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低功率CMOS无线射频芯片设计要点

导读: 无线通讯市场的趋势一直朝向低成本、低消耗功率、小体积等目标。短距离装置产品更在无线传感器网络概念的推波助澜下,带动了射频芯片(RF IC)的需求量大增,射频收发器 (TRX)要达到低功耗设计,低电压工作是必要条件。

  无线通讯市场的趋势一直朝向低成本、低消耗功率、小体积等目标。短距离装置产品(Short-RangeDevices )更在无线传感器网络(sensor network) 概念的推波助澜下,带动了射频芯片(RF IC)的需求量大增,射频收发器 (TRX)要达到低功耗设计,低电压工作是必要条件,然而,电路的效能与工作电压有关,在兼顾到效能与低功耗之间,是一个很大的挑战。近年来,RF IC之制作技术日新月异。高速、低功率组件更是众所瞩目之焦点,目前0.13um RF CMOS工艺的晶体管,fT 值可达到60 GHz,这表示CMOS晶体管有足够的能力来处理高频信号,所以产业界的主流几乎以RF CMOS 技术,致力于低功率RF IC的优化与研究。

 

  本文将以笙科电子的2.4GHz IEEE 802.15.4 射频收发器 (适用于 Zigbee 标准,RF4CE则是基于Zigbee的遥控器应用规范) 为例,介绍超低功率CMOS无线射频芯片的设计概要,从电路设计到系统观点,向读者说明芯片设计和应用需要考虑的地方。该芯片设计考虑必须涵盖,通讯标准规格、电路的行为模式。在接收部分,介绍了2.4GHz 射频信号从天线接收后,进入LNA放大信号,经由Mixer,Filter,Limiter,RSSI,最后到达数字解调器,最后把接收数据存入RX-FIFO。另一方面,TX-FIFO内的数字信息经过VCO与双点差异积分调变器(two-point delta-sigma modulation) 调变,把调变后的射频信号透过PA放大,最后经由天线辐射出去,本文亦会从系统观点,提出天线与PCB硬件设计重点,加上软件控制,协助读者理解如何透过A7153实现低功耗的Zigbee 或 RF4CE射频网络。

  Zigbee 调变方式与PA设计的考虑

  2.4GHz Zigbee 标准定义250kbps展频(DSSS)数据传输速率,并采用偏移四相移键调变加半正弦脉波整型调变方式(Offset-QPSK with half-sine pulse shaping),其等效于最小频移键调变(MSK)。MSK相较于相移键调变(PSK)或正交分频多任务(OFDM),是一种恒包络(constant envelope)的调变方式,因此可以选用线性度不高但效率较高的功率放大器,以降低TX功耗。

  TX发射器设计考虑

  数字调变系统中,IQ调变是一种常见的架构。该架构将调变的Data分成IQ成分,经由半正弦脉波整型及数字模拟转换器(DAC)转成模拟IQ讯号。再透过四相混频器(quadrature mixer)升频至RF讯号。由于IQ讯号使用数字电路实现,因此有较准确的调变指数(modulation index),缺点是需要较多的电路。

  另一方面,由于2.4GHz Zigbee调变等效于MSK,而MSK可视为频移键调变(FSK)的一种,因此可以利用压控振荡器(VCO)来实现频移。由于不需要混频器等电路,因此得以降低电路复杂度及功耗。VCO调变设计有两种,其一为开回路(open loop),其二为闭回路(close loop)。开回路调变直接利用数据控制VCO频率,而未使用锁相回路(PLL)或将PLL断开。这样虽可拥有较低功耗,但因频率未被锁住,会有恼人的频漂(frequency drift)问题。

  相对而言,闭回路系统通常采用delta-sigma modulation,它的方法是改变PLL除频器的除数,进而改变锁相频率,其结果的VCO频率是牢牢被锁住的,因此可以解决频漂的问题。但是受到回路频宽(loop band-width)的限制,通常适用于低数据率的系统。想要利用闭回路架构达到高数据率,则可采用双点差异积分调变器(two-point delta-sigma modulation),即在差异积分调变上加入VCO调变。数据经由差异积分调变的路径上有低通(low pass)的效果,即高频数据会被滤掉。相对地,在VCO调变的路径上有高通(high pass)的效果。两者互补的结果,即可完整地调变数据。

  值得注意的是,VCO的电压对频率转换曲线,会因半导体工艺而有变异,因此需要额外的校正电路来校正频移量。若设计的VCO有较线性的电压对频率转换曲线,则可大大降低校正电路的复杂度。

  RX接收器设计考虑

  零中频(Zero-IF)及低中频(Low-IF)是易于实现整合型接收器的两种架构。零中频接收器是将RF讯号降频至基频(base-band),然后用模拟数字转换器(ADC)转成数字讯号,再用数字讯号处理器(DSP)将数据解调出来。由于中频频率为零,因此通道选择(channel selection)只需要用低Q值的低通滤波器,低Q值通道选择滤波器的消耗电流也相对较小。但零中频接收器也具有一些缺点,例如直流偏移(DC offset)及闪烁噪声(flicker noise)。为了解决这些问题,必须增加额外电路及功耗。

  低中频接收器则是将RF讯号降至适当的中频,以舒缓上述直流偏移及闪烁噪声等问题。但是低中频接收器则有映像干扰(image interference)的问题,因此低中频接收器需要映像抑制(image rejection)滤波器,同时,通道选择滤波器必须采用带通滤波器(BPF)。这使得滤波器所需的Q值较高,也比较耗电。

  FSK(或MSK)系统相较于ODFM或PSK,最大的优势就是简单的解调器,简单的解调器也代表了较低功耗设计。FSK调变可用非同调(non-coherent)解调。非同调解调器不需解调载波(carrier)、不用模拟数字转换器(ADC),也不需ADC之前的线性放大器或自动增益放大器(AGC),可大幅降低电路复杂度及功耗。但非同调解调的灵敏度较同调解调略差3dB,所以解调器的选择需依芯片接收灵敏度设计目标来取舍。

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