kāi)始的幾段話中就指出該芯片支持哪些協(xié)議,工作在什么頻率上,幾條通路(也就是幾發(fā)幾收),我們公司目前的主打產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是支持802.11n的。這三項(xiàng)參數(shù)的重要性想必不用我說(shuō),大家也應(yīng)該體會(huì)得到,它們參數(shù)決定著最終的產(chǎn)品的功能。
 
一段典型的描述如:The Atheros AR9220 is a highly integrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network (WLANs) that enables high-performance 2×2 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robust link quality and maximum throughput and range.
 
從這段描述中,我們可以知道,AR9220支持802.11n草案(一般來(lái)說(shuō)都會(huì)兼容802.11b/g)。同時(shí),AR9220也支持雙頻,2.4GHz和5GHz,這樣,我們就可以得知,它也支持802.11a。2×2 MIMO說(shuō)明AR9220是二發(fā)二收(2T2R)。
 
傳輸速率和協(xié)議及通路密切相關(guān),感興趣的同事可以查閱相關(guān)資料。
 
從AR9220的Datasheet中我們可以得知,20MHz帶寬,最高傳輸速率可以達(dá)到130Mbps,40MHz帶寬時(shí),最高的傳輸速率可以達(dá)到300Mbps。
 
2.1.2. 調(diào)制方式
 
調(diào)制方式和傳輸速率是密切相關(guān)的,不同的傳輸速率對(duì)應(yīng)著不通的調(diào)制方式。芯片支持的調(diào)制方式一般會(huì)在Datasheet的特性描述中給出。例如,AR9220支持的調(diào)制方式有BPSK,QPSK,16QAM,64QAM,DBPSK,DQPSK,CCK。
 
2.1.3. 時(shí)鐘頻率
 
時(shí)鐘頻率,時(shí)鐘頻率包括兩種,收發(fā)器外接晶振的頻率和內(nèi)部倍頻后的工作頻率,這項(xiàng)參數(shù)同樣應(yīng)該是我們關(guān)注的。
 
2.1.4. 輸出功率
 
有一個(gè)現(xiàn)象我一直也弄不清楚,為什么在收發(fā)器的Datasheet中不給出其發(fā)射功率?這項(xiàng)參數(shù)對(duì)于我們RF工程師是很重要的,因?yàn)檫@項(xiàng)參數(shù)決定著后續(xù)功率放大電路的設(shè)計(jì),我們要保證收發(fā)器的輸出功率足以驅(qū)動(dòng)功率放大器,這樣,我們才能夠設(shè)計(jì)合理有效的放大器。
 
2.1.5. 接收靈敏度
 
和輸出功率一樣,收發(fā)器接收靈敏度這項(xiàng)參數(shù)也不會(huì)在Datasheet中給出,在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中,有了這項(xiàng)參數(shù),我們才能合理地設(shè)計(jì)低噪聲放大器的放大倍數(shù),才能保證低噪聲放大器的輸出可以被收發(fā)器有效的接受。
 
2.1.6. 射頻接口
 
這項(xiàng)參數(shù)關(guān)系著我們后續(xù)的射頻電路的結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō),收發(fā)器應(yīng)該具有的射頻輸入管腳包括:射頻輸出管腳,功率放大器增益控制管腳,功率放大器輸出功率檢測(cè)輸入管腳,低噪聲放大器增益控制管腳,切換器收發(fā)控制管腳,一般Ralink的方案還會(huì)有PA溫度檢測(cè)管腳。
 
2.1.7. 供電電壓與功耗
 
從全局的角度看,供電電壓與功耗同樣會(huì)是我們不得不關(guān)注的技術(shù)參數(shù),這兩項(xiàng)參數(shù)關(guān)系著電源電路的設(shè)計(jì)和散熱的設(shè)計(jì)。
 
2.2. 差分射頻信號(hào)的處理

2.2.1. 收發(fā)器本身具有的管腳
 
對(duì)于射頻信號(hào),為了增強(qiáng)收發(fā)器的抗干擾能力,一般會(huì)采用差分信號(hào)的處理方式,也就是說(shuō),收發(fā)器會(huì)以差分形式將信號(hào)發(fā)送出去,同時(shí)外部電路也必須為收發(fā)器提供差分射頻信號(hào)的輸入。如圖2-2所示,紅色方框內(nèi)的四只管腳就是這個(gè)收發(fā)器的差分射頻信號(hào)的輸入,輸出管腳,也是最重要的射頻信號(hào)管腳。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
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,Atheros的收發(fā)器一般會(huì)同時(shí)對(duì)輸入與輸出做差分處理。但是Ralink一般要求外部輸入的信號(hào)是差分的,而自身輸出的射頻信號(hào)則不是差分的。圖2-3和圖2-4分別給出了RT3052(Ralink)和AR9220(Atheros)的主要射頻信號(hào)管腳。不難發(fā)現(xiàn),Atheros的設(shè)計(jì)相比Ralink要更加細(xì)膩,不只是收發(fā)器芯片,在后續(xù)電路的設(shè)計(jì)中,也會(huì)發(fā)現(xiàn),Atheros考慮的問(wèn)題很周全,我想,這也是我們作為研發(fā)人應(yīng)該具備的一種精神。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-3 RT3052的主要射頻信號(hào)管腳
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-4 AR9220的主要射頻信號(hào)管腳
 
2.2.2. 收發(fā)器發(fā)送的差分信號(hào)
 
收發(fā)器發(fā)送的差分信號(hào),我們要想辦法把他們合二為一。為什么要這樣做,收發(fā)器送出的信號(hào)是要給功率放大電路的,功率放大電路處理的是單端信號(hào)。
 
平衡器通常用來(lái)處理差分信號(hào)的問(wèn)題,除此之外,我們知道,電感和電容都能夠改變信號(hào)的相位,從差分信號(hào)到單端信號(hào),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(guò)處理電路的兩路信號(hào)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(hào)同相,得到單端信號(hào)。相反,使單端信號(hào)通過(guò)兩條不同的通路,就得到了差分信號(hào)。
 
下面讓我們來(lái)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(hào)經(jīng)過(guò)平衡器(Balun,俗稱巴倫),就可以得到合二為一的單端射頻信號(hào)。如圖2-5所示,圖中的F1就是一個(gè)平衡器,差分信號(hào)RFOUT_P和RFOUT_N經(jīng)過(guò)F1得到單端信號(hào)RF_OUT。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
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。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-6 典型的分立元件處理電路
 
2.2.3. 平衡器的參數(shù)與選擇
 
在Atheros的方案中,平衡器往往使用的很多,我在這里給出平衡器的主要參數(shù)和簡(jiǎn)要的選型指南。如前所述,在我們的Wi-Fi產(chǎn)品中,平衡器常用于處理差分信號(hào),其主要的參數(shù)如下:
 
  • 不平衡阻抗
  • 平衡阻抗
  • 工作頻率
  • 不平衡端口回波損耗
  • 相位變化
  • 插入損耗
 
例如,常用的平衡器HHM1711D1典型參數(shù)如圖2-7所示。這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)是就可以根據(jù)我們的需求選擇合適的平衡器了。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-7 HHM1711D1的典型參數(shù)
 
2.2.4. 收發(fā)器接收的差分信號(hào)
 
收發(fā)器接收的信號(hào)來(lái)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(hào),這樣,我們必須將低噪聲放大器輸出的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同樣,對(duì)于低噪聲放大器的輸出信號(hào)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;Ralink的方案中,至今還沒(méi)有使用過(guò)。
 
其實(shí)大家也一定想到了,收發(fā)器接收信號(hào)和收發(fā)器發(fā)送信號(hào)差不多就是互為逆過(guò)程,因此電路的結(jié)構(gòu)也差不多是相反的。沒(méi)錯(cuò),看了下面的實(shí)際電路圖就知道了。 先來(lái)介紹使用平衡器的方案。在某實(shí)際案例中,采用了如圖2-8所示的平衡器電路。單端信號(hào)RF_IN經(jīng)過(guò)平衡器F5后得到差分的射頻信號(hào)RFIN_P和RFIN_N。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-8 某案例采用的平衡器電路
 
再來(lái)看看采用分立元件實(shí)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。可以看出,這兩種設(shè)計(jì)方法大同小異。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-9Ralink常用的分立元件信號(hào)處理方式
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-10 Atheros常用的分立元件信號(hào)處理方式
 
2.3. 收發(fā)器的電源管腳
 
收發(fā)器一般會(huì)有很多個(gè)電源管腳,可以大概分為幾類,從圖2-2也可以看出來(lái),一般會(huì)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。
 
在射頻電路設(shè)計(jì)中,我們一般會(huì)比較關(guān)注的是模擬電源。對(duì)于射頻電路的供電,如果讓我在線性穩(wěn)壓電源(LDO)和開(kāi)關(guān)電源(DC/DC)之間選擇,那么我會(huì)毫不猶豫的選擇線性電源。
 
為什么?和開(kāi)關(guān)電源有仇?的確有仇!
 
直到現(xiàn)在我還清晰得記著在大學(xué)里面的遭遇。一次我為某高校設(shè)計(jì)一款校園廣播設(shè)備,考慮到校園廣播的較大的輸出功率,對(duì)電源的要求也就比較苛刻,我到科技市場(chǎng)轉(zhuǎn)了一圈發(fā)現(xiàn)了一款做工精良的開(kāi)關(guān)電源,當(dāng)時(shí)我就被這個(gè)家伙華麗的外表欺騙了,毫不猶豫地買(mǎi)了下來(lái)??墒钱?dāng)我完整設(shè)計(jì)后,接通電源,從收音機(jī)里面?zhèn)鱽?lái)的不是悅耳的音樂(lè)聲,而是令人極度反感的“嗡嗡”聲,巨大的交流聲。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我?guī)缀踅g盡腦汁,把有可能造成問(wèn)題的部分都重新設(shè)計(jì)了,可是問(wèn)題依然沒(méi)有解決。后來(lái),我突然意識(shí)到:“是不是開(kāi)關(guān)電源的問(wèn)題?”剛好手頭有一臺(tái)車載電臺(tái)的電源(大功率線性穩(wěn)壓電源),當(dāng)我把這個(gè)電源接上去之后,哇,整個(gè)世界都安靜了!開(kāi)關(guān)電源害得我不但損失了一些錢(qián),還浪費(fèi)了我大量的時(shí)間,從那以后,我的設(shè)計(jì)再也沒(méi)用過(guò)開(kāi)關(guān)電源。
 
對(duì)于收發(fā)器的電源管腳,通常的處理方法就是在每個(gè)電源的管腳處都放置一個(gè)0.1uF的電容,耗電比較大的管腳旁,需要放置更大容量的電容,1-10uF或者更大。一般來(lái)說(shuō),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(kāi),并且一定要在電感或磁珠后放置容量比較大的電容,如果條件允許的話,最好放置電解電容,會(huì)對(duì)電源的性能起到很大的提升作用,同時(shí)并聯(lián)幾個(gè)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(jì)
 
回想一下,我們?cè)谇懊娴臄⑹鲋兄v解了如何選擇收發(fā)器,收發(fā)器相關(guān)的差分信號(hào)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(jì)的內(nèi)容,也就是說(shuō),把這三部分弄清楚,基本上就完成了這部分的設(shè)計(jì)。
 
想必大家應(yīng)該比較清楚那三部分的結(jié)構(gòu)了,好,讓我們來(lái)試一下,在圖2-2那個(gè)芯片的外圍放置一些器件,再連上幾條線,完成無(wú)線收發(fā)器及其外圍電路設(shè)計(jì)。在這里,我們對(duì)收發(fā)器輸出的差分信號(hào)用平衡器處理得到單端信號(hào)RFOUT,來(lái)自低噪聲放大器的接收信號(hào)RFIN用分立元件處理得到差分信號(hào)RFIN_P,RFIN_N。這樣,就得到了如圖2-11所示的原理圖。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖2-11 完整設(shè)計(jì)的無(wú)線收發(fā)器外圍電路
 
第3章. 功率放大器
 
功率放大器,Power Amplifier,俗稱PA,主要的作用就是將無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)送來(lái)的射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大,保證有足夠大的輸出功率滿足設(shè)計(jì)需求。功率放大器的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分專業(yè)的話題,也有很多人,很多高級(jí)的射頻工程師在這方面進(jìn)行過(guò)十分深入的研究,我在這里只針對(duì)我們的Wi-Fi產(chǎn)品的常用的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論。
 
我們的產(chǎn)品中,功率放大器的組成無(wú)非就是一顆芯片配上幾顆外圍的器件,但是在大功率的場(chǎng)合,幾乎不會(huì)有人用集成電路去做功率放大,一般都是用分立元件設(shè)計(jì)出來(lái)的,晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管。在我們目前的所有設(shè)計(jì)中,功率放大器都是用集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如圖3-1所示,是通常的功率放大器的設(shè)計(jì)框圖。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖3-1 功率放大器的框圖
 
功率放大器的設(shè)計(jì)會(huì)考慮很多參數(shù),但主要分為三類: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(hào)質(zhì)量。
 
我在這里把功率放大器(在本章的以下內(nèi)容中簡(jiǎn)稱功放)分為以下幾個(gè)部分進(jìn)行討論:功放芯片的選擇,功放芯片的供電,輸入回路,輸出回路,功率檢測(cè),增益控制,溫度檢測(cè)。
 
3.1.1. 功放芯片的管腳
 
功放芯片屬于微波功率器件的范疇,圖3-2給出了一個(gè)典型的功放芯片的原理圖符號(hào),包括以下管腳:
 
  • VCC 主電源供電管腳
  • VC1 一級(jí)功率放大供電管腳
  • VC2 二級(jí)功率放大供電管腳
  • RFIN 射頻信號(hào)輸入管腳
  • RFOUT 射頻信號(hào)輸出管腳
  • GAIN_1 增益控制管腳之一
  • GAIN_2 增益控制管腳之二
  • POWER_DETECT 內(nèi)建功率檢測(cè)輸出管腳
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖3-2 典型的功放芯片
 
值得注意的是,GAIN_1和GAIN_2是來(lái)自收發(fā)器(Transceiver)的控制信號(hào),是直流電壓,POWER_DETECT是功放芯片輸出的發(fā)射功率檢測(cè)值,也是直流電壓,而RFIN和RFOUT是最重要的射頻信號(hào)管腳。
 
3.1.2. 功放芯片的主要廠商
 
在市場(chǎng)上的產(chǎn)品中,功放芯片的供應(yīng)商基本上就是這四家:SiGe,SST,Microsemi,Richwave,表3-1,表3-2給出了幾個(gè)實(shí)際項(xiàng)目中所采用的功放芯片的型號(hào)。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
表3-1 Atheros的設(shè)計(jì)中采用的功放芯片
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
表3-2 Ralink的設(shè)計(jì)中采用的功放芯片
 
通過(guò)以上表格,我們很容易發(fā)現(xiàn),Atheros很喜歡Microsemi的芯片,而Ralink則比較喜歡Richwave和SST的,在BCM4323這個(gè)項(xiàng)目中,使用的功放芯片是SiGe的,在AP96現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中,使用的也是SiGe的Frontend Module。
 
3.1.3. 功放芯片的主要參數(shù)
 
功放芯片的選擇是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,在實(shí)際的選擇過(guò)程中,我們一般會(huì)考慮如下的幾項(xiàng)參數(shù):
 
  • 工作頻率
  • 小信號(hào)增益
  • 最大線性輸出功率
  • 1dB壓縮點(diǎn)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(cè)功能
  • 是否內(nèi)建增益控制功能
  • 供電電壓
  • 消耗的電流
 
以上的這些參數(shù),并不是在每顆功放芯片的Datasheet中都會(huì)完整給出,有些Datasheet只能給出部分參數(shù)。各項(xiàng)參數(shù)的意義想必大家都很清楚,我在這里就不做過(guò)多的解釋了。一個(gè)典型的功放芯片的Datasheet(片段)如下:
 
  • 2.3-2.5GHz Operation
  • Single Positive Supply Voltage Vcc = 3.3V
  • Power Gain ~ 27dB
  • Quiescent Current ~ 90mA
  • EVM ~ -30dB at Pout = +19dBm
  • Total Current ~ 150mA for Pout = +19dBm
  • Pout ~ +26dBm for 11g OFDM Mask Compliance
  • Total Current ~220mA for Pout = +23dBm 1 Mbps DSSS
  • On-Chip Input Match
  • Simple Output Match
  • Robust RF Input Tolerance > +5dBm
  • Small & Low-Cost 3x3x0.9mm3 MLP Package
  • Cost Reduction over LX5510, LX5510B
 
從以上的敘述中我們了解到,這顆功放芯片的工作頻率是2.3-2.5GHz,采用3.3V單電源供電,靜態(tài)工作電流是90mA,19dBm功率輸出時(shí),EVM的值是-30dB,等等。
 
功放芯片的性能很重要,當(dāng)然,在滿足性能的前提下,我們會(huì)選擇最便宜的
 
3.2. 功放芯片的供電
 
圖3-2展示的一般功放芯片有三個(gè)電源管腳,分別是VCC,VC1,VC2,其中的VCC是主電源供電,VC1是芯片內(nèi)部第一級(jí)放大的供電,VC2是芯片內(nèi)部第二級(jí)放大的供電。這里有個(gè)很重要的問(wèn)題需要注意,VC1和VC2 不是簡(jiǎn)單的供電管腳,這兩個(gè)管腳通常不會(huì)直接連接到電源上,一般會(huì)串聯(lián)一個(gè)電感(或者電阻)再連接到電源上,為什么呢?這是因?yàn)檫@是為芯片內(nèi)的功率晶體管(或場(chǎng)效應(yīng)管)供電的管腳,通常在分離元件組成的功率放大電路中,我們都會(huì)看到在晶體管的集電極(或者場(chǎng)效應(yīng)管的漏極)上都串有電感,而電感是不容易集成到芯片中的,這樣,就需要在芯片的外部放置電感,這樣,就得到了典型的功放芯片的供電方式,如圖3-3所示。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖3-3 典型的功放芯片供電方式
 
除了上面提到的電感的問(wèn)題,另一個(gè)值得注意的就是,功放電路處理的模擬信號(hào),是正統(tǒng)的模擬電路,因此需要尤其注意其電源要與數(shù)字電路的電源分開(kāi)。另一個(gè)極為重要的問(wèn)題是,如圖3-3所示,在每個(gè)電源管腳處,都需要放置一個(gè)濾波電容組合,例如VCC管腳處放置的是100pF和1000pF的濾波電容組合,VC1管腳處是10pF的電容。濾波電容的組合形式是這樣的,對(duì)于主電源管腳VCC,需要盡量多地放置不同容量的電容,而且這些電容的容量最好是不同數(shù)量級(jí)的,例如可以這樣組合:10uF+1uF+0.1uF+1000pF+100pF+10pF,不同容量的電容用于濾除不同頻率成分的擾動(dòng)。對(duì)于VC1和VC2這兩個(gè)管腳,要注意,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般包括兩個(gè)部分,一個(gè)是帶通濾波器(Band Pass Filter,BPF),一個(gè)是Π型匹配網(wǎng)絡(luò),我們分開(kāi)兩部分來(lái)講。
 
3.3.1. 帶通濾波器
 
我們知道,2.4GHz頻段的子載波有13個(gè),頻率從2.412GHz到2.437GHz,相鄰兩信道之間的頻率間隔是500MHz,很容易理解,從收發(fā)器(Transceiver)輸出的信號(hào)包括了從2.412GHz到2.437GHz這樣的一個(gè)頻率帶,因此,為了能夠使有用的信號(hào)順利地進(jìn)入功放芯片,無(wú)用的雜亂信號(hào)被濾除,一般會(huì)在功放芯片的輸入回路上放置一個(gè)帶通濾波器。
 
帶通濾波器有三種實(shí)現(xiàn)方法,一種是使用已經(jīng)設(shè)計(jì)好的專用帶通濾波器,這在Ralink的方案中使用的很多;一種是使用分立元件組成的帶通濾波器,這種方法用的不是很多;第三種方法幾乎是Atheros專有的,就是印制帶通濾波器,這種濾波器最突出的優(yōu)點(diǎn)就是沒(méi)有成本,最突出的缺點(diǎn)是占用的空間比較大,而且還需要凈空區(qū),在AP51中就使用了這種濾波器。
 
用分立元件設(shè)計(jì)帶通濾波器需要復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程,也需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底,我們?cè)谶@里不進(jìn)行過(guò)多的研究。接下來(lái)我們主要討論如何選擇一款已經(jīng)設(shè)計(jì)好的帶通濾波器。帶通濾波器的參數(shù)并不多,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
 
通常情況下,成品的帶通濾波器,輸入和輸出阻抗都會(huì)控制在50歐姆的標(biāo)稱值,對(duì)于通頻帶相關(guān)特性,一張圖表足以反映出來(lái)。如圖3-4給出了我們常用的HMD845H的S21參數(shù)與頻率之間的關(guān)系。很明顯,該帶通濾波器的通頻帶為2.4GHz-2.5GHz,對(duì)于通頻帶以外的頻率,衰落的很快。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖3-4 HMD845H的S21參數(shù)
 
3.3.2. Π型匹配網(wǎng)絡(luò)
 
匹配,這件事在射頻設(shè)計(jì)中是極其重要的,很多時(shí)候,我們?cè)O(shè)計(jì)或者調(diào)試射頻電路,都是在解決匹配的問(wèn)題,永遠(yuǎn)記住這樣一條經(jīng)典的準(zhǔn)則:共軛匹配傳輸功率最大。Π型匹配網(wǎng)絡(luò)一般直接放在功放芯片的輸入端,也就是放在RFIN這個(gè)管腳處,通常芯片的管腳不會(huì)匹配到50歐姆,我們也不會(huì)知道管腳的輸入特性,這樣的話,Π型匹配網(wǎng)絡(luò)的必要性就可想而知了。
 
Π型匹配網(wǎng)絡(luò),顧名思義,形狀很像字母Π,我們來(lái)看一下實(shí)際的Π型匹配網(wǎng)絡(luò)。圖3-5給出的是Ralink常用的一種Π型匹配網(wǎng)絡(luò)。
 
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圖3-5 Ralink常用的Π型匹配網(wǎng)絡(luò)
 
3.3.3. 完整設(shè)計(jì)的輸入回路
 
以上我們討論了功放電路的輸入回路的兩個(gè)組成部分,帶通濾波器和Π型匹配網(wǎng)絡(luò),有了這兩個(gè)部分,我們就可以設(shè)計(jì)一個(gè)完整的輸入回路了。如圖3-6所示,就是一個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)Π型匹配網(wǎng)絡(luò)。
 
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圖3-6 完整設(shè)計(jì)的功放電路的輸入回路
 
3.4. 輸出回路
 
在輸出回路中,最重要的組成部分(在很多設(shè)計(jì)中也是唯一的組成部分)就是低通濾波器,這時(shí)可能有人會(huì)問(wèn),為什么這里要用低通濾波器,而不是像輸入回路那樣使用帶通濾波器?原因很簡(jiǎn)單,這里的低通濾波器要解決的主要問(wèn)題時(shí)由于功放引起的高次諧波,如二次諧波,三次諧波甚至更高次數(shù)的諧波,當(dāng)然,低通濾波器還要解決的問(wèn)題就是匹配問(wèn)題。其實(shí),在射頻電路的設(shè)計(jì)中,匹配的這個(gè)問(wèn)題會(huì)一直伴隨著我們。
 
濾波器的設(shè)計(jì)需要很復(fù)雜的計(jì)算,在這里我不想探討過(guò)多的理論知識(shí),所以,我就不給出如何計(jì)算的方法,只給出一般的低通濾波器的形式。這里需要指出的是,Atheros的設(shè)計(jì)一般會(huì)使用三個(gè)元件,而Ralink一般會(huì)使用五個(gè)元件。如圖3-7所示,是Ralink常用的濾波器形式。在圖中,C112,C111,C113,C110和C114就組成了一個(gè)低通濾波器,來(lái)自功放芯片的信號(hào)PA_OUT經(jīng)過(guò)濾波器后得到LPF_OUT這信號(hào)送至后續(xù)電路。
 
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圖3-7 Ralink常用的低通濾波器
 
這時(shí),我們就可以把功放芯片的輸出端與低通濾波器相連接,就得到了一般射頻功率放大電路的完整的輸出回路,如圖3-8所示。
 
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圖3-8 完整設(shè)計(jì)的功率放大器輸出回路
 
3.5. 功率檢測(cè)
 
功率檢測(cè)功能在我們的很多設(shè)計(jì)中都可以找到,這項(xiàng)功能可以使無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)時(shí)刻監(jiān)視著功放電路的輸出功率,這樣,當(dāng)功放的輸出功率改變時(shí),無(wú)線收發(fā)器就可以調(diào)整自身的輸出功率或者改變功放電路的增益,使功放電路的輸出功率穩(wěn)定在一個(gè)固定的值。
 
功率檢測(cè)電路輸出的是直流電壓值,這個(gè)電壓值送給無(wú)線收發(fā)器之后,無(wú)線收發(fā)器自身內(nèi)部進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,就可以得知功放電路的輸出功率了。
 
功率檢測(cè)實(shí)現(xiàn)的方法通常有兩種,在Ralink的設(shè)計(jì)中,通常使用功放芯片自身的功率檢測(cè)功能;在Atheros的設(shè)計(jì)中,除了使用功放芯片本身的功率檢測(cè)功能之外,一般還會(huì)有一種Atheros特有的設(shè)計(jì),我們將分成兩部分討論。
 
3.5.1. 芯片內(nèi)建的功率檢測(cè)
 
我們?cè)趫D3-2中已經(jīng)看到,一般的功放芯片會(huì)有POWER_DETECT這樣的一個(gè)管腳,這個(gè)管腳的作用就是用于功率檢測(cè)的。使用芯片內(nèi)建的功率檢測(cè)功能可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),常見(jiàn)的完整形式如圖3-9所示。
 
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圖3-9 常見(jiàn)的使用內(nèi)建功率檢測(cè)功能的電路形式
 
3.5.2. 芯片外圍的功率檢測(cè)電路
 
我們?cè)谶@里用單獨(dú)的一節(jié)來(lái)討論外圍的檢測(cè)電路,其實(shí)要講的就是Atheros的方案,因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)在是太有個(gè)性了,讓我們來(lái)一起見(jiàn)識(shí)一下吧。如圖3-10所示,就是Atheros常用的功率檢測(cè)方案。圖中的PC1就是一個(gè)印制耦合器(Printed Coupler),來(lái)自功率放大器的輸出信號(hào)LPF_OUT經(jīng)過(guò)耦合器,就在2,3腳感應(yīng)到高頻交變電壓,這個(gè)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(wú)線收發(fā)器就可以得到這個(gè)電壓值從而做作出相應(yīng)的動(dòng)作。
 
這里有一點(diǎn)需要注意的是,整流二極管D1一定要選擇工作頻率很高的二極管,例如這個(gè)設(shè)計(jì)中的SMS7630的工作頻率就達(dá)10GHz。
 
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圖3-10 Atheros常用的功率檢測(cè)方案
 
3.6. 增益控制
 
增益控制的作用就是可以改變功放電路的增益,從而能改變輸出功率。改變功率放大器最終輸出功率的方法有兩種,一種是無(wú)線收發(fā)器改變自身的輸出功率,另外一種就是改變功放電路的增益,在這里我們主要關(guān)注后者。通常功放芯片的增益控制管腳會(huì)有兩個(gè)或者兩個(gè)以上,分別改變的是第一級(jí)放大和第二級(jí)放大的增益值,圖3-11是典型的增益控制原理圖。來(lái)自收發(fā)器的控制信號(hào)PA_GAIN經(jīng)過(guò)R245和C248組成的RC濾波電路(濾除來(lái)自收發(fā)器的可能的交流成分)通過(guò)兩個(gè)電阻作用于功放芯片的GAIN_1和GAIN_2兩個(gè)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。
 
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圖3-11 典型的增益控制原理圖
 
3.7. 溫度檢測(cè)
 
溫度檢測(cè)功能在Ralink的方案中使用的很多,但是在Atheros的方案就未曾見(jiàn)過(guò)。這一功能可以檢測(cè)功放芯片的溫度,防止芯片溫度過(guò)熱而燒毀。另外一個(gè)更加重要的作用就是根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整功放電路的輸出功率。很多情況下,環(huán)境溫度的改變,會(huì)對(duì)功放芯片的輸出功率會(huì)造成比較大的影響,如果無(wú)線收發(fā)器通過(guò)溫度檢測(cè)電路得知當(dāng)前的溫度并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整自身的輸出功率或者改變功放的增益,就可以使功放電路在環(huán)境溫度改變時(shí)依然可保持穩(wěn)定的功率輸出,這對(duì)于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性是有好處的。
 
圖3-12給出的是Ralink的典型的溫度檢測(cè)電路。圖中的RT1是熱敏電阻,當(dāng)環(huán)境溫度改變時(shí),自身的阻值會(huì)發(fā)生變化,這樣,顯而易見(jiàn),TMP_DET的值就會(huì)發(fā)生變化,這樣,收發(fā)器就可以檢測(cè)到環(huán)境的溫度了。溫度檢測(cè)電路一般會(huì)放置在功放芯片的附近。
 
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圖3-12 Ralink常用的溫度檢測(cè)電路
 
3.8. 完整設(shè)計(jì)的功率放大電路
 
在以上的內(nèi)容中,我們討論了功率放大電路的各個(gè)組成部分,現(xiàn)在,讓我們將這些部分組合到一起,就可以完成功率放大電路的設(shè)計(jì)了,如圖3-13所示。我們來(lái)看一看,試一試能否找出之前的各部分,如果可以,那么你已經(jīng)基本了解Wi-Fi產(chǎn)品的一般功率放大電路的架構(gòu)了。
 
通常情況下,在功放芯片的Datasheet中會(huì)給出一份參考設(shè)計(jì),這對(duì)于我們的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。
 
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圖3-13 完整設(shè)計(jì)的射頻功率放大電路
 
第4章. 低噪聲放大器
 
低噪聲放大器在框圖1-1中位于收發(fā)切換器(Transmit/Receive Switch)和無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)之間,對(duì)天線感應(yīng)到的信號(hào)進(jìn)行放大,這樣才能使無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行有效的處理??梢哉f(shuō),低噪聲放大器的性能直接影響著整個(gè)設(shè)計(jì)的靈敏度。
 
低噪聲放大器的框圖如圖4-1所示,有四個(gè)部分組成,輸入回路,輸出回路,放大電路,增益控制,在以下的內(nèi)容中,我們將逐個(gè)討論。
 
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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,顧名思義,就可以知道其具有極低的噪聲系數(shù)。噪聲系數(shù)的物理含義是:信號(hào)通過(guò)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(gè)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(dòng)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)頻率變化引起的功率增益的波動(dòng),工作頻帶就是指放大器的正常工作的頻率范圍,動(dòng)態(tài)范圍是指放大器允許輸入的最小和最大功率范圍。
 
4.2. 低噪聲微波器件的選擇
 
芯片或者晶體管(場(chǎng)效應(yīng)管)的選擇,以下簡(jiǎn)稱微波器件的選擇,往往對(duì)于低噪聲放大器的設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的影響。我們先來(lái)看一看在我們公司的設(shè)計(jì)中,通常選用什么微波器件。表4-1和表4-2給出了Atheros和Ralink常用的低噪聲放大器微波器件。
 
我們不難發(fā)現(xiàn),這些器件的選擇沒(méi)有太多的共性,我們能看到有四種解決方案,第一種是采用微波三極管來(lái)實(shí)現(xiàn),第二種是使用專用低噪聲放大器芯片,第三種是集成在前端模塊(Frontend Module)中,第四種就是不使用低噪聲放大器。我們?cè)谶@里只討論采用晶體管和專用芯片的方法。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
表4-1 Atheros常用的低噪聲放大器微波器件
 
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表4-2 Ralink常用的低噪聲放大器微波器件
 
微波器件(晶體管或芯片)的參數(shù),基本上就決定了低噪聲放大器的性能,我們來(lái)看一下最常用的SGA-8343的參數(shù),如圖4-2所示。圖中給出的參數(shù)包括最大增益,噪聲系數(shù),S21,工作頻率,供電電壓,消耗的電流等等。對(duì)于專用的低噪聲放大器芯片,參數(shù)也基本如此,在這里我們就不詳細(xì)說(shuō)了。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖4-2 SGA-8343的參數(shù)表
 
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(huì)有匹配網(wǎng)絡(luò),但是Atheros好像是不走尋常路,很少看到低噪放的輸入匹配網(wǎng)絡(luò),而Ralink則不一樣,幾乎在每個(gè)設(shè)計(jì)中都中規(guī)中矩的使用Π型匹配網(wǎng)絡(luò),如圖4-3所示,就是Ralink常用的Π型匹配網(wǎng)絡(luò),我個(gè)人是比較推崇這種做法的。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(jì)是高性能的,也就是High-Performance。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖4-3 Ralink常用的Π型匹配網(wǎng)絡(luò)
 
4.4. 輸出回路
 
和輸入回路一樣,輸出回路通常也會(huì)放置匹配網(wǎng)絡(luò),同樣,Atheros一般還是不這樣做,他們最多會(huì)放置一個(gè)專有的印制帶通濾波器(Printed Band Pass Filter),Ralink的輸出回路上的Π型匹配網(wǎng)絡(luò)基本上會(huì)輸入回路上的一致,在這里不給出具體的形式了。
 
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(hào)強(qiáng)度較低時(shí),我們可以提高低噪聲放大器的增益,保證信號(hào)可以正常被接收;當(dāng)接收信號(hào)的強(qiáng)度較高時(shí),可以降低低噪聲放大器的增益,以免造成信號(hào)阻塞。這就是所謂的自動(dòng)增益控制(Auto Gain Control,AGC)同樣,這對(duì)于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性,是很重要的。
 
我為什么要把電源與增益控制放在同一節(jié)呢?因?yàn)榈驮肼暦糯笃鞯脑鲆媸且揽扛淖児╇婋妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)的,這樣就很容易理解了。學(xué)過(guò)模擬電路的都會(huì)知道,三極管放大電路的放大倍數(shù)和供電電壓有密切關(guān)系,對(duì)于芯片說(shuō)也同樣如此。圖4-4給出了常見(jiàn)的增益控制的電路形式。圖中的LNA_GAIN既是來(lái)自無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)增益控制信號(hào),又是低噪聲放大器的供電電源,C104是濾波電容,顯而易見(jiàn),低噪聲放大器的增益直接與LNA_GAIN的電壓有關(guān)。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖4-4 常見(jiàn)的增益控制的電路形式
 
4.6. 完整設(shè)計(jì)的低噪聲放大器
 
在這里,我要向大家展示的是一款設(shè)計(jì)十分細(xì)膩的低噪聲放大器,這也是我見(jiàn)過(guò)的設(shè)計(jì)最為優(yōu)秀的低噪聲放大器,就是來(lái)自某實(shí)際案例中的2.4GHz頻段的放大器,讓我們來(lái)一同領(lǐng)略它的風(fēng)采,如圖4-5所示。
 
圖中的LNA_GAIN是來(lái)自無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)的增益控制信號(hào),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(lái)自切換芯片(Switch)的LNA_IN通過(guò)低通濾波器之后經(jīng)由C218耦合至低噪聲放大器,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(jìn)行處理。
尤其值得我們注意的是,在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)性能優(yōu)秀的低噪聲放大電路。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖4-5 某實(shí)際案例中設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的功能就是進(jìn)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,我們分成四個(gè)部分來(lái)討論: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
 
切換芯片在結(jié)構(gòu)上,通常就是一個(gè)單刀雙擲的開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)擲向哪一邊決定于加在控制管腳上的電壓。切換芯片的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖5-1 切換芯片典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
 
在選擇切換芯片時(shí),我們主要關(guān)注以下幾個(gè)參數(shù):
 
  • 工作頻率
  • 切換速度
  • 關(guān)斷的隔離度
  • 導(dǎo)通的衰減
  • 能夠承受的功率
  • 控制電壓
  • 功率消耗
 
有一個(gè)比較奇怪的現(xiàn)象時(shí)我們很少看到在Datasheet中提到切換速度這樣的參數(shù)。在絕大多數(shù)設(shè)計(jì)中,幾乎無(wú)一例外的使用了NEC公司的uPG2179作為切換芯片(Switch),其典型參數(shù)如圖5-2 所示。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖5-2 切換芯片的典型參數(shù)
 
5.2. 發(fā)射與接收回路
 
切換芯片位于靠近天線的地方,決定著天線作為發(fā)射天線還是作為接收天線。功率放大器和低噪聲放大器都會(huì)直接與切換芯片相連,這樣,發(fā)射與接收回路上的匹配就是必不可少的。關(guān)注一下Atheros和Ralink的方案,會(huì)發(fā)現(xiàn),Atheros會(huì)在發(fā)射回路上放置Π型匹配網(wǎng)絡(luò),但是Ralink則不會(huì),一般就是通過(guò)電容直接耦合。
 
如圖5-3所示,就是Atheros的典型發(fā)射與接收回路SW10就是那顆切換芯片。LPF_OUT是來(lái)自功率放大器的輸出信號(hào),R186,C121與R194組成了Π型匹配網(wǎng)絡(luò),LNA_IN是送至低噪聲放大器的信號(hào),SWITCH_TX與SWICTH_RX這兩個(gè)信號(hào)的組合就控制著是打開(kāi)發(fā)射通路還是打開(kāi)接收通路。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖5-3 Atheros的典型的發(fā)射與接收回路
 
5.3. 天線回路
 
在5-4中我們已經(jīng)看到,在Atheros的方案中,會(huì)在天線回路中放置一個(gè)印制濾波器(Printed Filter),圖中的PF1就是Atheros專有的印制濾波器。同樣,Ralink一般也不會(huì)在天線回路中設(shè)置濾波器或匹配電路。
 
5.4. 控制信號(hào)的處理
 
我們已經(jīng)知道,圖5-4中的SWITCH_TX和SWITCH_RX是來(lái)自無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver)的控制信號(hào),是直流電壓,這樣,為了穩(wěn)定這個(gè)電壓值,避免造成切換器的誤動(dòng)作,我們一般會(huì)在控制通路上串聯(lián)一個(gè)電阻(或電感),一般是小于1K的電阻,并且在控制管腳的位置放置濾波電容(1-10pF),這樣,我們就可以很好的保證切換芯片沒(méi)有誤動(dòng)作,從而,我們就得到了如圖5-4所示的完整的切換電路的設(shè)計(jì)。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖5-4 完整設(shè)計(jì)的切換電路
 
第6章. 天線與天線連接器
 
在這一章里,我要講的不是天線的設(shè)計(jì),因?yàn)槟壳拔疫€不太懂天線設(shè)計(jì),而且天線設(shè)計(jì)是一個(gè)十分專業(yè)和復(fù)雜的學(xué)科。在這里我想要說(shuō)的其實(shí)就只是一個(gè)問(wèn)題:一定要在天線或者天線連接器的附近放置一個(gè)Π型匹配網(wǎng)絡(luò),這一點(diǎn)是我們做射頻設(shè)計(jì)的人必須要牢記的事實(shí)??匆幌翧theros 和Ralink的方案,會(huì)發(fā)現(xiàn)Π型匹配網(wǎng)絡(luò)是必不可少的,典型的設(shè)計(jì)如圖6-1所示。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖6-1 典型的天線連接器電路設(shè)計(jì)
 
第7章. 完整設(shè)計(jì)的射頻電路
 
在前面幾章的內(nèi)容中,我們分成五章分別講解了射頻電路的無(wú)線收發(fā)器(Radio Transceiver),功率放大電路(Power Amplifier,PA),低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA),收發(fā)切換電路(Transmit/Receive Switch),天線與天線連接器(Antenna And Connector),在每章的最后一節(jié),我們都給出了每一部分的完整設(shè)計(jì)。我想你已經(jīng)知道了——沒(méi)錯(cuò),只要把我們每個(gè)部分的完整設(shè)計(jì)組合在一起,那么我們就得到了Wi-Fi產(chǎn)品的一般射頻電路的完整設(shè)計(jì),我們不要急,我們?cè)賮?lái)回顧一下在本文一開(kāi)始提到的射頻設(shè)計(jì)框圖,如圖7-1。相信大家這時(shí)一定已經(jīng)可以把每一個(gè)部分細(xì)化,得到更加詳細(xì)的射頻設(shè)計(jì)框圖。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖7-1 射頻設(shè)計(jì)框圖
 
通過(guò)前面的討論,我們已經(jīng)知道,功率放大器是由帶通濾波器,Π型匹配網(wǎng)絡(luò),功率微波器件,增益控制,供電電路,功率檢測(cè),溫度檢測(cè)低通濾波器這些部分組成的;低噪聲放大器是由Π型匹配網(wǎng)絡(luò),低噪聲放大電路和增益控制組成的;收發(fā)切換器是由Π型匹配網(wǎng)絡(luò),切換芯片,濾波器組成的;天線和連線連接器部分是由Π型匹配網(wǎng)絡(luò)和連接器組成的。于是,我們得到了Wi-Fi產(chǎn)品一般射頻電路的詳細(xì)框圖,如圖7-2所示。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖7-2 射頻設(shè)計(jì)詳細(xì)框圖
 
現(xiàn)在,讓我們將各個(gè)模塊的詳細(xì)電路圖,看看我們得到了什么。沒(méi)錯(cuò),我們得到了完整的設(shè)計(jì)圖,如圖7-3所示。在這個(gè)原理圖中,我們?cè)O(shè)計(jì)的是一收一發(fā)的情況,如果是二發(fā)二收,那么原理圖就是兩個(gè)圖7-3,復(fù)制而已。
 
Atheros對(duì)Ralink,看WiFi產(chǎn)品的射頻電路設(shè)計(jì)
圖7-3 完整詳細(xì)的原理圖
 
由于時(shí)間有限,編寫(xiě)者水平更加有限,錯(cuò)誤之處在所難免,歡迎大家批評(píng)指正。
 
 
 
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