低功率cmos无线射频芯片设计要点.pdf

www.ed- 低功率CMOS 无线射频芯片设计要点 笙科电子 研发处长 张德智 / 行销经理 萧昭仁 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-Range Devices )更在无线传感器网络(见图一) 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 (TR)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讯号， 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 图一 Dust Sensor 结合无线RF IC 的范例 (UC Berkley) 本文将以笙科电子的2.4GHz IEEE 802.15.4 射频收发器为例(适用于 Zigbee 标准，RF4CE则是基于Zigbee的遥控器应用规范)，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 要考量的地方。

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 射频讯号从天线接收后，进入LNA放大讯号，经由Mier， Filter，Limiter，RSSI，到达数字解调器，最后把接收数据存入R-FIFO另 一方面，T-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，把调变后的射频讯号透过PA放大，最后经由 www.ed- www.ed- www.ed- 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，配合软件控 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 调变方式与调变方式与PA设计的考虑设计的考虑 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T功耗 T发射器设计考虑发射器设计考虑 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 mier)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 inde)，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 www.ed- www.ed- R接收器设计考虑接收器设计考虑 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 调解调器不需载波回复电路(carrier recovery)、不用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1.5dB，所以解调器的选择需依芯片接收灵敏度设计目 标来取舍 2.4GHz IEEE 802.15.4 无线收发器实例无线收发器实例 从上述综合考虑，以笙科电子的 A7153 为例 (见图二)A7153 提供了 250kbps 的展频数据传输速率以及范围为– 20 至 5dBm 的可编程 RF 输出功 率， 超高接收灵敏度 (-95dBm @ PER<1%)硬件 MAC 提供 128 位 AES 加密 和认证，及 SPI 接口这些接口使得对连接各种 MCU 变得非常方便 A7153 整合了 RF IC 所需的模拟电路，如 VCO (良好的 VCO 曲线线性度， 提供双点差异积分调变器在高低温工作条件下的稳定性)、闭回路系统 PLL、PA (及其匹配电路)、RF switch、LNA(及其匹配电路)、Gilbert-cell 混频器 (Mier)、映像抑制滤波器，以及限制器(limiter)A7153 的 Mier 与 LNA 设计成增益可调， 用来提升整体接收器线性度表现，评断混频器设计好坏的指标 为 IIP3，IIP3 数值越大，代表着第三阶交互调变讯号会干扰到欲接收讯号的程 度越低，也就是线性度较好，不幸的是，在射频电路设计中，增益与线性度经常要 互做取舍。

天线接口部分，A7153 内建 PA 及 LNA 的脚位型态上，采用单端 (single-ended)输出入合并设计，因此可省去外部昂贵的平衡非平衡适配器 www.ed- (balun)，A7153 也保留了外接高功率 PA 及 LNA 的控制接口直接驱动 A7700(笙 科电子 CMOS 工艺的 2.4GHz 整合型高功率 PA，LNA，RF-Switch)，提供长距 离应用的完整方案整体上，A7153 电路均采用低电压设计，低电流驱动架构，达 成低消耗功率的目标 图二 Zigbee 收发器芯片方块图 (笙科电子 A7153) 另外，A7153整合了晶体振荡器(crystal oscillator)的负载电容及PLL 滤波组件，大幅减少了外部被动组件基频部分也整合了很多功能，包含T-FIFO 与R-FIFO，自动序码(preamble)添加、同步码及CRC检查码，展频码此外， A7153内建的AES-128 硬件加速器，提供软件工程师很容易实现符合Zigbee (IEEE 802.15.4)安全标准之CCM*模块支持载波感测多重存取 / 碰撞避免机 制（CSMA/CA，Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 沟通方式，含自动应答(Auto ACK)功能，信道能量侦测(ED)及连结质量指示 (LQI) ，大幅降低MCU的负担及功耗。

www.ed- www.ed- www.ed- Zigbee硬件应用层次硬件应用层次 设计Zigbee射频模块，需要用到许多微波电路知识，比如说将PCB Trace等 效为天线、传输线、阻抗匹配、讯号反射、绝缘层材料选择、驻波处理，地面(Ground Plane)完整性等，这些因子均会影响RF模块性能表现及EMC问题 RF PCB设计最基本的是把电源处理、地面完整性，RF走线、敏感电路和数字 信号一一分区处理因此，零组件布局是RF设计的关键，一般来说，最先处理的是 RF路径及tal路径上的零组件布局，比如说两个电感布局不要平行靠在一起，因为 这将形成互感，造成信号干扰，因此最好将两个电感放成直角排列，让互感减到最 小其次是提供RF IC最需要的干净电源，电源一定要滤波，电源去耦组件要尽可 能靠近IC引脚并接地，同时考虑PA启动瞬间，瞬时大电流需求的电源问题，另外， 电源走线要越短越好，并远离RF信号线或tal等干扰源，(电源问题常常造成异常 的RF效能与EMC问题) 一般使用双层的FR4 PCB时，会将主接地面安排于PCB下层，RF讯号走在表层 上。

在所有PCB设计中，尽可能将数字电路远离仿真电路是不变的原则，它同样也 适用于RF PCB设计当一些高速信号线要穿过了破碎的地面，这绝对不是一件好 事，必须尽可能避免，所以要保持PCB下层地面的完整性针对PCB上层的走线，亦 应避免形成过多的游离地，因为它们会像一个小天线，提供干扰源侵入的路径在 大多数情况下，可以把这些游离地去掉 笙科电子 A7153 的参考模块，其 PCB 天线采用 F 型天线拓扑结构，支持全向 辐射场形要把天线的性能发挥到极致，从应用的角度来讲，RF 模块的天线最好伸 出母版的边缘，RF 模块下面的母版最好不要走线RF 模块和产品外壳的整个设计 也会影响天线的性能粗劣的设计会影响天线场形，使发送信号出现反射、折射、 散射，结果造成传输距离的大幅缩短以下的一些设计指南有助于确保天线的性能， 比如，不要直接在模块的天线下面设置接地面或布铜线，天线要尽可能远离金属物 体，PA 路径下方，尽可能保有一块完整的地面 Zigbee软件应用层次软件应用层次 Zigbee 设备最常采用的省电方法是使传感器进入周期性的睡眠状态，以便获 得长久的电池寿命也就是说，A7153为了进一步降低平均。