micrf009是micrel半导体公司推出的一种单芯片sk/ook(开关键控)射频接收器ic。该器件的性能主要在两个方面得到了提高,分别是灵敏度更高,达到了104dbm和关闭恢复速度更快(通常可达1ms)。与其它qwikradio系列产品相似,micrf009具有低功率工作和集成度高的特点。
一、micrf009特性
micrf009提供了固定模式(fix)和扫描模式(swp)两种工作模式。在fix模式下,该器件可用作常规的超外差式接收器,而在swp模式下,该器件则可利用专利性的扫描功能,对更宽范围内的射频频谱进行扫描。fix模式的选择性和灵敏度性能更佳,而swp模式则使micrf009能与低成本、精度较差的发射器协同工作。
图1. micrf009方框图
micrf009提供了所有後期探测(解调器)数据过滤功能,因而无需外部基带滤波器。用户可以在外部选择两种滤波器带宽之一,只需根据数据传输率和代码调制格式设定合适的滤波器即可。该ic器件的工作频率在300mhz到440mhz之间,数据传输率可高达2kbps(固定模式,manchester编码),天线射频重复辐射低。
由图1看出,micrf009主要由三部分组成∶uhf下转换器、ook解调器,以及参考时钟及控制逻辑。另外还含有两个电容器(cth, cagc),以及一个时序元件,如石英晶振或陶瓷谐振器。除了电源耦合电容和天线阻抗匹配网络外,它们是通过micrf009组成一个完整uhf接收器所需要的唯一外部元件。为了获得最佳性能,micrf009的应该与天线之间进行阻抗匹配,匹配网络只需额外增加两个或三个元件。
二、设计步骤
利用micrf009设计一个完整的uhf接收器,需要遵循以下5个基本步骤∶选择操作模式(固定模式和扫描模式)、选择参考振荡器、选择解调滤波器的带宽、选择cth电容器,以及cagc电容器。
1、第一步∶选择操作模式
(1)固定模式
在已经准确设置了发射频率的应用中,如使用了saw或石英晶体类元件的发射器,micrf009可以配置成标准的超外差(superheterodyne)接收器(固定频率)。在固定模式中,由於rf带宽很窄,接收机几乎不受干扰信号的影响。将swen管脚与地连接,就成为固定模式。
(2)扫描模式
当与低成本的lc发射器连接时,micrf009应该配置成扫描模式。在扫描模式下,电路拓扑依然是超外差,本机振荡器(lo)以大於数据率的频率扫过一个频段。该技术有效地提高了micrf009的rf带宽,允许将器件应用於发射器和接收器之间存在明显频率失调。
(misalignment)的环境,发射频率的变化可高达±0.5%。扫描模式下,在标称发射频率附近可捕获大约1.5%频带。即使发射器的频漂高达±0.5%,也不需要对接收机进行重新调节,也不会影响系统性能。
lo扫描技术不会影响if带宽,因此相对固定模式,其噪声性能不会降低。无论工作於固定模式或者扫描模式,if带宽为680khz。由於lo扫描过程所带来的局限性影响,扫描模式下的数据率上限大约为1250hz。在基於石英晶体的超外差接收机中,情况并非完全一直,它们只能在基於saw或石英晶体的发射器中运行。
扫描模式下,在安装过程中当较强的干扰信号出现在rf频段时,可能会出现频谱减少现象,这是因为该过程完整无缺地包括了扫描范围内的所有信号。在大多数应用中,micrf009可用来取代super-regenerative接收器。
2、第二步∶选择参考振荡器
micrf009的所有时序和调谐操作均源於内部colpitts参考振荡器,具体时序和调谐通过refosc管脚进行控制,操作方式从以下三种方法中选择其一∶
·连接一个陶瓷谐振器
·连接一个石英晶体
·通过一个外部时序信号驱动该管脚
所需的专用参考频率与两个因素有关,即系统发射频率,以及由swen管脚设定接收器的操作模式。
(1)石英晶体或陶瓷谐振器的选择
由於该ic已经包含了电容器,因此不要使用带有完整电容器的谐振器,另外也要特别注意确保选用低esr石英晶体。
如果ic运行於固定模式,建议选用晶体元件。假如工作於扫描模式,既可选择晶体元件,也可以选用陶瓷谐振器。使用石英晶体或陶瓷谐振器时,最小电压为300mvpp。
如果采用外部信号,该信号应该为ac耦合型,且其工作电压应局限於0.1vpp至1.5vpp内。
表1.固定模式下,典型发射频率对应的推荐参考晶体振荡器频率
表2.扫描模式下,典型发射频率对应的推荐参考晶体振荡器频率
(2)选择参考振荡器频率ft(固定模式)
对於任何超外差接收机,内部lo(本机振荡器)的频率flo与引入的发射频率ftx之间的差值应该等於if中心频率。对於给定的ftx,可以通过等式1算出flo∶
flo=ftx±0.86(ftx/315)┅┅┅ (1)
式中,频率ftx和flo的单位为mhz。注意,对於任何一个给定的ftx,flo有两个值,分别表示“高端混频”和“低端混频”。高端混频在相应频率上方产生了一个图像频率,低端混频在相应频率下方产生图像频率。
选取两个可接受的flo,使用等式2计算参考振荡器频率ft∶
ft= 2×flo/64.5┅┅┅(2)
频率ft单位为mhz。micrf009的refosc管脚连接一个频率为ft的石英晶体,其频率精确到小数点後四位已经足够。表1是micrf009在固定模式工作时的一些常见发射频率的ft值。
(3)选择refosc频率ft(扫描模式)
在扫描模式下选择参考振荡器频率ft比在固定模式下要简单得多。同时,频率参考元件的精度要求也很灵活。
在扫描模式,ft由等式3给出∶
ft=2×ftx/64.25┅┅┅(3)
在扫描模式下,精度为两位小数点的频率元件已经足够。在某些情况下,如果发射频率特别不精确,就必须采用一个晶体元件。
3、第三步∶选择cth电容器
为了达到逻辑电平数据限幅目的,需通过外部滤波电容器cth和片上开关电容器的电阻rsc对被解调信号的dc值进行压缩,具体参考micrf009方框图。
选择电容器cth的第一步是选择数据限幅电平时间常数,具体取决於一些系统问题,其中包括系统解码响应时间、数据编码结构等。
频率为315mhz时,rsc的有效电阻为145kω,该数值可以按照频率的大小线性缩放。在其它频率下,cth管脚的电源阻抗由等式4给出,其中ft的单位为mhz∶
rsc=145ω×9.7940/ft┅┅┅(4)
建议τ为码率的5倍。rsc的有效阻抗在315mhz频率下为145kω,该数值与频率大小成反比。在其它频率下,cth管脚的电源阻抗由等式5给出,这里ft的单位为mhz∶
cth =τ/rsc┅┅┅┅(5)
可见,一个±20%的标准x7r陶瓷电容器已经足够了。
4、第四步∶选择cagc电容器
带有agc的信号路径会增加输入的动态范围。agc信号的上升时间常数通过连接於micrf009的cagc管脚的cagc电容器的容量值进行外部设定。为了使系统范围最大,一定要使agc控制电压的纹波最小,一旦控制电压达到了静态值,agc控制电压的纹波最好低於10mvpp。因此,建议电容器的容值大於0.47μf。
谨慎地进行片上agc控制电压管理,将允许micrf009以占空比方式操作。将器件置於断电模式(shut管脚为高电平),agc电容器就被充电以维持一定电压。当操作恢复後,只有因为电容器泄漏而导致的电压降需要进行补充。当器件以一定占空比操作时,建议采用漏电较小的电容器。
为了进一步改善占空比操作,当该器件脱离断电状态後,其agc上拉电流和下拉电流必须立即被放大约10ms。这就折衷了agc电容器的电压下降,减少了恢复正确的agc电压所需的时间。其中,电流放大因子为45。
(1)在连续模式下选择cagc电容器
一般情况下,cagc电容器的推荐容量为0.47μf至4.7μf。注意,如果该电容器太大,agc对输入信号的反应可能会非常慢。agc的安静时间(达到完全放电状态,即0v电压)可以通过等式6得出∶
δt=1.333×cagc-0.44┅┅(6)
其中,cagc的单位为μf,δt的单位为秒。
(2)在占空比模式下选择cagc电容器
在断电状态下,当ic激活後,cagc电容器的电压降应该尽快补充。如上所述,micrf009在启动後,会按照45的因子上拉或下拉电流。该固定时间段基於参考振荡器频率ft。当ft=6.00mhz时,该时间为10.9ms,且与ft成反比。选择适当的cagc电容器容值以及断电时间的长短,使电压的下降在10ms内得以补充。
但是,电压降的极性是未知的,意味著agc电压可以上升,也可以下降。最坏情况是在恢复点电压下降,因为agc上拉电流大小仅仅是下拉电流的1/10。电压降低的具体大小可根据等式7算出∶
i/cagc=δv/δt┅┅┅(7)
其中,i为初始10ms(67.5μa)的agc上拉电流,cagc为agc电容器的容值,δt为降压恢复时间,δv为电压降。
例如,如果用户希望降压恢复时间为10ms,并选择了一个容值为4.7μf的cagc电容器,容许的电压降大约为144mv。
图2.cth管脚接口电路
表3.433.92mhz时解调器滤波器带宽与sel0的关系
5、第五步∶选择解调器滤波器的带宽
输入管脚sel0以二进制的步距控制解调器滤波器的带宽,即扫描模式为625hz至1250hz,固定模式为1250hz至2500hz,具体见表3。默认状态下,sel1与vss连接。注意,表1中的值为理论值。滤波器的带宽与频率成正比,因此其具体值取决於操作频率。
(1)电源旁路电容
强烈建议采用电源旁路电容。该电容应该连接於vddbb和vddrf之间,其引线也应该尽可能短。为了获得最佳效果,应将电源的vssrf与vssbb连接,将vddbb与vddrf连接(也就是说,应该让带通电流流经rf返回路径)。
(2)通过优化带通滤波器提高选择性
在本地噪声较大的环境中,可以在ant管脚和vssrf管脚之间连接一个固定值的带通网络,以提供额外的接收机选择性和输入过载保护。最小输入配置如图9所示,该设计可以提供某些滤波及必要的过载保护功能。
(3)数据抑制
在静止期间(没有信号),输出数据(do管脚)随噪声的大小随机突变。大多数解码器可以分辨出随机噪声和实际数据。对某些系统来说,这并不是一个问题。减少输出噪声的方法有3种∶
·通过模拟抑制提高解调器的阈值
·在没有数据的时候,通过数字抑制关闭输出
·通过输出滤波器滤除数据输出管脚的高频噪声杂波信号
最简单的方案是采取折衷的方法在cth管脚添加一些模拟抑制,或电压抑制,这样噪声就不会触发内部比较器。
图3.cagc管脚接口电路
图4.do管脚接口电路
图5.refosc管脚接口电路
图6.sel0/sel1/swen管脚(6a),以及shut管脚(图6b)接口电路
图7.天线输入阻抗与ic输入阻抗的匹配
一般情况下,20mv到30mv已经足够,这可以通过在cth管脚和vssbb或vddbb管脚之间连接一个几兆欧姆的电阻器来实现,具体阻值大小取决於所需的偏离极性。由於micrf009在内部比较器输出部分的接收器agc噪声始终是一致的(由agc进行设定),随著噪声强度的改变,偏离抑制要求也将改变。引入抑制将降低选择性,也会减小选择范围。因此,只有引入一定数量的偏离才足以使输出保持安静。典型抑制电阻器的范围为10m-6.8m欧姆。
6、i/o管脚接口电路
对於micrf009的不同i/o管脚,其接口电路如图2-8。为了简洁起见,图中的所有输入和输出管脚都没有标出esd保护电路。
7、天线阻抗匹配
天线输入阻抗与ic输入阻抗的匹配非常重要。如图7及表4所示,天线的输入阻抗依赖於频率。ant管脚可以通过图3所示的l形电流匹配为50欧姆。也就是说,在天线输入与地之间连接一个分流电感器,另一元件串联於天线的输入与ant管脚之间。
其中,电感器的值如表4,具体取决於pcb材料、pcb厚度、接地配置,以及布线路径的长度。表中数据的具体条件是∶pcb厚度0.031〃,板材为fr4,硬性板,底层接地,布线路径很短。其中,电感采用的是murata 和coilcraft公司的线绕型0603或0805表面安装电感器,当然,也可以采用任何品牌的高srf(自激频率)线绕型电感。
三、应用实例
图8为micrf009 uhf接收器ic的典型应用,该接收器连续工作於扫描模式,典型工作频率为315mhz,并可以通过选择适当的频率基准(y1),以及调节天线的长度进行定制。如果采用备选输入滤波器,c4的容值也将改变。如果数据率变化1kbps,r1的阻值也必须变化。图8的物料清单见表5,图9是对应的pcb布线图。
表4.匹配用分流电感器的技术参数
表5.应用实例的物料清单
图9.通过优化带通滤波器提高选择性的最小输入配置
李开新已经离职,不再担任360手机掌门人
显示屏业务热度依旧,小间距国内市场直逼海外
WCDMA的软搬迁软割接
当今世界谁的5G实力最强_看了就知道
半导体行业拯救者,系统级封装迎来好时光
基于MICRF009的UHF接收器设计
曝台积电将在第二季度末开始量产苹果A14处理器 并还握有苹果5G天线封装订单
富信数字晶体管DTA115E的主要特性
华为P50系列或成为明年最受期待的旗舰手机
关于电容频率的特性分析
不同仪表类型的安装方式有哪些
AR智能眼镜设计方案:AR眼镜芯片平台、光学方案
Cortex-M的RTOS中断优先级配置方案
什么是加密货币银行World Bit Bank
IBM沈丽琴:用开放的心态拥抱多元化,感受一个更多彩的世界
趁着第三代半导体的东风,紫外LED要做弄潮儿
内部人士:很多华为员工想去荣耀
动力电池充放电测试系统的工作模式说明
智慧公安信息化,加快建设移动警务体系
电源线的型号规格