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电子电路大全(PDF格式)-第68部分
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频电路,在应用中需要稳定的基准频率时,把 CLKOUT 脚连接到 GP2/T0CK1 端输入上,并
且使用 TIMER0 模块。CLKOUT 的电压幅值由在CLKOUT 脚上的充电电容决定 (2V ,5pF )。
发射器采用充电泵 PLL 电路,充电泵 PLL 电路比典型电压相位检波器有更多的优点:
无限制的引入范围和稳定的相位零点,并且允许使用低成本和低噪声的无源回路滤波器。
在设计回路滤波器时应主要考虑回路的带宽,相位裕度和阻尼系数。选择一个窄的回路
带宽可以得到较低的激励电平,但也会降低锁定时间。同理,选择一个宽的回路带宽可得到
较快的锁定时间,但又会产生较高的激励电平。相位裕度它是衡量 PLL 稳定性的标准。典型
的回路滤波器的相位裕度应在 30 °~70 °之间。阻尼系数决定自然频率的包络线。
PLL 的输出给功率放大器(PA )。PA 的集电极开路的差动输出可直接驱动闭环天线
(
ANT1 、ANT2 ),也可以经过一个阻抗匹配网络改变成单端输出。引脚 ANT1 和 ANT2 为
集电极开路输出,它们必须通过负载上拉到 VDDRF 。PA 的差动输出应该匹配一个 1 kOhm的负
载电阻。当匹配不合理时会导致过度的干扰和谐波辐射。发射输出电压可以通过改变
PS/DATAASK 脚的电压(V )调节,可调节在 +2dBm 到 …12dBm 中的六个等分值之间。
PS
ASK 功率选择电路如图 1。4。5 所示,FSK 的功率选择电路如图 1。4。6 所示。在 FSK 的操作中,
PS/DATAASK 脚只能作为电压选择脚(PS )使用。PA/DATAASK 脚的功能为开启或关断 PA 。
分压网络上的 R1 和 R2 是确定 V (功率选择电压),以此达到选择发射器的输出功率。假如
PS
想得到最大发射器输出功率可以把引脚 GP0 和 PA/DARAASK 直接连接起来。表 1。4。3 列出
了R1 和 R2 在 ASK 和 FSK 模式下的典型值。
图 1。4。5 ASK 功率选择电路 图 1。4。6 FSK 功率选择电路
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·30 · 射频集成电路芯片原理与应用电路设计
表1。4。3 功率选择
发射器输出功率 发射器操作电流 功率选择电压 ASK FSK
/dBm /mA V /V R1/kOhm R2/kOhm R2/kOhm
PS
+2 11。5 ≥2。0 2。4 4700 ≥75
…1 8。6 1。2 6。8 4700 56
…4 7。3 0。9 11 4700 47
…7 6。2 0。7 15 4700 39
…10 5。3 0。5 2。4 4700 27
…12 4。8 0。3 4。3 4700 15
注意:1。 V 是 PS/DATAASK 脚上的实际电压。
PS
2。 功率选择电路包含内部 20 uA 的电流源。为了确定当发射 DATAASK=0 (VSSRF )时的输出功率为最小,请选择 R2
的值使在它上面的电压降小于0。1V 。
为了实现 ASK 操作,PA/DATAASK 脚的功能是控制功率放大器 PA 导通或关断。分压
网络上的R1 和 R2 是确定 V ,以此达到选择发射器的输出功率。假如想得到最大发射器输
PS
出功率可以把引脚GP0 和 PA/DARAASK 直接连接起来。
在 FSK 的操作中,PS/DATAASK 脚只能作为功率选择脚(PS )使用。一个 20 uA 的内
部电流源输出电流流入 PS/DATAASK 脚,通过电阻 R2 产生一个电压降,作为功率控制电压
(
V )控制发射输出功率。V 控制 PA 的偏置电流,高的发射功率需要较大的偏置电流。
PS PS
逻辑控制模式脚 RFENIN 控制着发射器的操作。当 RFENIN=1 时,发射器和 CLKOUT
工作。当 RFENIN=0 时,发射器和 CLKOUT 进入待机模式。在待机模式时发射机只需很小
的电流消耗。REFNIN 脚在内部有一个下拉电阻。
1。4。4 应用电路设计
一个 FSK 的应用电路如图 1。4。7 所示,工作频率 433。92 MHz ,输出功率+2 dBm 。电路可
根据控制输入信号来发射微控制器内的数据。
印制电路板设计时应注意:需要提供一个低阻抗电源和最小噪声辐射的地线。要求使用
双面 PCB 板,并把地线平面放在底层以减少无线电的辐射和串扰。旁路电容应尽量靠近相应
电源引脚VDD 和 VDDRF 。用一个单独的 PCB 通孔连接 VSS 和 VSSRF 。千万不要把 PCB 通
孔与复合地线相连。为减少电路中的分布电容,应避免平行线路的出现。线路应越短越好。
防止耦合应独立其各组成部分。使用接地线使各信号隔离、屏蔽时钟输出线、隔离 CLKOUT
信号和减少耦合。回路滤波器的组成部分尽可能地放在离 LF 脚近的地方,并保持线路尽可
能短。发射天线可印制在 PCB 上。
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第1 章 射频发射器芯片原理与应用电路设计 ·31 ·
图 1。4。7 FSK 的应用电路
1。5 315 MHz~433 MHz FSK/FM/ASK 发射器芯片
TH7107 的原理与应用电路设计
1。5。1 概述
TH7107 是一个单片 FSK/FM/ASK 发射器芯片,可工作在 310 MHz~440 MHz 频段,芯
片内集成了晶体振荡器、压控振荡器(VCO )、相频检波器、分频器、功率放大等电路。
FSK/FM/ASK 调制,FSK 调制通过拉动晶振进行调制,(DC~20 kb/s ),ASK 调制通过开/关
内部的功率放大器完成,
FM 调制利用外接的变容二极管。电源电压为2。1~5。5V,电流为4。8~
11。5mA,提供低功耗模式,可为微控制器提供分频的时钟输出,输出功率为…12~+2 dBm,
符合 EN 300 220 及类似标准。可用于无钥匙进入系统、遥控遥测系统、数据通信系统和安防
系统等。
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·32 · 射频集成电路芯片原理与应用电路设计
1。5。2 主要性能指标
TH7107 主要性能指标如表 1。5。1 所示。
表1。5。1 TH7107 主要性能指标
参 数 最 小 值 典 型 值 最 大 值 单 位
电源电压 2。2 5。5 V
工作温度 …40 +85 ℃
XOSC 频率 9。7 13。75 MHz
VCO 频率 310 440 MHz
时钟频率 2。4 3。4 MHz
待机电流 0。05 0。1 uA
工作电流 6 9 12 mA
输入高电平 0。7 V V +0。3 V
CC CC
输入低电平 …0。3 0。3 V V
CC
FSK 频偏 ±5 ±30 ±100 kHz
FSK 数据速率 20 kb/s
FM 频偏 ±6 kHz
ASK 数据速率 40 kb/s
VCO 增益 200 MHz/V
启动时间 1。2 ms
1。5。3 芯片封装及引脚功能
TH7107 采用 FC (QSOP16 )封装,如图 1。5。1 所示。各引脚功能分别介绍如下。
图 1。5。1 TH7107 的引脚封装形式
引脚 1:LF1 ,充电泵输出,连接到回路滤波器。
引脚 2 :SUB,地。
引脚 3 :DATA ,FSK 数据输入。
引脚 4 :RO2 ,晶体振荡器电路FSK 引入端。
引脚 5:RO1 ,晶体振荡器电路连接到晶体振荡器。
引脚 6 :ENTX ,模式控制输入。
引脚 7 :ENCK ,模式控制输入。
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第1 章 射频发射器芯片原理与应用电路设计 ·33 ·
引脚 8:CKOUT,时钟输出。
引脚 9 :PS ,电源选择和ASK 输入。
引脚 10:VCC ,电源。
引脚 11:VEE ,地。
引脚 12:OUT2,差分功率放大器输出,集电极开路。
引脚 13:OUT1,差分功率放大器输出,集电极开路。
引脚 14:VEE ,地。
引脚 15:VCC ,电源。
引脚 16:LF2 ,压控振荡器调谐输入,连接到回路滤波器。
1。5。4 内部结构与工作原理
TH7108 内部结构框图如图 1。5。2 所示。芯片内包含发射功率放大器(PA )、晶体振荡
器(XOSC )、压控振荡器(VCO )、相频检波器(PFD )、分频器(÷32 )、充电泵(CP )、
电源电路(PS )、FSK 开关(SW )等电路。锁相环(PLL )合成器由压控振荡器(VCO )、
分频器、相频检波器、充电泵和回路滤波器(LF )组成,在LF 端外接的回路滤波器决定
PLL 的动态性能。VCO 的振荡器信号被馈送到分频器和功率放大器,分频器的分频比是
32 。晶体振荡器(XOSC )作为 PLL 合成器的基准振荡器。射频发射功率 Po 从…12~+2 dBm
分 6 档,可以通过改变电阻 R 或者改变在 PS 引脚端的电压 V 调节。集电极开路的差动
ps ps
输出(OUT1 ,OUT2 )能被用来直接驱动环形天线或者通过平衡和不平衡变换器转换为
单端输出。发射器的载波频率f c 是由晶体振荡器的基准频率f ref 决定的,集成的 PLL 合成
器利用f ref = f c/N (N=32 ,分频器系数) ,保证在 310 MHz~440 MHz 的频率范围内的每一
个射频频点能够实现。
图 1。5。2 TH7107 的内部结构框图
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·34 · 射频集成电路芯片原理与应用电路设计
晶体振荡器作为PLL 的基准振荡器。FSK 调制通过拉动晶振的频率完成。FSK 调制时,
数据流加到 DATA 端,在数据= “LOW ”(低电平)时,外接的电容器CX2 被芯片内开关连
接到与 CX1 并联,晶体振荡器的频率被设置到振荡频率的低端f min ;在数据= “HIGH ”(高
电平)时,外接的电容器 CX2 被芯片内开关断开与 CX1 的并联,晶体振荡器的频率被设置
到振荡频率的高端f max ,实现 FSK 调制。两个外接的电容器 CX1 和 CX2 允许独立的调节 FSK
的频偏和中心频率。FM 调制需要一个外接的变容二极管,作为一个电容被串接到晶体振荡
器回路中,模拟信号通过一个串联电阻直接调制晶体振荡器。ASK 调制时,数据信号直接加
PS 端,利用数据信号控制功率放大器(PA )“导通”和“关断”,完成ASK 调制。
功率放大器(PA )的输出功率可以通过改变PS 端的外接电阻 RPS 的数值或改变在PS 端
的电压 V 完成。集电极开路的差分输出(OUT1;OUT2 )能直接驱动一个环形天线,或者通
PS
过一个平衡到不平衡的变换器转换为单端输出。
TH7108 模式控制逻辑如表 1。5。2 所示,模式控制允许芯片工作在四个不同的模式。模式
控制端 ENCK 和 ENTX 在芯片内部被下拉,以保证模式控制端 ENCK 和 ENTX 在浮置时,
电路被关断。
时钟输出端(CKOUT )的输出时钟信号可用来驱动微控制器,其频率是基准振荡频率的 1/8。
表1。5。2 TH7107 控制模式
ENCK ENTX 模式 电路状态
0 0 低功耗模式 待机状态
0 1 仅有发射 仅有发射功能,时钟不可用
1 0 仅有时钟 发射在待机状态,仅有时钟可用
1 1 所有电路导通 发射和时钟可用,工作状态
1。5。5 应用电路设计
TH7107 使用 PCB 天线的应用电路如图 1。5。3 所示,其印制板元器件布局见图 1。5。4 所示,元
器件参数值如表 1。5。3 所示。使用 50 Ohm天线的应用电路如图 1。5。5 所示,元器件参数如表 1。5。4 所示。
表1。5。3 应用电路元器件参数表
符 号 尺 寸 315 MHz 数值 433。6 MHz 数值 误 差
CF1 0805 12 nF 10 nF ±10%
CF2 0805 15 pF 12 pF ±10%
CX1_FSK 0603 39 pF 39 pF ±5%
CX1_ASK 0603 68 pF 68 pF ±5%
CX2 0603 1 nF 1 nF ±10%
CX3 0603 1 nF 1 nF ±2%
C1 1206 3。9 pF 3。9 pF ±2%
C2 0805 3。9 pF 2。2 pF ±10%
C3 0603 330 pF 330 pF ±10%
C4 0603 330 pF 330 pF ±20%
C5 1206 220 pF 220 nF ±10%
L1 0603 220 pF 220 nH ±10%
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第1 章 射频发射器芯片原理与应用电路设计 ·35 ·
续表
符 号 尺 寸 315 MHz 数值 433。6 MHz 数值 误 差
L2 0603 2。0 kOhm 2。0 kOhm ±10%
RF1 0805 4。3 kOhm 4。3 kOhm ±10%
RF2 0805 56 kOhm 56 kOhm ±10%
RPS 0805 470 kOhm 470 kOhm ±10%
R1 0805 30 kOhm 30 kOhm ±10%
R2 0805 0 Ohm 0 Ohm ±10%
R3 0805 4。7 kOhm 4。7 kOhm ±10%
RX
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