FSK收發(fā)器芯片MICRF500的原理與應(yīng)用

micrf500是用于ism（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)藥）和srdc（短距離設(shè)備）的專用發(fā)射和接收芯片,其頻率范圍為700mhz～1ghz,采用fsk（頻移鍵控）調(diào)制時(shí)的數(shù)據(jù)速率達(dá)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(yīng)用于遙測(cè)、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

micrf500采用44－lqfp（blq）封裝,各引腳功能如表1所列。

3內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理

micrf500的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yù)置比例分頻器（prescaler）、a計(jì)數(shù)器（acounter）、n計(jì)數(shù)器（ncounter）、m計(jì)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(dāng)micrf500處在接收模式時(shí),pll合成器產(chǎn)生本振振蕩（lo）信號(hào)。n、m和a計(jì)數(shù)器給出的本振振蕩頻率被分別存儲(chǔ)在no、mo和ao寄存器中。由于接收器是零中頻結(jié)構(gòu),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(dòng)正交混頻器對(duì)?；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(dòng)態(tài)范圍。

sallen－key rc濾波器能通過編程劃分成四個(gè)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(shí)輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)i和q信道信號(hào)的相對(duì)相位時(shí),如果i信道落后于q信道,fsk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(hào)超前q信道信號(hào),fsk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(hào)強(qiáng)度指示器）電路可用來顯示收到信號(hào)的強(qiáng)度級(jí)別。兩端的串行接口可用于對(duì)電路進(jìn)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(shí)現(xiàn)。

4應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

micrf500的應(yīng)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(hào)加到vco,vco和外圍元件工作于869mhz。ma4st－350－1141是macon制造的一個(gè)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(gè)基本的colpitts振蕩器,因而應(yīng)有一個(gè)外部諧振器和一個(gè)可變電感,諧振器可由電感l(wèi)1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(zhǔn),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(yù)老化且要有小的溫度系數(shù)。本設(shè)計(jì)采用10mhz晶振。

相位檢測(cè)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(shè)置的基準(zhǔn)窗口相比較。ref0～ref5為1時(shí),基準(zhǔn)窗口在0v;ref0～ref5為0時(shí),其基準(zhǔn)窗口的直流電壓最大。另外,基準(zhǔn)窗口能在兩者之間線性步進(jìn)地上升或下降。窗口的大小可等效為2個(gè)（ref6＝1）基準(zhǔn)臺(tái)階或4個(gè)（ref6＝0）基準(zhǔn)臺(tái)階。

實(shí)現(xiàn)fsk有三種方法：第一種是使用vco實(shí)現(xiàn)fsk調(diào)制,其對(duì)應(yīng)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(guān)在a、n和m分頻器兩組之間實(shí)現(xiàn),a、n和m值對(duì)應(yīng)到接收頻率和兩發(fā)射頻率。發(fā)射數(shù)據(jù)“0”時(shí),將對(duì)分頻器a0、n0和m0進(jìn)行編程;發(fā)射數(shù)據(jù)“1”時(shí),將對(duì)分頻器a1、n1和m1進(jìn)行編程;第三種則可通過加／減1到分配器a1來實(shí)現(xiàn),其頻偏與比較頻率相等,發(fā)射頻率的校準(zhǔn)可通過對(duì)a1、n1和m1進(jìn)行編程來實(shí)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(shè)計(jì)對(duì)優(yōu)化參數(shù)是很重要的,如調(diào)制速率、pll鎖定時(shí)間、帶寬和相位噪聲等。低位率通?？烧{(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(guān)分頻器（m、n和a）來實(shí)現(xiàn)。高調(diào)制率（超過2400bps）一般靠pll外調(diào)制來實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)時(shí)通常直接加到vco。此時(shí),回路濾波器的值可通過軟件進(jìn)行編程確定。

發(fā)射功率放大器是基本的ab類,最后一級(jí)是開集電極（oc）電路,因此應(yīng)外接一負(fù)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(dāng)偏置電阻值為1．5kω時(shí),偏置電流為50μa。最后一級(jí)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(guān)系,設(shè)計(jì)時(shí)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(jí),每級(jí)大約相差3db,可以通過控制字pa2－pa0來進(jìn)行控制。

為了預(yù)防干擾信號(hào)干擾功放,功放應(yīng)當(dāng)緩慢的導(dǎo)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(dāng)電源為3v時(shí),開關(guān)速率為2．6μs／pf。由于轉(zhuǎn)換功放開關(guān)會(huì)影響pll,所以開關(guān)速率必須與pll帶寬相對(duì)應(yīng)。

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(hào)可以放大到期望的輸出功率。通過設(shè)置位gc為“0”可以旁路緩沖級(jí)。

rf接收器的低干擾放大器可利用提升輸入信號(hào)來優(yōu)化頻率轉(zhuǎn)變過程。其主要目的是為了預(yù)防混頻器干擾。lan是一個(gè)兩級(jí)放大器,正常時(shí),在900mhz處可以獲得23db的增益,lan具有一個(gè)直流外饋環(huán),可為lan提供偏置。外接電容c26對(duì)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(shè)置bylan位為“1”可以旁路lan,這對(duì)強(qiáng)信號(hào)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(hào)的頻偏必須永遠(yuǎn)比頻漂大,且至少等于波特率加上頻漂。

限幅器是一個(gè)零點(diǎn)檢波器,其輸出為與i－q相位差相對(duì)應(yīng)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(shí)可用來檢測(cè)i和q信道信號(hào)之間的相位差。對(duì)于i信道,在限幅器輸出的每一個(gè)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(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)輸出被if信號(hào)每周期更新四次。如果i信道信號(hào)滯后于q信道,fsk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(shí),增加引腳18的電容（datac）可以減少rx數(shù)據(jù)信號(hào)濾波器的帶寬。濾波器的帶寬必須根據(jù)位率來進(jìn)行調(diào)整,這個(gè)功能一般通過rxfilt位來控制。

rssi（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）電路的輸出與代表rf輸入信號(hào)強(qiáng)弱的直流電壓相對(duì)應(yīng)。當(dāng)接收到的rf輸入信號(hào)使rssi輸出增加時(shí),rssi將作為信號(hào)的有無指示器而用于喚醒電路。無信號(hào)時(shí),電路將處于睡眠模式以長(zhǎng)電池壽命。

在編程時(shí),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(gè)80位編程寄存器組成。數(shù)據(jù)和第一有效位從regin線進(jìn)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(dāng)clkin信號(hào)為高電平時(shí),80位控制字首先讀入移位寄存器,然后通過regin信號(hào)（正的或負(fù)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(hào)的時(shí)序圖。

圖3中,在時(shí)序1時(shí),倒數(shù)第二位數(shù)據(jù)被時(shí)鐘信號(hào)裝入移位寄存器（‘1’）;在時(shí)序2時(shí),最后一位數(shù)據(jù)被時(shí)鐘信號(hào)裝入移位寄存器（‘1’）;時(shí)序3時(shí),通過regin信號(hào)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(jìn)入新的模式（tx模式）,并穩(wěn)定在這種新模式。在時(shí)序4時(shí),如果時(shí)鐘信號(hào)變低,功放將慢慢開啟以使rf輸出信號(hào)最小。在pa開啟前,pll處于可靠的鎖定狀態(tài)。而在lockdet被設(shè)置后,pa開啟。時(shí)序5時(shí),功率放大器將滿負(fù)荷開啟。時(shí)序6時(shí),一個(gè)新的控制字進(jìn)入移位寄存器。當(dāng)clkin為高時(shí),regin信號(hào)發(fā)生跳變以關(guān)閉功率放大器。時(shí)序7時(shí),功放關(guān)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(jìn)入一個(gè)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(dāng)clkin為高時(shí),regin上將不會(huì)出現(xiàn)跳變,此時(shí),新的控制字在任何時(shí)間內(nèi),都不影響收發(fā)器操作,它將按照自己的方式按時(shí)進(jìn) 入移位寄存器。