射頻芯片的工作原理與電路分析

傳統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一部可支持打電話、發(fā)短信、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、APP 應(yīng)用的手機(jī)，一般包含五個(gè)部分部分：射頻部分、基帶部分、電源管理、外設(shè)、軟件。

射頻：一般是信息發(fā)送和接收的部分;

基帶：一般是信息處理的部分;

電源：一般是節(jié)電的部分，由于手機(jī)是能源有限的設(shè)備，所以電源管理十分重要;

外設(shè)：一般包括 LCD，鍵盤(pán)，機(jī)殼等;

軟件：一般包括系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)、中間件、應(yīng)用。

在手機(jī)終端中，最重要的核心就是射頻芯片和基帶芯片。射頻芯片負(fù)責(zé)射頻收發(fā)、頻率合成、功率放大;基帶芯片負(fù)責(zé)信號(hào)處理和協(xié)議處理。那么射頻芯片和基帶芯片是什么關(guān)系?

射頻芯片和基帶芯片的關(guān)系

先講一下歷史，射頻(Radio Frenquency)和基帶(Base Band)皆來(lái)自英文直譯。其中射頻最早的應(yīng)用就是 Radio——無(wú)線廣播(FM/AM)，迄今為止這仍是射頻技術(shù)乃至無(wú)線電領(lǐng)域最經(jīng)典的應(yīng)用。

基帶則是 band 中心點(diǎn)在 0Hz 的信號(hào)，所以基帶就是最基礎(chǔ)的信號(hào)。有人也把基帶叫做“未調(diào)制信號(hào)”，曾經(jīng)這個(gè)概念是對(duì)的，例如 AM 為調(diào)制信號(hào)(無(wú)需調(diào)制，接收后即可通過(guò)發(fā)聲元器件讀取內(nèi)容)。

但對(duì)于現(xiàn)代通信領(lǐng)域而言，基帶信號(hào)通常都是指經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制的，頻譜中心點(diǎn)在 0Hz 的信號(hào)。而且沒(méi)有明確的概念表明基帶必須是模擬或者數(shù)字的，這完全看具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

言歸正傳，基帶芯片可以認(rèn)為是包括調(diào)制解調(diào)器，但不止于調(diào)制解調(diào)器，還包括信道編解碼、信源編解碼，以及一些信令處理。而射頻芯片，則可看做是最簡(jiǎn)單的基帶調(diào)制信號(hào)的上變頻和下變頻。

所謂調(diào)制，就是把需要傳輸?shù)男盘?hào)，通過(guò)一定的規(guī)則調(diào)制到載波上面讓后通過(guò)無(wú)線收發(fā)器(RF Transceiver)發(fā)送出去的工程，解調(diào)就是相反的過(guò)程。

工作原理與電路分析

射頻簡(jiǎn)稱 RF 射頻就是射頻電流，是一種高頻交流變化電磁波，為是 Radio Frequency 的縮寫(xiě)，表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍在 300KHz～300GHz 之間。每秒變化小于 1000 次的交流電稱為低頻電流，大于 10000 次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。高頻(大于 10K);射頻(300K-300G)是高頻的較高頻段;微波頻段(300M-300G)又是射頻的較高頻段。射頻技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域中被廣泛使用，有線電視系統(tǒng)就是采用射頻傳輸方式。

射頻芯片指的就是將無(wú)線電信號(hào)通信轉(zhuǎn)換成一定的無(wú)線電信號(hào)波形，并通過(guò)天線諧振發(fā)送出去的一個(gè)電子元器件，它包括功率放大器、低噪聲放大器和天線開(kāi)關(guān)。射頻芯片架構(gòu)包括接收通道和發(fā)射通道兩大部分。

射頻電路方框圖

接收電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

接收時(shí)，天線把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào)經(jīng)濾波，高頻放大后，送入中頻內(nèi)進(jìn)行解調(diào)，得到接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。

該電路掌握重點(diǎn)：1、接收電路結(jié)構(gòu);2、各元件的功能與作用;3、接收信號(hào)流程。

1. 電路結(jié)構(gòu)

接收電路由天線、天線開(kāi)關(guān)、濾波器、高放管(低噪聲放大器)、中頻集成塊(接收解調(diào)器)等電路組成。早期手機(jī)有一級(jí)、二級(jí)混頻電路，其目的把接收頻率降低后再解調(diào)(如下圖)。

接收電路方框圖

2. 各元件的功能與作用

1)、手機(jī)天線：

結(jié)構(gòu)：(如下圖)

由手機(jī)天線分外置和內(nèi)置天線兩種;由天線座、螺線管、塑料封套組成。

作用：a)、接收時(shí)把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào)。b)、發(fā)射時(shí)把功放放大后的交流電流轉(zhuǎn)化為電磁波信號(hào)。

2)、天線開(kāi)關(guān)：

結(jié)構(gòu)：(如下圖)

手機(jī)天線開(kāi)關(guān)(合路器、雙工濾波器)由四個(gè)電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成。

作用：a)、完成接收和發(fā)射切換; b)、完成 900M/1800M 信號(hào)接收切換。

邏輯電路根據(jù)手機(jī)工作狀態(tài)分別送出控制信號(hào)(GSM-RX-EN;DCS- RX-EN;GSM-TX-EN;DCS- TX-EN)，令各自通路導(dǎo)通，使接收和發(fā)射信號(hào)各走其道，互不干擾。

由于手機(jī)工作時(shí)接收和發(fā)射不能同時(shí)在一個(gè)時(shí)隙工作(即接收時(shí)不發(fā)射，發(fā)射時(shí)不接收)。因此后期新型手機(jī)把接收通路的兩開(kāi)關(guān)去掉，只留兩個(gè)發(fā)射轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān);接收切換任務(wù)交由高放管完成。

3)、濾波器：

結(jié)構(gòu)：手機(jī)中有高頻濾波器、中頻濾波器。

作用：濾除其他無(wú)用信號(hào)，得到純正接收信號(hào)。后期新型手機(jī)都為零中頻手機(jī);因此，手機(jī)中再?zèng)]有中頻濾波器。

4)、高放管(高頻放大管、低噪聲放大器)：

結(jié)構(gòu)：手機(jī)中高放管有兩個(gè)：900M 高放管、1800M 高放管。都是三極管共發(fā)射極放大電路;后期新型手機(jī)把高放管集成在中頻內(nèi)部。

高頻放大管供電圖

作用：a)、對(duì)天線感應(yīng)到微弱電流進(jìn)行放大，滿足后級(jí)電路對(duì)信號(hào)幅度的需求。b)、完成 900M/1800M 接收信號(hào)切換。

理：a)、供電：900M/1800M 兩個(gè)高放管的基極偏壓共用一路，由中頻同時(shí)路提供;而兩管的集電極的偏壓由中頻 CPU 根據(jù)手機(jī)的接收狀態(tài)命令中頻分兩路送出;其目的完成 900M/1800M 接收信號(hào)切換。

b)、原理：經(jīng)過(guò)濾波器濾除其他雜波得到純正 935M-960M 的接收信號(hào)由電容器耦合后送入相應(yīng)的高放管放大后經(jīng)電容器耦合送入中頻進(jìn)行后一級(jí)處理。

5)、中頻(射頻接囗、射頻信號(hào)處理器)：

結(jié)構(gòu)：由接收解調(diào)器、發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器等電路組成;新型手機(jī)還把高放管、頻率合成、26M 振蕩及分頻電路也集成在內(nèi)部(如下圖)。

作用：

a)、內(nèi)部高放管把天線感應(yīng)到微弱電流進(jìn)行放大;

b)、接收時(shí)把 935M-960M(GSM)的接收載頻信號(hào)(帶對(duì)方信息)與本振信號(hào)(不帶信息)進(jìn)行解調(diào)，得到 67.707KHZ 的接收基帶信息;

c)、發(fā)射時(shí)把邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射信息與本振信號(hào)調(diào)制成發(fā)射中頻;

d)、結(jié)合 13M/26M 晶體產(chǎn)生 13M 時(shí)鐘(參考時(shí)鐘電路);

e)、根據(jù) CPU 送來(lái)參考信號(hào)，產(chǎn)生符合手機(jī)工作信道的本振信號(hào)。

3. 接收信號(hào)流程

手機(jī)接收時(shí)，天線把基站發(fā)送來(lái)電磁波轉(zhuǎn)為微弱交流電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)天線開(kāi)關(guān)接收通路，送高頻濾波器濾除其它無(wú)用雜波，得到純正 935M-960M(GSM)的接收信號(hào)，由電容器耦合送入中頻內(nèi)部相應(yīng)的高放管放大后，送入解調(diào)器與本振信號(hào)(不帶信息)進(jìn)行解調(diào)，得到 67.707KHZ 的接收基帶信息(RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N);送到邏輯音頻電路進(jìn)一步處理。

發(fā)射電路的結(jié)構(gòu)和工作原理

發(fā)射時(shí)，把邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息調(diào)制成的發(fā)射中頻，用 TX-VCO 把發(fā)射中頻信號(hào)頻率上變?yōu)?890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)。經(jīng)功放放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

該電路掌握重點(diǎn)：(1)、電路結(jié)構(gòu);(2)、各元件的功能與作用;(3)、發(fā)射信號(hào)流程。

1. 電路結(jié)構(gòu)

發(fā)射電路由中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器、發(fā)射鑒相器;發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)、功率放大器(功放)、功率控制器(功控)、發(fā)射互感器等電路組成。(如下圖)

發(fā)射電路方框圖

2. 各元件的功能與作用

1)、發(fā)射調(diào)制器：

結(jié)構(gòu)：發(fā)射調(diào)制器在中頻內(nèi)部，相當(dāng)于寬帶網(wǎng)絡(luò)中的 MOD。

作用：發(fā)射時(shí)把邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)與本振信號(hào)調(diào)制成發(fā)射中頻。

2)、發(fā)射壓控振蕩器(TX-VCO)：

結(jié)構(gòu)：發(fā)射壓控振蕩器是由電壓控制輸出頻率的電容三點(diǎn)式振蕩電路;在生產(chǎn)制造時(shí)集成為一小電路板上，引出五個(gè)腳：供電腳、接地腳、輸出腳、控制腳、900M/1800M 頻段切換腳。當(dāng)有合適工作電壓后便振蕩產(chǎn)生相應(yīng)頻率信號(hào)。

作用：把中頻內(nèi)調(diào)制器調(diào)制成的發(fā)射中頻信號(hào)轉(zhuǎn)為基站能接收的 890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)。

原理：眾所周知，基站只能接收 890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)，而中頻調(diào)制器調(diào)制的中頻信號(hào)(如三星發(fā)射中頻信號(hào) 135M)基站不能接收的，因此，要用 TX-VCO 把發(fā)射中頻信號(hào)頻率上變?yōu)?890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)。

當(dāng)發(fā)射時(shí)，電源部分送出 3VTX 電壓使 TX-VCO 工作，產(chǎn)生 890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)分兩路走：a)、取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號(hào)混頻產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號(hào)，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較;若 TX-VCO 振蕩出頻率不符合手機(jī)的工作信道，則鑒相器會(huì)產(chǎn)生 1-4V 跳變電壓(帶有交流發(fā)射信息的直流電壓)去控制 TX-VCO 內(nèi)部變?nèi)?a target="_blank">二極管的電容量，達(dá)到調(diào)整頻率準(zhǔn)確性目的。b)、送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)為電磁波輻射出去。

從上看出：由 TX-VCO 產(chǎn)生頻率到取樣送回中頻內(nèi)部，再產(chǎn)生電壓去控制 TX-VCO 工作;剛好形成一個(gè)閉合環(huán)路，且是控制頻率相位的，因此該電路也稱發(fā)射鎖相環(huán)電路。

3)、功率放大器(功放)：

結(jié)構(gòu)：目前手機(jī)的功放為雙頻功放(900M 功放和 1800M 功放集成一體)，分黑膠功放和鐵殼功放兩種;不同型號(hào)功放不能互換。

作用：把 TX-VCO 振蕩出頻率信號(hào)放大，獲得足夠功率電流，經(jīng)天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。

值得注意：功放放大的是發(fā)射頻率信號(hào)的幅值，不能放大他的頻率。

功率放大器的工作條件：

a)、工作電壓(VCC)：手機(jī)功放供電由電池直接提供(3.6V);

b)、接地端(GND)：使電流形成回路;

c)、雙頻功換信號(hào)(BANDSEL)：控制功放工作于 900M 或工作于 1800M;

d)、功率控制信號(hào)(PAC)：控制功放的放大量(工作電流);

e)、輸入信號(hào)(IN);輸出信號(hào)(OUT)。

4)、發(fā)射互感器：

結(jié)構(gòu)：兩個(gè)線徑和匝數(shù)相等的線圈相互靠近，利用互感原理組成。

作用：把功放發(fā)射功率電流取樣送入功控。

原理：當(dāng)發(fā)射時(shí)功放發(fā)射功率電流經(jīng)過(guò)發(fā)射互感器時(shí)，在其次級(jí)感生與功率電流同樣大小的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控。

5)、功率等級(jí)信號(hào)：

所謂功率等級(jí)就是工程師們?cè)谑謾C(jī)編程時(shí)把接收信號(hào)分為八個(gè)等級(jí)，每個(gè)接收等級(jí)對(duì)應(yīng)一級(jí)發(fā)射功率(如下表)，手機(jī)在工作時(shí)，CPU 根據(jù)接的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷手機(jī)與基站距離遠(yuǎn)近，送出適當(dāng)?shù)陌l(fā)射等級(jí)信號(hào)，從而來(lái)決定功放的放大量(即接收強(qiáng)時(shí)，發(fā)射就弱)。

附功率等級(jí)表：

6)、功率控制器(功控)：

結(jié)構(gòu)：為一個(gè)運(yùn)算比較放大器。

作用：把發(fā)射功率電流取樣信號(hào)和功率等級(jí)信號(hào)進(jìn)行比較，得到一個(gè)合適電壓信號(hào)去控制功放的放大量。

原理：當(dāng)發(fā)射時(shí)功率電流經(jīng)過(guò)發(fā)射互感器時(shí)，在其次級(jí)感生的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時(shí)編程時(shí)預(yù)設(shè)功率等級(jí)信號(hào)也送入功控;兩個(gè)信號(hào)在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長(zhǎng)功放使用壽命(功控電壓高，功放功率就大)。

3. 發(fā)射信號(hào)流程

當(dāng)發(fā)射時(shí)，邏輯電路處理過(guò)的發(fā)射基帶信息(TXI-P;TXI-N;TXQ-P;TXQ-N)，送入中頻內(nèi)部的發(fā)射調(diào)制器，與本振信號(hào)調(diào)制成發(fā)射中頻。而中頻信號(hào)基站不能接收的，要用 TX-VCO 把發(fā)射中頻信號(hào)頻率上升為 890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)基站才能接收。當(dāng) TX-VCO 工作后，產(chǎn)生 890M-915M(GSM)的頻率信號(hào)分兩路走：

a)、一路取樣送回中頻內(nèi)部，與本振信號(hào)混頻產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)射中頻相等的發(fā)射鑒頻信號(hào)，送入鑒相器中與發(fā)射中頻進(jìn)行較;若 TX-VCO 振蕩出頻率不符合手機(jī)的工作信道，則鑒相器會(huì)產(chǎn)生一個(gè) 1-4V 跳變電壓去控制 TX-VCO 內(nèi)部變?nèi)荻O管的電容量，達(dá)到調(diào)整頻率目的。

b)、二路送入功放經(jīng)放大后由天線轉(zhuǎn)化為電磁波輻射出去。為了控制功放放大量，當(dāng)發(fā)射時(shí)功率電流經(jīng)過(guò)發(fā)射互感器時(shí)，在其次級(jí)感生的電流，經(jīng)檢波(高頻整流)后并送入功控;同時(shí)編程時(shí)預(yù)設(shè)功率等級(jí)信號(hào)也送入功控;兩個(gè)信號(hào)在內(nèi)部比較后產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)去控制功放的放大量，使功放工作電流適中，既省電又能長(zhǎng)功放使用壽命。

國(guó)產(chǎn)射頻芯片產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀

在射頻芯片領(lǐng)域，市場(chǎng)主要被海外巨頭所壟斷，海外的主要公司有 Qrovo，skyworks 和 Broadcom;國(guó)內(nèi)射頻芯片方面，沒(méi)有公司能夠獨(dú)立支撐 IDM 的運(yùn)營(yíng)模式，主要為 Fabless 設(shè)計(jì)類公司;國(guó)內(nèi)企業(yè)通過(guò)設(shè)計(jì)、代工、封裝環(huán)節(jié)的協(xié)同，形成了“軟 IDM“”的運(yùn)營(yíng)模式。

射頻芯片設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)公司在 5G 芯片已經(jīng)有所成績(jī)，具有一定的出貨能力。射頻芯片設(shè)計(jì)具有較高的門(mén)檻，具備射頻開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)后，可以加速后續(xù)高級(jí)品類射頻芯片的開(kāi)發(fā)。目前，具備射頻芯片設(shè)計(jì)的公司有紫光展銳、唯捷創(chuàng)芯、中普微、中興通訊、雷柏科技、華虹設(shè)計(jì)、江蘇鉅芯、愛(ài)斯泰克等。

射頻芯片代工方面，臺(tái)灣已經(jīng)成為全球最大的化合物半導(dǎo)體芯片代工廠，臺(tái)灣主要的代工廠有穩(wěn)懋、宏捷科和寰宇，國(guó)內(nèi)僅有三安光電和海威華芯開(kāi)始涉足化合物半導(dǎo)體代工。三安光電是國(guó)內(nèi)目前國(guó)內(nèi)布局最為完善，具有 GaAs HBT/pHEMT 和 GaNSBD/FET 工藝布局，目前在于國(guó)內(nèi) 200 多家企事業(yè)單位進(jìn)行合作，有 10 多種芯片通過(guò)性能驗(yàn)證，即將量產(chǎn)。海威華芯為海特高新控股的子公司，與中國(guó)電科 29 所合資，目前具有 GaAs 0.25um PHEMT 工藝制程能力。

射頻芯片封裝方面，5G 射頻芯片一方面頻率升高導(dǎo)致電路中連接線的對(duì)電路性能影響更大，封裝時(shí)需要減小信號(hào)連接線的長(zhǎng)度;另一方面需要把功率放大器、低噪聲放大器、開(kāi)關(guān)和濾波器封裝成為一個(gè)模塊,一方面減小體積另一方面方便下游終端廠商使用。為了減小射頻參數(shù)的寄生需要采用 Flip-Chip、Fan-In 和 Fan-Out 封裝技術(shù)。

Flip-Chip 和 Fan-In、Fan-Out 工藝封裝時(shí)，不需要通過(guò)金絲鍵合線進(jìn)行信號(hào)連接，減少了由于金絲鍵合線帶來(lái)的寄生電效應(yīng)，提高芯片射頻性能;到 5G 時(shí)代，高性能的 Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out 結(jié)合 Sip 封裝技術(shù)會(huì)是未來(lái)封裝的趨勢(shì)。