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這是一篇針對性很不強(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)，包括各個組成部分，如無線收發(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討論，都可以寫成一本很厚的書。

 

這篇文章具有一般性。雖然說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，在中國市場熱賣的無線路由器，無線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，本文也重在分析實(shí)際的電路結(jié)構(gòu)和選擇器件時應(yīng)該注意的問題，并沒有進(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)余時間編寫的（也可以說我用這種方式消磨時間），如果這篇文章能夠?yàn)榇蠹业墓ぷ鲙硪稽c(diǎn)幫助，那將是我最高興的事。

 

 

做技術(shù)的，講解某個設(shè)計(jì)的原理時，都會從講解框圖開始，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。

 

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（這是我個人的見解，不同的工程師可能會有不同的想法），藍(lán)色的虛線框內(nèi)統(tǒng)一看成是功率放大器部分。無線收發(fā)器（Radio Transceiver）一般是一個設(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(jìn)行功率放大，然后通過收發(fā)切換器（Transmit/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(jìn)行放大，這樣，放大后的信號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，我會將圖1-1中的各個部分逐個展開，將每一個都暴露在大家眼前，也會詳細(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，就可以對射頻的各個組成部分有一個比較清晰的認(rèn)識。

 

 

我把無線收發(fā)器（在本章的以下內(nèi)容中簡稱收發(fā)器）放在了第一個模塊，主要原因就是因?yàn)?，它一般會是一個設(shè)計(jì)的核心器件之一，有的時候還可能集成在CPU上，就會是一個設(shè)計(jì)中的最重要的芯片，同時，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，如果沒有參考設(shè)計(jì)，完全由我們自主設(shè)計(jì)的時候，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設(shè)計(jì)的無線性能。這樣，這一部分的設(shè)計(jì)講解起來會比較困難，可是還是想最先講解這里。

 

收發(fā)器通常會有很多的管腳，在如圖2-1中，我只給出了射頻電路設(shè)計(jì)時會關(guān)注的管腳，可以看到，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，在接下來的內(nèi)容中，我會把這些管腳分模塊逐個講解。

 

圖2-1 一般的無線收發(fā)芯片（射頻電路設(shè)計(jì)相關(guān)）

 

 

不同的設(shè)計(jì)，收發(fā)器一般會很不一樣，我們大多數(shù)時候都不會想著去更換它。一般我們選用收發(fā)器，會直接按照參考設(shè)計(jì)進(jìn)行，盡管如此，我還是像從一個研發(fā)人的角度出發(fā)，說一說，在選擇無線收發(fā)器時應(yīng)該關(guān)注的一些參數(shù)（射頻電路相關(guān)的參數(shù)）。

 

 

在收發(fā)器的Datasheet中，一般會在開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，大家也應(yīng)該體會得到，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（一般來說都會兼容802.11b/g）。同時，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，最高的傳輸速率可以達(dá)到300Mbps。

 

 

調(diào)制方式和傳輸速率是密切相關(guān)的，不同的傳輸速率對應(yīng)著不通的調(diào)制方式。芯片支持的調(diào)制方式一般會在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。

 

 

時鐘頻率，時鐘頻率包括兩種，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。

 

 

有一個現(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)動功率放大器，這樣，我們才能夠設(shè)計(jì)合理有效的放大器。

 

 

和輸出功率一樣，收發(fā)器接收靈敏度這項(xiàng)參數(shù)也不會在Datasheet中給出，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，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。

 

 

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)。一般來說，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的方案還會有PA溫度檢測管腳。

 

 

從全局的角度看，供電電壓與功耗同樣會是我們不得不關(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)。

 

 

對于射頻信號，為了增強(qiáng)收發(fā)器的抗干擾能力，一般會采用差分信號的處理方式，也就是說，收發(fā)器會以差分形式將信號發(fā)送出去，同時外部電路也必須為收發(fā)器提供差分射頻信號的輸入。如圖2-2所示，紅色方框內(nèi)的四只管腳就是這個收發(fā)器的差分射頻信號的輸入，輸出管腳，也是最重要的射頻信號管腳。

 

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，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和圖2-4分別給出了RT3052（Ralink）和AR9220（Atheros）的主要射頻信號管腳。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，也會發(fā)現(xiàn)，Atheros考慮的問題很周全，我想，這也是我們作為研發(fā)人應(yīng)該具備的一種精神。

 

圖2-3 RT3052的主要射頻信號管腳

 

圖2-4 AR9220的主要射頻信號管腳

 

2.2.2. 收發(fā)器發(fā)送的差分信號
 

收發(fā)器發(fā)送的差分信號，我們要想辦法把他們合二為一。為什么要這樣做，收發(fā)器送出的信號是要給功率放大電路的，功率放大電路處理的是單端信號。

 

平衡器通常用來處理差分信號的問題，除此之外，我們知道，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)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

 

 

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，其主要的參數(shù)如下：

 

 

例如，常用的平衡器HHM1711D1典型參數(shù)如圖2-7所示。這樣我們在設(shè)計(jì)是就可以根據(jù)我們的需求選擇合適的平衡器了。

 

圖2-7 HHM1711D1的典型參數(shù)

 

 

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(jìn)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；Ralink的方案中，至今還沒有使用過。

 

其實(shí)大家也一定想到了，收發(fā)器接收信號和收發(fā)器發(fā)送信號差不多就是互為逆過程，因此電路的結(jié)構(gòu)也差不多是相反的。沒錯，看了下面的實(shí)際電路圖就知道了。 先來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(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?？梢钥闯?，這兩種設(shè)計(jì)方法大同小異。

 

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

 

 

收發(fā)器一般會有很多個電源管腳，可以大概分為幾類，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。

 

在射頻電路設(shè)計(jì)中，我們一般會比較關(guān)注的是模擬電源。對于射頻電路的供電，如果讓我在線性穩(wěn)壓電源（LDO）和開關(guān)電源（DC/DC）之間選擇，那么我會毫不猶豫的選擇線性電源。

 

 

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，對電源的要求也就比較苛刻，我到科技市場轉(zhuǎn)了一圈發(fā)現(xiàn)了一款做工精良的開關(guān)電源，當(dāng)時我就被這個家伙華麗的外表欺騙了，毫不猶豫地買了下來?？墒钱?dāng)我完整設(shè)計(jì)后，接通電源，從收音機(jī)里面?zhèn)鱽淼牟皇菒偠囊魳仿?，而是令人極度反感的“嗡嗡”聲，巨大的交流聲。為了解決這個問題，我?guī)缀踅g盡腦汁，把有可能造成問題的部分都重新設(shè)計(jì)了，可是問題依然沒有解決。后來，我突然意識到：“是不是開關(guān)電源的問題？”剛好手頭有一臺車載電臺的電源（大功率線性穩(wěn)壓電源），當(dāng)我把這個電源接上去之后，哇，整個世界都安靜了！開關(guān)電源害得我不但損失了一些錢，還浪費(fèi)了我大量的時間，從那以后，我的設(shè)計(jì)再也沒用過開關(guān)電源。

 

對于收發(fā)器的電源管腳，通常的處理方法就是在每個電源的管腳處都放置一個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，如果條件允許的話，最好放置電解電容，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。

 

 

回想一下，我們在前面的敘述中講解了如何選擇收發(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(jì)的內(nèi)容，也就是說，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，讓我們來試一下，在圖2-2那個芯片的外圍放置一些器件，再連上幾條線，完成無線收發(fā)器及其外圍電路設(shè)計(jì)。在這里，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。這樣，就得到了如圖2-11所示的原理圖。

 

圖2-11 完整設(shè)計(jì)的無線收發(fā)器外圍電路

 

 

功率放大器，Power 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(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)是一個十分專業(yè)的話題，也有很多人，很多高級的射頻工程師在這方面進(jìn)行過十分深入的研究，我在這里只針對我們的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非就是一顆芯片配上幾顆外圍的器件，但是在大功率的場合，幾乎不會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)出來的，晶體管或場效應(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。

 

圖3-1 功率放大器的框圖

 

功率放大器的設(shè)計(jì)會考慮很多參數(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)系著信號質(zhì)量。

 

我在這里把功率放大器（在本章的以下內(nèi)容中簡稱功放）分為以下幾個部分進(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，增益控制，溫度檢測。

 

 

功放芯片屬于微波功率器件的范疇，圖3-2給出了一個典型的功放芯片的原理圖符號，包括以下管腳：

 

 

圖3-2 典型的功放芯片

 

值得注意的是，GAIN_1和GAIN_2是來自收發(fā)器（Transceiver）的控制信號，是直流電壓，POWER_DETECT是功放芯片輸出的發(fā)射功率檢測值，也是直流電壓，而RFIN和RFOUT是最重要的射頻信號管腳。

 

 

在市場上的產(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給出了幾個實(shí)際項(xiàng)目中所采用的功放芯片的型號。

 

表3-1 Atheros的設(shè)計(jì)中采用的功放芯片

 

表3-2 Ralink的設(shè)計(jì)中采用的功放芯片

 

通過以上表格，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。

 

 

功放芯片的選擇是一個復(fù)雜的過程，在實(shí)際的選擇過程中，我們一般會考慮如下的幾項(xiàng)參數(shù)：

 

 

以上的這些參數(shù)，并不是在每顆功放芯片的Datasheet中都會完整給出，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，我在這里就不做過多的解釋了。一個典型的功放芯片的Datasheet（片段）如下：

 

 

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，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，我們會選擇最便宜的

 

 

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，為什么呢？這是因?yàn)檫@是為芯片內(nèi)的功率晶體管（或場效應(yīng)管）供電的管腳，通常在分離元件組成的功率放大電路中，我們都會看到在晶體管的集電極（或者場效應(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。

 

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題，另一個值得注意的就是，功放電路處理的模擬信號，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。另一個極為重要的問題是，如圖3-3所示，在每個電源管腳處，都需要放置一個濾波電容組合，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。對于VC1和VC2這兩個管腳，要注意，放置的濾波電容容量要較小，通常在1-10pF。

 

 

功放電路的輸入回路一般包括兩個部分，一個是帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF），一個是Π型匹配網(wǎng)絡(luò)，我們分開兩部分來講。

 

 

我們知道，2.4GHz頻段的子載波有13個，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）輸出的信號包括了從2.412GHz到2.437GHz這樣的一個頻率帶，因此，為了能夠使有用的信號順利地進(jìn)入功放芯片，無用的雜亂信號被濾除，一般會在功放芯片的輸入回路上放置一個帶通濾波器。

 

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)算過程，也需要較強(qiáng)的數(shù)學(xué)功底，我們在這里不進(jìn)行過多的研究。接下來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：

 

 

通常情況下，成品的帶通濾波器，輸入和輸出阻抗都會控制在50歐姆的標(biāo)稱值，對于通頻帶相關(guān)特性，一張圖表足以反映出來。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，對于通頻帶以外的頻率，衰落的很快。

 

圖3-4 HMD845H的S21參數(shù)

 

 

匹配，這件事在射頻設(shè)計(jì)中是極其重要的，很多時候，我們設(shè)計(jì)或者調(diào)試射頻電路，都是在解決匹配的問題，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這個管腳處，通常芯片的管腳不會匹配到50歐姆，我們也不會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)。

 

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組成部分，帶通濾波器和Π型匹配網(wǎng)絡(luò)，有了這兩個部分，我們就可以設(shè)計(jì)一個完整的輸入回路了。如圖3-6所示，就是一個設(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Π型匹配網(wǎng)絡(luò)。

 

圖3-6 完整設(shè)計(jì)的功放電路的輸入回路

 

 

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，這時可能有人會問，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？原因很簡單，這里的低通濾波器要解決的主要問題時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題就是匹配問題。其實(shí)，在射頻電路的設(shè)計(jì)中，匹配的這個問題會一直伴隨著我們。

 

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多的理論知識，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)一般會使用三個元件，而Ralink一般會使用五個元件。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

 

這時，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。

 

圖3-8 完整設(shè)計(jì)的功率放大器輸出回路

 

 

功率檢測功能在我們的很多設(shè)計(jì)中都可以找到，這項(xiàng)功能可以使無線收發(fā)器（Radio Transceiver）時刻監(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，無線收發(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)定在一個固定的值。

 

功率檢測電路輸出的是直流電壓值，這個電壓值送給無線收發(fā)器之后，無線收發(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功能之外，一般還會有一種Atheros特有的設(shè)計(jì)，我們將分成兩部分討論。

 

 

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。使用芯片內(nèi)建的功率檢測功能可以簡化電路設(shè)計(jì)，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

 

 

我們在這里用單獨(dú)的一節(jié)來討論外圍的檢測電路，其實(shí)要講的就是Atheros的方案，因?yàn)檫@個設(shè)計(jì)實(shí)在是太有個性了，讓我們來一起見識一下吧。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(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，例如這個設(shè)計(jì)中的SMS7630的工作頻率就達(dá)10GHz。

 

圖3-10 Atheros常用的功率檢測方案

 

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有兩個或者兩個以上，分別改變的是第一級放大和第二級放大的增益值，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

 

 

溫度檢測功能在Ralink的方案中使用的很多，但是在Atheros的方案就未曾見過。這一功能可以檢測功放芯片的溫度，防止芯片溫度過熱而燒毀。另外一個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，會對功放芯片的輸出功率會造成比較大的影響，如果無線收發(fā)器通過溫度檢測電路得知當(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)境溫度改變時依然可保持穩(wěn)定的功率輸出，這對于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性是有好處的。

 

圖3-12給出的是Ralink的典型的溫度檢測電路。圖中的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，這樣，收發(fā)器就可以檢測到環(huán)境的溫度了。溫度檢測電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

 

 

在以上的內(nèi)容中，我們討論了功率放大電路的各個組成部分，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中會給出一份參考設(shè)計(jì)，這對于我們的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

 

圖3-13 完整設(shè)計(jì)的射頻功率放大電路

 

 

低噪聲放大器在框圖1-1中位于收發(fā)切換器（Transmit/Receive Switch）和無線收發(fā)器（Radio Transceiver）之間，對天線感應(yīng)到的信號進(jìn)行放大，這樣才能使無線收發(fā)器進(jìn)行有效的處理?？梢哉f，低噪聲放大器的性能直接影響著整個設(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，我們將逐個討論。

 

圖4-1 低噪聲放大器的框圖

 

 

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，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。
 

 

芯片或者晶體管（場效應(yīng)管）的選擇，以下簡稱微波器件的選擇，往往對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。我們在這里只討論采用晶體管和專用芯片的方法。

 

表4-1 Atheros常用的低噪聲放大器微波器件

 

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)說了。

 

圖4-2 SGA-8343的參數(shù)表

 

 

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。

 

圖4-3 Ralink常用的Π型匹配網(wǎng)絡(luò)

 

 

和輸入回路一樣，輸出回路通常也會放置匹配網(wǎng)絡(luò)，同樣，Atheros一般還是不這樣做，他們最多會放置一個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)基本上會輸入回路上的一致，在這里不給出具體的形式了。

 

 

增益控制的作用是很明顯的，當(dāng)接收到的信號強(qiáng)度較低時，我們可以提高低噪聲放大器的增益，保證信號可以正常被接收；當(dāng)接收信號的強(qiáng)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）同樣，這對于提高產(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╇婋妷簛韺?shí)現(xiàn)的，這樣就很容易理解了。學(xué)過模擬電路的都會知道，三極管放大電路的放大倍數(shù)和供電電壓有密切關(guān)系，對于芯片說也同樣如此。圖4-4給出了常見的增益控制的電路形式。圖中的LNA_GAIN既是來自無線收發(fā)器（Radio Transceiver）增益控制信號，又是低噪聲放大器的供電電源，C104是濾波電容，顯而易見，低噪聲放大器的增益直接與LNA_GAIN的電壓有關(guān)。

 

圖4-4 常見的增益控制的電路形式

 

 

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，這也是我見過的設(shè)計(jì)最為優(yōu)秀的低噪聲放大器，就是來自某實(shí)際案例中的2.4GHz頻段的放大器，讓我們來一同領(lǐng)略它的風(fēng)采，如圖4-5所示。

 

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。

 

圖4-5 某實(shí)際案例中設(shè)計(jì)精良的低噪聲放大器

 

 

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，我們分成四個部分來討論：芯片的選擇，發(fā)射與接收回路，天線回路，控制管腳的處理。

 

 

切換芯片在結(jié)構(gòu)上，通常就是一個單刀雙擲的開關(guān)，開關(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。

 

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，我們主要關(guān)注以下幾個參數(shù)：

 

 

有一個比較奇怪的現(xiàn)象時我們很少看到在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。

 

圖5-2 切換芯片的典型參數(shù)

 

 

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，會發(fā)現(xiàn)，Atheros會在發(fā)射回路上放置Π型匹配網(wǎng)絡(luò)，但是Ralink則不會，一般就是通過電容直接耦合。

 

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是來自功率放大器的輸出信號，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，SWITCH_TX與SWICTH_RX這兩個信號的組合就控制著是打開發(fā)射通路還是打開接收通路。

 

圖5-3 Atheros的典型的發(fā)射與接收回路

 

 

在5-4中我們已經(jīng)看到，在Atheros的方案中，會在天線回路中放置一個印制濾波器（Printed Filter），圖中的PF1就是Atheros專有的印制濾波器。同樣，Ralink一般也不會在天線回路中設(shè)置濾波器或匹配電路。

 

5.4. 控制信號的處理
 

我們已經(jīng)知道，圖5-4中的SWITCH_TX和SWITCH_RX是來自無線收發(fā)器（Radio Transceiver）的控制信號，是直流電壓，這樣，為了穩(wěn)定這個電壓值，避免造成切換器的誤動作，我們一般會在控制通路上串聯(lián)一個電阻（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有誤動作，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)。

 

圖5-4 完整設(shè)計(jì)的切換電路

 

 

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)是一個十分專業(yè)和復(fù)雜的學(xué)科。在這里我想要說的其實(shí)就只是一個問題：一定要在天線或者天線連接器的附近放置一個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)。看一下Atheros 和Ralink的方案，會發(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。

 

圖6-1 典型的天線連接器電路設(shè)計(jì)

 

 

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——沒錯，只要把我們每個部分的完整設(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，我們再來回顧一下在本文一開始提到的射頻設(shè)計(jì)框圖，如圖7-1。相信大家這時一定已經(jīng)可以把每一個部分細(xì)化，得到更加詳細(xì)的射頻設(shè)計(jì)框圖。

 

圖7-1 射頻設(shè)計(jì)框圖

 

通過前面的討論，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，溫度檢測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。

 

圖7-2 射頻設(shè)計(jì)詳細(xì)框圖

 

現(xiàn)在，讓我們將各個模塊的詳細(xì)電路圖，看看我們得到了什么。沒錯，我們得到了完整的設(shè)計(jì)圖，如圖7-3所示。在這個原理圖中，我們設(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圖7-3，復(fù)制而已。

 

圖7-3 完整詳細(xì)的原理圖

 

由于時間有限，編寫者水平更加有限，錯誤之處在所難免，歡迎大家批評指正。