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          頻率為700MHz~1GHz的FSK收發(fā)器芯片MICRF500的原理與應用

          作者: 時間:2018-09-12 來源:網(wǎng)絡 收藏
          1概述
            是用于ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)藥)和SRDC(短距離設備)的專用發(fā)射和接收芯片,其頻率范圍為MHz~,采用FSK(頻移鍵控)調(diào)制時的數(shù)據(jù)速率達128 kbauds,RF輸出功率為10dBm,靈敏度為-104dBm,接收模式電流消耗為12mA,發(fā)射模式電流消耗為50mA,低功耗模式電流消耗 2μA??蓮V泛應用于遙測、無線控制、無線數(shù)據(jù)中繼、無線控制系統(tǒng)、無線調(diào)制解調(diào)器和無線安全等系統(tǒng)中。
          2芯片封裝與引腳功能
            MICRF采用44-LQFP(BLQ)封裝,各引腳功能如表1所列。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201809/389003.htm

          3內(nèi)部結構與工作原理
            的內(nèi)部結構如圖1所示。該芯片內(nèi)含接收、發(fā)射和控制接口(ControlInterface)三部分。其中接收部分由低噪聲放大器(LNA)、混頻器、RC濾波器(RCFilters)、解調(diào)器(Demod)、RSSI等電路組成。發(fā)射部分由功率放大器(PA)、預置比例分頻器(Prescaler)、A計數(shù)器(Acounter)、N計數(shù)器(Ncounter)、M計數(shù)器(Mcounter)、壓控振蕩器(VCO)、相位檢波器(Phase Detector)、充電泵(Charge Pump)、晶體振蕩器(XCO)等電路組成。
            當500處在接收模式時,PLL合成器產(chǎn)生本振振蕩(LO)信號。N、M和A計數(shù)器給出的本振振蕩頻率被分別存儲在NO、MO和AO寄存器中。由于接收器是零中頻結構,因而用低功耗的集成低通濾波器作為通道濾波器。接收裝置中的低噪聲放大器(LNA)用于驅(qū)動正交混頻器對?;祛l器輸出饋送至兩路相同的相位積分信道。每條信道包括前置放大器、三階Sallet-Key RC低通濾波器和限幅器。主要信道的濾波器必須滿足電路的選擇性和動態(tài)范圍。
          Sallen-Key RC濾波器能通過編程劃分成四個不同的截止頻率:10kHz、30kHz、60kHz和200kHz。通過外圍電阻可以調(diào)整濾波器的截止頻率。解調(diào)器可解調(diào)I和Q信道的輸出并同時輸出一個數(shù)字信號。當檢測I和Q信道信號的相對相位時,如果I信道落后于Q信道,F(xiàn)SK調(diào)制頻率將位于本振振蕩頻率之上(數(shù)據(jù) “1”)。如果I信道信號超前Q信道信號,F(xiàn)SK調(diào)制頻率則位于本振振蕩頻率之下(數(shù)據(jù)“0”)。DATAIXO腳為接收器輸出。RSSI(接收信號強度指示器)電路可用來顯示收到信號的強度級別。兩端的串行接口可用于對電路進行編程。VCO諧振電路、晶體、反饋電容和VCO的FSK調(diào)制元件、回路濾波器、功放和濾波器的偏置電阻等外圍元器可用于RF輸入輸出的阻抗匹配和功率衰減。TX/RX的轉(zhuǎn)換則可通過二極管來實現(xiàn)。
          4應用電路設計
            MICRF500的應用電路如圖2所示,該電路的工作頻率為869MHz。電路中,收發(fā)器的調(diào)制信號加到VCO,VCO和外圍元件工作于869MHz。MA4ST-350-1141是MACON制造的一個專用變?nèi)荻O管,而BAR63則是西門子公司生產(chǎn)的二極管。

            由于VCO是一個基本的Colpitts振蕩器,因而應有一個外部諧振器和一個可變電感,諧振器可由電感L1和線性電容C13組成。
            晶體振蕩器的晶振是RF輸出頻率的基準,因而要求具有很好的相位和頻率穩(wěn)定性。晶體振蕩器通過調(diào)節(jié)可變電容C20可改變諧振頻率。要獲得小的頻偏,晶體要預老化且要有小的溫度系數(shù)。本設計采用10MHz晶振。
            相位檢測輸出被轉(zhuǎn)換成電壓并經(jīng)14腳(LDC)外電容C23的濾波后,產(chǎn)生的直流電壓與位Ref0-Ref5設置的基準窗口相比較。 Ref0~Ref5為1時,基準窗口在0V;Ref0~Ref5為0時,其基準窗口的直流電壓最大。另外,基準窗口能在兩者之間線性步進地上升或下降。窗口的大小可等效為2個(Ref6=1)基準臺階或4個(Ref6=0)基準臺階。
            實現(xiàn)FSK有三種方法:第一種是使用VCO實現(xiàn)FSK調(diào)制,其對應的發(fā)射頻率將被編程在分頻器A1、N1和M1中。在TX模式,DATAIXO端保持在三態(tài),直到開始發(fā)射數(shù)據(jù);第二種是通過開關在A、N和M分頻器兩組之間實現(xiàn),A、N和M值對應到接收頻率和兩發(fā)射頻率。發(fā)射數(shù)據(jù)“0”時,將對分頻器 A0、N0和M0進行編程;發(fā)射數(shù)據(jù)“1”時,將對分頻器A1、N1和M1進行編程;第三種則可通過加/減1到分配器A1來實現(xiàn),其頻偏與比較頻率相等,發(fā)射頻率的校準可通過對A1、N1和M1進行編程來實現(xiàn)。所有類型的FSK調(diào)制數(shù)據(jù)都從引腳端DATAIXO輸入。
            回路濾波的設計對優(yōu)化參數(shù)是很重要的,如調(diào)制速率、PLL鎖定時間、帶寬和相位噪聲等。低位率通常可調(diào)制在PLL內(nèi),而將回路鎖定在不同的頻率上則可通過開關分頻器(M、N和A)來實現(xiàn)。高調(diào)制率(超過2400bps)一般靠PLL外調(diào)制來實現(xiàn),設計時通常直接加到VCO。此時,回路濾波器的值可通過軟件進行編程確定。
            發(fā)射功率放大器是基本的AB類,最后一級是開集電極(OC)電路,因此應外接一負載電感(L2)。放大器的直流電流通過外接偏置電阻R14來調(diào)整。當偏置電阻值為1.5kΩ時,偏置電流為50μA。最后一級電路的偏置電流大約為15mA。
            阻抗匹配與天線的類型也有很大關系,設計時可采用最大輸出功率,并在功率放大器上接一約100Ω的阻抗。輸出功率可編程為8級,每級大約相差3dB,可以通過控制字Pa2-Pa0來進行控制。
            為了預防干擾信號干擾功放,功放應當緩慢的導通和截止。通過連接到24腳的電容C25可使偏置電流在限定范圍內(nèi)上升或下降。上升/下降電流典型值為 1.1μA,當電源為3V時,開關速率為2.6μs/pF。由于轉(zhuǎn)換功放開關會影響PLL,所以開關速率必須與PLL帶寬相對應。
            緩沖放大器通常連接到VCO和功率放大器之間。功率放大器的輸入信號可以放大到期望的輸出功率。通過設置位Gc為“0”可以旁路緩沖級。
            RF接收器的低干擾放大器可利用提升輸入信號來優(yōu)化頻率轉(zhuǎn)變過程。其主要目的是為了預防混頻器干擾。LAN是一個兩級放大器,正常時,在900MHz 處可以獲得23dB的增益,LAN具有一個直流外饋環(huán),可為LAN提供偏置。外接電容C26對所有的直流反饋環(huán)路均可起到退耦和穩(wěn)定作用。
            通過設置ByLAN位為“1”可以旁路LAN,這對強信號是非常有用的。
            混頻器在900MHz有12dB增益,在34、35和38、39腳中,每一路混頻器的輸出阻抗約為15kΩ。
            解調(diào)器解調(diào)出來的信號的頻偏必須永遠比頻漂大,且至少等于波特率加上頻漂。
            限幅器是一個零點檢波器,其輸出為與I-Q相位差相對應的值,波形是邊緣陡峭的方波。
            解調(diào)器的作用是解調(diào)I和Q信道輸出并產(chǎn)生數(shù)字量輸出,同時可用來檢測I和Q信道信號之間的相位差。對于I信道,在限幅器輸出的每一個邊沿(上升沿和下降沿),Q信道限幅器輸出的振幅均被采樣,反之也如此。解調(diào)器的輸出通過DATAIXO引腳來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)輸出被IF信號每周期更新四次。如果I信道信號滯后于Q信道,F(xiàn)SK調(diào)制頻率將位于LO頻率上方(數(shù)據(jù)“1”),而如果I信道超前Q信道,則FSK調(diào)制頻率將位于LO頻率下方(數(shù)據(jù)“0”)。
            解調(diào)器的輸入和輸出通過一階RC低通濾波器濾波并經(jīng)過斯密特觸發(fā)器放大來產(chǎn)生方波。在低位率時,增加引腳18的電容(DATAC)可以減少RX數(shù)據(jù)信號濾波器的帶寬。濾波器的帶寬必須根據(jù)位率來進行調(diào)整,這個功能一般通過RXFilt位來控制。
            RSSI(接收信號強度指示)電路的輸出與代表RF輸入信號強弱的直流電壓相對應。當接收到的RF輸入信號使RSSI輸出增加時,RSSI將作為信號的有無指示器而用于喚醒電路。無信號時,電路將處于睡眠模式以長電池壽命。
            在編程時,可用兩線(CLKIN和REGIN)式總線來編程電路,兩線串行總線接口可以控制分頻器、選擇TX的功率和RX以及合成器電路功能塊,其接口由一個80位編程寄存器組成。數(shù)據(jù)和第一有效位從REGIN線進入,第一位輸入為P1,最后一位輸入為P80。程序寄存器中的位安排如表2所列。

            當CLKIN信號為高電平時,80位控制字首先讀入移位寄存器,然后通過REGIN信號(正的或負的)裝入并行寄存器。其接收和發(fā)射模式可由電路直接指定。圖3所示是MICRF500中CLKIN、REGIN、內(nèi)部LOAD、INT和PA-C信號的時序圖。
            圖3中,在時序1時,倒數(shù)第二位數(shù)據(jù)被時鐘信號裝入移位寄存器(‘1’);在時序2時,最后一位數(shù)據(jù)被時鐘信號裝入移位寄存器(‘1’);時序3時,通過REGIN信號的轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生一內(nèi)部裝入脈沖,并將控制字裝入并行寄存器,從而使電路進入新的模式(TX模式),并穩(wěn)定在這種新模式。在時序4時,如果時鐘信號變低,功放將慢慢開啟以使RF輸出信號最小。在PA開啟前,PLL處于可靠的鎖定狀態(tài)。而在LOCKDET被設置后,PA開啟。時序5時,功率放大器將滿負荷開啟。時序6時,一個新的控制字進入移位寄存器。當CLKIN為高時,REGIN信號發(fā)生跳變以關閉功率放大器。時序7時,功放關閉以產(chǎn)生內(nèi)部裝入脈沖,并將新控制字裝入并行寄存器,從而使電路進入一個新的模式(節(jié)電模式),但CLKIN必須在產(chǎn)生內(nèi)部裝入脈沖后變低。當CLKIN為高時, REGIN上將不會出現(xiàn)跳變,此時,新的控制字在任何時間內(nèi),都不影響收發(fā)器操作,它將按照自己的方式按時進 入移位寄存器。



          關鍵詞: MICRF 1GHz 700 500

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