手机频率合成器电路分析

tvb2058 | 2008-09-22 10:09:34 阅读：5240

手机频率合成器电路分析

手机通常使用的为带锁相环的频率合成器。每个频率合成环路都包括5个基本的功能电路：基准时钟振荡器、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器和分频器。如图4-22所示。

设基准振荡信号为f1，设VCO输出信号为f2。分频器输出的信号为f2／N。整个环路的控制目的就是要使f1=f2／N

图4-24是诺基 3310手机的26MHzVCO电路。

另一种是由一个13MHz(26MHz、19．5MHz)石英晶体、集成电路和外接元件构成晶振振荡电路。
图4-25是爱立信T28手机的13MHz晶振振荡电路。由N234和13MHz晶体B320、变容二极管V322、V321等构成，该电路产生13MHz的信号，经N234模块处理后输出两路：一路经电容C300、C302到D300模块的15脚，给频率合成电路提供参考信号；另一路从N234的52脚输出，给逻辑电路提供逻辑时钟信号；
13MHz电路的控制信号VCXOCONT来自N800模块。

图4-26是摩托罗拉V998手机的26MHz振荡电路。由26MHz石英晶体Y230、变容二极管CR230及中频模块U913内部的振荡电路所组成。电路中，Y230是4脚晶体，其中三只脚是连在一起作为接地端，而另外一脚则作为输出，自动频率控制电压AFC从U913的J7端输出，U913的J8脚为供电端，U913振荡器产生
13MHz基准频率一路作为基准频率信号源去合成各种载频，另外一路则从U913的J6端输出送到中央处理器，作为手机的逻辑时钟。

图4-27是三星A188手机19.5MHz振荡电路。

由U101和石英晶体Y101等元件组成，石英晶体Y101的谐振频率(基准频率)为19.5MHz，在U101模块内进行1.5倍分频处理，得到频率合成的参考信号和逻辑电路的13MHz时钟信号。频率合成的参考信号从U101的C10脚输出；逻辑时钟信号从U101的H7脚输出。 U101的D10脚为供电端。
不管是VCO组件还是晶振组成的振荡电路，都需要AFC控制信号，AFC信号由逻辑电路中的DSP(数字语音处理器)输出。由于GSM手机采用时分多址(TDMA)技术，以不同的时间段(时隙)采区分用户，手机与系统保持时间同步就显得非常重要。如手机时钟与系统时钟不同步，则会导致手机不能与系统进行正常的通信。
在GSM系统中，公共广播控制信道(BCCH)包含频率校正信息与同步信息等。手机一开机，就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道，从中获取同步与频率校正信息。如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步，手机逻辑电路就会输出AFC信号。AFC信号改变13MHz电路中VCO两端的反偏压，使该VCO电路输出频率发
生变化。从而保证手机与系统同步。
常见手机所采用的基准时钟电路对比见下表。

2.鉴相器

低通滤波器简称LPF(LowPassFilter)。低通滤波器在频率合成环路中又被称为环路滤波器。它是一个RC电路。位于鉴相器与VCO电路之间，低通滤波器电路基本形式如图4-28所示。

低通滤波器通过对电阻电容进行适当的参数设置，使高频成分被滤除。由于鉴相器PD输出的不但包含直流控制信号，还有一些高频谐波成分。这些谐波会影响VCO电路的工作。低通滤波器就是要把这些高频成分滤除，以防止对VCO电路造成干扰。

1.VCO

当VCO处于正常工作状态时，VCO输出一个固定的频率。若某种外界因素如电压、温度导致VCO频率升高，则分频输出的信号为f2／N比基准信号n高，鉴相器检测到这个变化后，其输出电压减小，使变容二极管两端的反偏压减小。这使得变容二极管的结电容增大，振荡回路改变，VCO输出频率降低。若外界因素导致VCO频率下降，整个控制环路则执行相反的过程。

2.VCO

三、手机常用频率合成器电路

对于带发射VCO电路的手机，一本振VCO频率合成器产生一本振信号，一方面送到接收一混频电路，和接收信号进行混频，从混频器输出一中频信号。另一方面，产生一本振信号与发射VCO(TXVCO)输出的信号进行混频，输出发射中频参考信号，发射中频参考信号和发射己调中频信号在发射变换模块鉴相器中进行比较，输出包含发送数据的脉动直流信号，再去控制发射VCO电路。
对于带发射上变频电路的手机(较少，如诺基亚6110手机)，一本振VCO频率合成器产生一本振信号，一方面送到接收一混频电路，和接收信号进行混频，从混频器输出一中频信号。另一方面，产生的一本振信号直接与发射已调中频信号进行混频(因为没有发射VCO电路)，得到最终的发射信号。下面以松下GD90手机的一本振VCO频率合成电路为例进行说明，有关电路图见图4-29所示。

松下GD90手机的接收第一混频和发射的变换电路都要使用到RXVCO信号，而RXVCO电路由U302模块提供。U302模块可工作在GSM模式或DCS模式下，频段切换控制信号DCS-GSM通过Q301电路使U302工作在相应的模式下。U302的1脚是信号输出端；3脚是频段切换控制端；5脚是控制端；7脚是电源端。当U302工作于GSM频段时，从1脚产生1160~1185MHz的一本振信号。当U302工作于DCS频段时，从重脚产生1580--1665MHz的一本振信号。
U302的输出分为两路：一路到U101的39脚作为输出信号；另一路到锁相环U301的13脚作取样信号。该信号在U301内被分频，并与基准时钟信号进行比较，得到电压控制信号从U301的9脚输出，信号经电阻R302、R303和R304及电容C311等构成的低通滤波器电路到U302的5脚，通过改变U302内变容二极管两端的反偏压，从而控制U302的输出频率。
当逻辑电路通过SYNEN、SYNDATA、SYNCLK三条线改变U301中分频器的分频比时，U301的9脚的电压随之改变，U302的输出频率也随之改变，达到信道转换的目的。

对于超外差二次变频电路的接收电路：二本振VCO频率合成器的主要作用是产生二本振信号，送到接收二混频电路，与接收二混频电路输入的一中频信号进行混频，产生二中频信号。
对于超外差一次变频电路的接收电路：二本振VCO频率合成器的主要作用是产生二本振信号，送到接收解调电路，以解调出RXI／Q信号。
下面以松下GD90手机的二本振电路为例进行说明，有关电路图见图4-30所示。

二本振VCO电路(1FVCO)由VCO组件U303模块提供，U303的1脚是信号输出端，5脚是控制端，脚是电源端。U303电路将产生540MHz的二本振信号。
U303输出的信号分为两路：一路到U101的36脚作为输出信号；另一路到U301的4脚作取样信号。 U101的8脚输出中频VCO的控制信号。

发射中频VCO频率合成器主要是产生发射中频载波信号。手机在设计时，为了简化电路，发射中频频率合成器常和二本振VCO频率合成器合在一起，这样，二本振VCO频率合成器和发射中频VCO频率合成器就合成了一个电路。
另外，需要说明的是：发射VCO(TXVCO)电路从原理上分析也是一个频率合成器，前面已有分析，这里不再多述。发射中频VCO频率合成器二本振VCO频率合成器一本振VCO频率合成器在手机电路中，通常包含几个频率合成环路：一本振VCO频率合成环路(UHFVCO、RFVCO、RXVCO)、二本振VCO频率合成环路(1FVCO、VHFVCO等)、发射中频VCO频率合成环路等。不管是哪一个频率合成环路，其电路结构都基本一样，且它们的参考信号都来自基准频率时钟电路。上面是说明的是怎样使VCO输出的频率稳定。那怎样使VCO的频率能改变呢?在说明这个问题前，先解释一下为什么VCO的频率要改变这个问题。因为手机是移动的，移动到了另一个地方，为手机服务的小区(CELL)就变成了另一对频率，所以手机就必须改变自己的接收和发射频率。
VCO改变频率过程如下：手机在收到新小区的改变频率的信令以后，将信令解调、解码，手机的CPU就通过三条线(即CPU的SYNDAT、SYNCLK、SYNSTR脚)对锁相环电路发出改变频率的指令，去改变程控分频器的分频比，并且在极短的时间内完成。在这三条线的控制下，锁相环输出的电压就改变了，用这个己变大或变小了的电压去控制压控振荡器内的变容二极管，则VCO输出的频率就改变到新小区使用的频率上了。 频率的变频过程频率的稳定过程 二、频率合成器的基本工作过程鉴相器是将VCO输出信号与基准信号进行比较。在频率合成中，为了提高控制精度，鉴相器在低频下工作。而VCO输出频率是比较高的，为了提高整个环路的控制精度，就离不开分频技术。手机中的频率合成环路多，不同的频率合成环路使用的分频器不同：
接收机的第一本机振荡(RXVCO、UHFVCO、RFVCO)信号是随信道的变化而变化的，该频率合成环路中的分频器是一个程控分频器，其分频比受控于频率合成数据信号(SYNDAT＼SYNCLK、SYNSTR)。二本振VCO，也称中频VCO(1FVCO、VHFVCO)，信号是固定的，中频VCO频率合成环路中的分频器的分频比也是固定的。分频器输出的信号送到鉴相器，和基准时钟信号进行相位比较。分频器压控振荡器简称VCO(VoltageControlOscillator)。压控振荡器是一个“电压—频率”转换装置。它将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。顾名思义，VCO电路是一个电压控制电路。电压控制功能的完成是通过一个特殊的器件来完成的，这个器件就是变容二极管。
鉴相器输出的相差电压实际上是加在变容二极管两端的。当鉴相器输出发生变化时，变容二极管两端的反偏发生变化，导致变容二极管的结电容改变，VCO振荡回路改变，VCO输出频率也随之改变。在实际应用中，变容二极管为反向偏置使用，其线性好，可控范围大。
在手机电路中，VCO从电路形式上来说，有分离元件电路与VCO组件。但VCO组件采用的电路也基本与分立元件的VCO电路相似。相比较采说，摩托罗拉手机常使用分立元件的VCO电路，而其它手机则较多地采用了VCO组件。无论是分立元件还是VCO组件，一般都是一个电容三点式振荡电路。VCO在锁相环中比较重要，是频率合成及锁相环路的核心电路。它应满足这样一些特性：输出幅度稳定性要好，在整个VCO工作频带内均应满足此要求，否则会影响鉴相灵敏度；频率覆盖范围要满足要求且有余量；电压一频率变换特性的线性范围要宽。压控振荡器低通滤波器鉴相器简称PD、PH或PHD(PhaseDetector)。是一个相位比较器，它将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化，鉴相器输出的是一个脉动直流信号，这个脉动直流信号经低通滤波器(LPF)滤除高频成分后去控制VCO电路。
鉴相器是相位比较器，它对基准信号输入与VCO产生的信号输入进行相位比较，输出反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器多种多样，有数字的，也有模拟的。如双口鉴相器、鉴频鉴相器等。
当采用数字鉴相器时，由于其输出为双端口输出，：在与环路滤波器的连接上就成问题。通常在两者之间加人一个双端输人单端输出的，而且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路，这个电路被称为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉的GSM手机中，其发射频率合成器中基本上都使用了泵电路。
在频率合成器中，为了作精确的相位比较，鉴相器是在低频状态工作的。
在手机电路中，鉴相器通常与分频器被集成在一个专用的芯片中，这个芯片通常被称为PLL(锁相环)，或被集成在一个复合芯片中（即该芯片包含多种功能电路）。基准时钟振荡电路
手机基准时钟振荡电路，是手机的一个十分重要的电路，产生的13MHz时钟，一方面为手机逻辑电路提供了必要条件，另一方面为频率合成电路提供基准时钟。
手机的13MHz基准时钟电路，主要有两种电路：
一是专用的13MHzVCO组件，VCO组件一般有4个端El：输出端、电源端、AFC控制端及接地端。
图4-23是西门子2588手机的13MHzVCO电路。一、频率合成器的基本组成 在现代的移动通信中，常要求系统能够提供足够的信道，移动台也需能根据系统的控制变换自己的工作频率。这就需提供多个信道的频率信号，使用多个振荡器是不现实的。在实际电路中，通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。
将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术即为频率合成，或称为频率综合技术。

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