Wi-Fi产品的一般射频电路设计.pdf

1、无线时代 Wi-Fi 产品的一般射频电路设计 General RF Design In Wi-Fi Product 无线时代（Beamsky） 1 无线时代 I. 前言 这是一篇针对性很强的技术文章。在这篇文章中，我只是分析研究了 Wi-Fi 产品的一般射频电路设计，而且主要分析的是 Atheros 和 Ralink的解决方案，对 于其他厂商的解决方案并没有进行研究。 这是一篇针对性很不强的技术文章。在这篇文章中，我研究，讨论了 Wi-Fi 产品中的射频电路设计，包括各个组成部分，如无线收发器，功率放大器，低噪 声放大器，如果把这里的某一部分深入展开讨论，都可以写成一本很厚的书。 这篇文章

2、具有一般性。 虽然说这篇文章主要分析了 Atheros和 Ralink的方案， 但是这两家厂商的解决方案很具有代表性，而且具有很高的市场占有率，因此， 大部分 Wi-Fi 产品也必然是具有一致或者类似的架构。 经常浏览相关网站的人一 定知道，在中国市场热卖的无线路由器，无线 AP 很多都是这两家的解决方案。 这篇文章具有一定的实用性。 这篇文章的编写是基于我们公司的二十余种参 考设计电路，充分吸收了参考设计的精华，并提取其一般性，同时，本文也重在 分析实际的电路结构和选择器件时应该注意的问题，并没有进行深入的理论研 究，所以，本文具有一定的实用性。 这篇文章是我在自己的业余时间编写的 （也可以

3、说我用这种方式消磨时间） ， 如果这篇文章能够为大家的工作带来一点帮助，那将是我最高兴的事。我平时喜 欢关注一些业界的新技术新产品，但是内容太多，没有办法写在文章中，感兴趣 的同事可以访问我的博客：http:/ 。 由于时间有限，编写者水平更加有限，错误之处在所难免，欢迎大家批评指 正。 Tom 2009年 5月 于宿舍 2 无线时代 II. 目录 I. 前言.2 II. 目录.3 第 1章. 射频设计框图5 第 2章. 无线收发器6 2.1. 无线收发器芯片的技术参数6 2.1.1. 协议，频率，通路与传输速率7 2.1.2. 调制方式7 2.1.3. 时钟频率7 2.1.4. 输出功率7

4、 2.1.5. 接收灵敏度8 2.1.6. 射频接口8 2.1.7. 供电电压与功耗8 2.2. 差分射频信号的处理8 2.2.1. 收发器本身具有的管脚8 2.2.2. 收发器发送的差分信号10 2.2.3. 平衡器的参数与选择10 2.2.4. 收发器接收的差分信号11 2.3. 收发器的电源管脚12 2.4. 收发器完整的外围电路设计13 第 3章. 功率放大器15 3.1. 功放芯片的参数与选择15 3.1.1. 功放芯片的管脚15 3.1.2. 功放芯片的主要厂商16 3.1.3. 功放芯片的主要参数17 3.2. 功放芯片的供电18 3.3. 输入回路19 3.3.1. 带通滤波器

5、19 3 无线时代 3.3.2. 型匹配网络21 3.3.3. 完整设计的输入回路22 3.4. 输出回路22 3.5. 功率检测23 3.5.1. 芯片内建的功率检测23 3.5.2. 芯片外围的功率检测电路24 3.6. 增益控制25 3.7. 温度检测26 3.8. 完整设计的功率放大电路26 第 4章. 低噪声放大器28 4.1. 低噪声的放大器的主要参数28 4.2. 低噪声微波器件的选择29 4.3. 输入回路30 4.4. 输出回路30 4.5. 电源与增益控制31 4.6. 完整设计的低噪声放大器31 第 5章. 收发切换电路33 5.1. 切换芯片的选择33 5.2. 发射

6、与接收回路34 5.3. 天线回路35 5.4. 控制信号的处理35 第 6章. 天线与天线连接器36 第 7章. 完整设计的射频电路37 4 无线时代 第1章. 射频设计框图 做技术的，讲解某个设计的原理时，都会从讲解框图开始，本人也不例外， 先给大家展示一下 Wi-Fi 产品的一般射频设计框图。 图 1-1 Wi-Fi产品的一般射频设计框图 如图 1-1所示，一般 Wi-Fi 产品的射频部分由五大部分组成（这是我个人的 见解，不同的工程师可能会有不同的想法） ，蓝色的虚线框内统一看成是功率放 大器部分。无线收发器（Radio Transceiver）一般是一个设计的核心器件之一， 除了与

7、射频电路的关系比较密切以外，一般还会与 CPU 有关，在这里，我们只 关注其与射频电路相关的一些内容。发送信号时，收发器本身会直接输出小功率 的微弱的射频信号，送至功率放大器（Power Amplifier，PA）进行功率放大，然 后通过收发切换器（Transmit/Receive Switch）经由天线（Antenna）辐射至空间。 接收信号时，天线会感应到空间中的电磁信号，通过切换器之后送至低噪声放大 器（Low Noise Amplifier，LNA）进行放大，这样，放大后的信号就可以直接送 给收发器进行处理，进行解调。 在后续的讲解中，我会将图 1-1中的各个部分逐个展开，将每一个都暴

8、露在 大家眼前，也会详细讲解每一部分的设计，相信大家在认真仔细的阅读这篇文档 之后，就可以对射频的各个组成部分有一个比较清晰的认识。 5 无线时代 第2章. 无线收发器 我把无线收发器（在本章的以下内容中简称收发器）放在了第一个模块，主 要原因就是因为，它一般会是一个设计的核心器件之一，有的时候还可能集成在 CPU 上，就会是一个设计中的最重要的芯片，同时，理所当然，收发器的重要 性决定了它的外围电路必然很复杂， 实际上也是如此。 而且， 如果没有参考设计， 完全由我们自主设计的时候，这颗芯片也是我们应该放在第一优先的位置去考 虑，这颗芯片从根本上决定着整个设计的无线性能。这样，这一部分的设

9、计讲解 起来会比较困难，可是还是想最先讲解这里。 收发器通常会有很多的管脚，在如图 2-1中，我只给出了射频电路设计时会 关注的管脚，可以看到，有几个电源管脚，数字地，模拟地，射频输出，功率放 大器增益控制，功率检测，温度检测，射频输入，低噪声放大器增益控制，发射、 接收切换等管脚，在接下来的内容中，我会把这些管脚分模块逐个讲解。 General Transceiver U1 General Transceiv er VCC_CORE 1 VCC_PLL 2 VCC_IO 3 VCC_ADC 4 RFOUT_P 5 RFOUT_N 6 RFIN_P 10 RFIN_N 11 SWITCH_TX

10、 13 SWITCH_RX 14 PA_GAIN 7 POWER_DETECT 8 LNA_GAIN 12 TEMPRATURE_DETECT 9 GND_ANALOG 16 GND_DIGITAL 15图 2-1 一般的无线收发芯片（射频电路设计相关） 2.1. 无线收发器芯片的技术参数 不同的设计， 收发器一般会很不一样， 我们大多数时候都不会想着去更换它。 一般我们选用收发器，会直接按照参考设计进行，尽管如此，我还是像从一个研 发人的角度出发，说一说，在选择无线收发器时应该关注的一些参数（射频电路 相关的参数） 。 6 无线时代 2.1.1. 协议，频率，通路与传输速率 在收发器的 D

11、atasheet 中，一般会在开始的几段话中就指出该芯片支持哪些 协议，工作在什么频率上，几条通路（也就是几发几收） ，我们公司目前的主打 产品设计都是支持 802.11n 的。这三项参数的重要性想必不用我说，大家也应该 体会得到，它们参数决定着最终的产品的功能。 一段典型的描述如：The Atheros AR9220 is a highly integrated single-chip solution for 2.4GHz and 5GHz 802.11n-ready wireless local area network (WLANs) that enables high-perform

12、ance 22 MIMO configurations for wireless stations applications demanding robust link quality and maximum throughput and range. 从这段描述中，我们可以知道，AR9220 支持 802.11n 草案（一般来说都会 兼容 802.11b/g） 。同时，AR9220 也支持双频，2.4GHz 和 5GHz，这样，我们就 可以得知，它也支持 802.11a。22 MIMO说明 AR9220 是二发二收（2T2R） 。 传输速率和协议及通路密切相关，感兴趣的同事可以查阅相关资料。

13、 从 AR9220 的 Datasheet 中我们可以得知，20MHz 带宽，最高传输速率可以 达到 130Mbps，40MHz 带宽时，最高的传输速率可以达到 300Mbps。 2.1.2. 调制方式 调制方式和传输速率是密切相关的，不同的传输速率对应着不通的调制方 式。芯片支持的调制方式一般会在 Datasheet 的特性描述中给出。例如，AR9220 支持的调制方式有 BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，DBPSK，DQPSK，CCK。 2.1.3. 时钟频率 时钟频率，时钟频率包括两种，收发器外接晶振的频率和内部倍频后的工作 频率，这项参数同样应该是我们关注的。 2.1.4.

14、输出功率 有一个现象我一直也弄不清楚，为什么在收发器的 Datasheet 中不给出其发 7 无线时代 射功率？这项参数对于我们 RF 工程师是很重要的，因为这项参数决定着后续功 率放大电路的设计，我们要保证收发器的输出功率足以驱动功率放大器，这样， 我们才能够设计合理有效的放大器。 2.1.5. 接收灵敏度 和输出功率一样，收发器接收灵敏度这项参数也不会在 Datasheet 中给出， 在实际的设计过程中，有了这项参数，我们才能合理地设计低噪声放大器的放大 倍数，才能保证低噪声放大器的输出可以被收发器有效的接受。 2.1.6. 射频接口 这项参数关系着我们后续的射频电路的结构。一般来说，收

15、发器应该具有的 射频输入管脚包括：射频输出管脚，功率放大器增益控制管脚，功率放大器输出 功率检测输入管脚，低噪声放大器增益控制管脚，切换器收发控制管脚，一般 Ralink的方案还会有 PA 温度检测管脚。 2.1.7. 供电电压与功耗 从全局的角度看，供电电压与功耗同样会是我们不得不关注的技术参数，这 两项参数关系着电源电路的设计和散热的设计。 2.2. 差分射频信号的处理 2.2.1. 收发器本身具有的管脚 对于射频信号，为了增强收发器的抗干扰能力，一般会采用差分信号的处理 方式，也就是说，收发器会以差分形式将信号发送出去，同时外部电路也必须为 收发器提供差分射频信号的输入。如图 2-2所示

16、，红色方框内的四只管脚就是这 个收发器的差分射频信号的输入，输出管脚，也是最重要的射频信号管脚。 8 无线时代 General Transceiver U1 General Transceiv er VCC_CORE 1 VCC_PLL 2 VCC_IO 3 VCC_ADC 4 RFOUT_P 5 RFOUT_N 6 RFIN_P 10 RFIN_N 11 SWITCH_TX 13 SWITCH_RX 14 PA_GAIN 7 POWER_DETECT 8 LNA_GAIN 12 TEMPRATURE_DETECT 9 GND_ANALOG 16 GND_DIGITAL 15图 2-2 收发

17、器的射频输入与输出管脚 这里必须指出的是， Atheros 的收发器一般会同时对输入与输出做差分处理。 但是 Ralink 一般要求外部输入的信号是差分的，而自身输出的射频信号则不是 差分的。图 2-3和图 2-4分别给出了 RT3052（Ralink）和 AR9220（Atheros）的 主要射频信号管脚。不难发现，Atheros 的设计相比 Ralink 要更加细腻，不只是 收发器芯片，在后续电路的设计中，也会发现，Atheros 考虑的问题很周全，我 想，这也是我们作为研发人应该具备的一种精神。 U1A RF0_2G_INN A3 RF0_2G_OUT A2 RF0_LNA_PE C10

18、 RF0_PA_PE D2 RF0_2G_INP A4 RF1_LO_V12A E3 RF0_LO_V12A D3 RF_BB1_V12A B3 VCO_VCO_V12A B4 VCO_LO_V12A C4 PLL_PRE_V12A C5 PLL_DIV_V12A B5 LDORF_OUT_V12 A7 LDOPLL_OUT_V12 B6 RF_BB2_V12A A8 RF0_V12A A1 RF1_V12A C2图 2-3 RT3052 的主要射频信号管脚 U35C AR9220 XLNABIAS_0 A14 XLNABIAS_1 B14 XPA5BIAS_0 B17 XPA5BIAS_1

19、A17 XPA2BIAS_1 A15 XPA2BIAS_0 B15 AC2 RF2INP_0 G1 RF2INN_0 F1 RF2OUTN_0 E1 RF2INP_1 A9 RF2INN_1 A10 RF2OUTP_0 D1 RF2OUTN_1 A11 RF2OUTP_1 A12图 2-4 AR9220 的主要射频信号管脚 9 无线时代 2.2.2. 收发器发送的差分信号 收发器发送的差分信号，我们要想办法把他们合二为一。为什么要这样做， 收发器送出的信号是要给功率放大电路的，功率放大电路处理的是单端信号。 平衡器通常用来处理差分信号的问题，除此之外，我们知道，电感和电容都 能够改变信号的相

20、位，从差分信号到单端信号，基本的方法就是用电感和电容组 成两条不同的通路，这样，经过处理电路的两路信号就在相位上相差了 180， 从而可以使原本相位相差180的差分信号同相，得到单端信号。相反，使单端 信号通过两条不同的通路，就得到了差分信号。 下面让我们来分别看一下这两种方法的电路形式。 方法一，使用平衡器。原本相位相差 180的差分信号经过平衡器（Balun， 俗称巴伦） ，就可以得到合二为一的单端射频信号。如图 2-5所示，图中的 F1 就 是一个平衡器， 差分信号 RFOUT_P和 RFOUT_N经过 F1得到单端信号 RF_OUT。 RFOUT_N C3 1 2 RFOUT_P RF

21、OUT F1 BALUN 1 2 3 4 5 6 C1 1 2 C2 1 2图 2-5 典型的平衡电路 方法二，使用分立元件。典型的使用分立元件的处理电路如图 2-6所示。 R1 L1 1 2 RFOUT_N L2 1 2 RFOUT C1 1 2 RFOUT_P C2 1 2图 2-6 典型的分立元件处理电路 2.2.3. 平衡器的参数与选择 在 Atheros的方案中，平衡器往往使用的很多，我在这里给出平衡器的主要 参数和简要的选型指南。如前所述，在我们的 Wi-Fi 产品中，平衡器常用于处理 10 无线时代 差分信号，其主要的参数如下： 不平衡阻抗 平衡阻抗 工作频率 不平衡端口回波损

22、耗 相位变化 插入损耗 例如，常用的平衡器 HHM1711D1 典型参数如图 2-7所示。这样我们在设计 是就可以根据我们的需求选择合适的平衡器了。 图 2-7 HHM1711D1 的典型参数 2.2.4. 收发器接收的差分信号 收发器接收的信号来自于前端的低噪声放大器，和功率放大器一样，低噪声 放大器处理的也是单端射频信号，这样，我们必须将低噪声放大器输出的信号进 行转换。同样，对于低噪声放大器的输出信号同样有两种处理方式：使用平衡器 和使用分立元件。Atheros 的方案中，有些使用平衡器；Ralink 的方案中，至今 还没有使用过。 其实大家也一定想到了， 收发器接收信号和收发器发送信号

23、差不多就是互为 逆过程，因此电路的结构也差不多是相反的。没错，看了下面的实际电路图就知 道了。 先来介绍使用平衡器的方案。在 AP51 中，采用了如图 2-8所示的平衡器电 路。 单端信号 RF_IN 经过平衡器 F5 后得到差分的射频信号 RFIN_P和 RFIN_N。 11 无线时代 2.2pF C99 C C101 HHM1517 F5 1 2 3 4 5 6 R R143 R R140 2.2pF C100 C C98 RFIN_N RFIN RFIN_P图 2-8 AP51采用的平衡器电路 再来看看采用分立元件实现的方法，图 2-9 是 Ralink 惯用的方式，图 2-10 是

24、Atheros常用的处理方式。可以看出，这两种设计方法大同小异。 C4 1.5pF 1 2 C5 10pF 1 2 L3 1.5nH 1 2 RF2G_INN0 RFG0_IN C6 1.5pF 1 2 L4 1.5nH 1 2 INN0 GINP0 GND RFIN_G0 C7 10nF 1 2 RF2G_INP0 INP0图 2-9Ralink常用的分立元件信号处理方式 RF2INN_1 RF2INP_1 C195 No Load L4 3.9nH +/-0.05NH C177 1pF 50V +/-0.25PF C178 No Load 2G_RX_IN_1 12 L5 0 +/-5%

25、1/16W R1387 0 +/-5% 1/16W图 2-10 Atheros常用的分立元件信号处理方式 2.3. 收发器的电源管脚 收发器一般会有很多个电源管脚，可以大概分为几类，从图 2-2也可以看出 来， 一般会具有主电源管脚， 核电压电源管脚， IO电源管脚， 锁相环 （Phase Lock Loop，PLL）电源管脚等。 在射频电路设计中，我们一般会比较关注的是模拟电源。对于射频电路的供 电，如果让我在线性稳压电源（LDO）和开关电源（DC/DC）之间选择，那么 12 无线时代 我会毫不犹豫的选择线性电源。 为什么？和开关电源有仇？的确有仇！ 直到现在我还清晰得记着在大学里面的遭遇

26、。 一次我为某高校设计一款校园 广播设备，考虑到校园广播的较大的输出功率，对电源的要求也就比较苛刻，我 到科技市场转了一圈发现了一款做工精良的开关电源， 当时我就被这个家伙华丽 的外表欺骗了，毫不犹豫地买了下来。可是当我完整设计后，接通电源，从收音 机里面传来的不是悦耳的音乐声，而是令人极度反感的“嗡嗡”声，巨大的交流 声。为了解决这个问题，我几乎绞尽脑汁，把有可能造成问题的部分都重新设计 了，可是问题依然没有解决。后来，我突然意识到： “是不是开关电源的问题？” 刚好手头有一台车载电台的电源（大功率线性稳压电源） ，当我把这个电源接上 去之后，哇，整个世界都安静了！开关电源害得我不但损失了一

27、些钱，还浪费了 我大量的时间，从那以后，我的设计再也没用过开关电源。 对于收发器的电源管脚， 通常的处理方法就是在每个电源的管脚处都放置一 个 0.1uF的电容，耗电比较大的管脚旁，需要放置更大容量的电容，1-10uF或者 更大。 一般来说， 收发器的模拟电源供电和数字电源供电要用电感或者磁珠隔开， 并且一定要在电感或磁珠后放置容量比较大的电容，如果条件允许的话，最好放 置电解电容，会对电源的性能起到很大的提升作用，同时并联几个容量比较小的 瓷片电容，就可以滤除不同频率的交流成分。 2.4. 收发器完整的外围电路设计 回想一下，我们在前面的叙述中讲解了如何选择收发器，收发器相关的差分 信号处理

28、，收发器的电源供给，这三方面的内容基本上较完整的覆盖了收发器射 频电路设计的内容，也就是说，把这三部分弄清楚，基本上就完成了这部分的设 计。 想必大家应该比较清楚那三部分的结构了，好，让我们来试一下，在图 2-2 那个芯片的外围放置一些器件，再连上几条线，完成无线收发器及其外围电路设 计。在这里，我们对收发器输出的差分信号用平衡器处理得到单端信号 RFOUT， 来自低噪声放大器的接收信号 RFIN 用分立元件处理得到差分信号 RFIN_P， RFIN_N。这样，就得到了如图 2-11所示的原理图。 13 无线时代 General Transceiver U1 General Transcei

29、ver VCC_CORE 1 VCC_PLL 2 VCC_IO 3 VCC_ADC 4 RFOUT_P 5 RFOUT_N 6 RFIN_P 10 RFIN_N 11 SWITCH_TX 13 SWITCH_RX 14 PA_GAIN 7 POWER_DETECT 8 LNA_GAIN 12 TEMPRATURE_DETECT 9 GND_ANALOG 16 GND_DIGITAL 15 VCC33 RFOUT_N C3 1 2 VCC33 RFOUT_P RFOUT F1 BALUN 1 2 3 4 5 6 C1 1 2 C2 1 2 + EC2 C5 1 2 C6 1 2 L2 1 2 C

30、6 1 2 L1 1 2 GND RFIN C4 1 2 RFOUT_P L2 RFOUT_N PA_GAIN POWER_DET TMP_DET RFIN_N RFIN_P RFIN_N LNA_GAIN SWITCH_TX SWITCH_RX RFIN_P + EC1 1 2 C7 1 2 C8 1 2 1 C9 2图 2-11 完整设计的无线收发器外围电路 14 无线时代 第3章. 功率放大器 功率放大器， Power Amplifier， 俗称 PA， 主要的作用就是将无线收发器 （Radio Transceiver）送来的射频信号进行功率放大，保证有足够大的输出功率满足设计 需求。

31、功率放大器的设计是一个十分专业的话题，也有很多人，很多高级的射频 工程师在这方面进行过十分深入的研究，我在这里只针对我们的 Wi-Fi 产品的常 用的设计方法进行讨论。 我们的产品中，功率放大器的组成无非就是一颗芯片配上几颗外围的器件， 但是在大功率的场合，几乎不会有人用集成电路去做功率放大，一般都是用分立 元件设计出来的，晶体管或场效应管。在我们目前的所有设计中，功率放大器都 是用集成电路来实现的。如图 3-1所示，是通常的功率放大器的设计框图。 图 3-1 功率放大器的框图 功率放大器的设计会考虑很多参数，但主要分为三类：增益，噪声，非线性。 增益，和最终的输出功率有关，噪声和非线性关系着

32、信号质量。 我在这里把功率放大器（在本章的以下内容中简称功放）分为以下几个部分 进行讨论：功放芯片的选择，功放芯片的供电，输入回路，输出回路，功率检测， 增益控制，温度检测。 3.1. 功放芯片的参数与选择 3.1.1. 功放芯片的管脚 功放芯片属于微波功率器件的范畴，图 3-2给出了一个典型的功放芯片的原 理图符号，包括以下管脚： VCC 主电源供电管脚 15 无线时代 VC1 一级功率放大供电管脚 VC2 二级功率放大供电管脚 RFIN 射频信号输入管脚 RFOUT 射频信号输出管脚 GAIN_1 增益控制管脚之一 GAIN_2 增益控制管脚之二 POWER_DETECT 内建功率检测输

33、出管脚 U2 General PA NC 5 RFIN 1 NC 6 NC 7 VCC 16 GAIN_1 2 GAIN_2 3 NC 8 VC1 15 RFOUT 13 POWER_DETECT 4 NC 9 VC2 14 NC 10 NC 11 GND 12图 3-2 典型的功放芯片 值得注意的是，GAIN_1 和 GAIN_2 是来自收发器（Transceiver）的控制信 号，是直流电压， POWER_DETECT是功放芯片输出的发射功率检测值，也是直 流电压，而 RFIN和 RFOUT 是最重要的射频信号管脚。 3.1.2. 功放芯片的主要厂商 在我们公司的设计（参考设计）中，功放芯

34、片的供应商基本上就是这四家： SiGe，SST，Microsemi，Richwave，表 3-1，表 3-2 给出了我们公司的各个项目 中所采用的功放芯片的型号。 表 3-1 Atheros 的设计中采用的功放芯片 Atheros 项目 AP51 AP81 AP83 AP93 AP96(2.4GHz) MB92 芯片 GP1214 LX5511 FEM LX5511 LX5511 FEM 厂商 GPLUS Microsemi Hitachi Microsemi Microsemi SiGe 16 无线时代 表 3-2 Ralink的设计中采用的功放芯片 Ralink 项目 3070USB R

35、T3052 RT3062 RT2880 RT2860 RT3091 RT3090 芯片 RTC6681 RTC6691 SST12LP07 RTC6691 RTC6694 SST12LP07 SST12LP07 厂商 Richwave Richwave SST Richwave Richwave SST SST 通过以上表格， 我们很容易发现， Atheros很喜欢 Microsemi的芯片， 而 Ralink 则比较喜欢 Richwave 和 SST 的，在 BCM4323 这个项目中，使用的功放芯片是 SiGe 的，在 AP96 现在的设计中，使用的也是 SiGe 的 Frontend M

36、odule。 3.1.3. 功放芯片的主要参数 功放芯片的选择是一个复杂的过程，在实际的选择过程中，我们一般会考虑 如下的几项参数： 工作频率 小信号增益 最大线性输出功率 1dB压缩点输出功率 误差向量幅度（EVM） 相邻信道功率比（ACPR） 噪声系数 是否内建功率检测功能 是否内建增益控制功能 供电电压 消耗的电流 以上的这些参数，并不是在每颗功放芯片的 Datasheet 中都会完整给出，有 些 Datasheet 只能给出部分参数。各项参数的意义想必大家都很清楚，我在这里 就不做过多的解释了。一个典型的功放芯片的 Datasheet（片段）如下： 2.3-2.5GHz Operati

37、on Single Positive Supply V oltage Vcc = 3.3V Power Gain 27dB 17 无线时代 Quiescent Current 90mA EVM -30dB at Pout = +19dBm Total Current 150mA for Pout = +19dBm Pout +26dBm for 11g OFDM Mask Compliance Total Current 220mA for Pout = +23dBm 1 Mbps DSSS On-Chip Input Match Simple Output Match Robust RF

38、Input Tolerance +5dBm Small & Low-Cost 3x3x0.9mm3 MLP Package Cost Reduction over LX5510, LX5510B 从以上的叙述中我们了解到，这颗功放芯片的工作频率是 2.3-2.5GHz，采 用 3.3V 单电源供电，静态工作电流是 90mA，19dBm 功率输出时，EVM 的值是 -30dB，等等。 功放芯片的性能很重要， 当然， 在满足性能的前提下， 我们会选择最便宜的。 3.2. 功放芯片的供电 图 3-2展示的一般功放芯片有三个电源管脚，分别是 VCC，VC1，VC2，其 中的 VCC 是主电源供电，VC

39、1 是芯片内部第一级放大的供电，VC2 是芯片内部 第二级放大的供电。这里有个很重要的问题需要注意，VC1 和 VC2 不是简单的 供电管脚，这两个管脚通常不会直接连接到电源上，一般会串联一个电感（或者 电阻）再连接到电源上，为什么呢？这是因为这是为芯片内的功率晶体管（或场 效应管）供电的管脚，通常在分离元件组成的功率放大电路中，我们都会看到在 晶体管的集电极（或者场效应管的漏极）上都串有电感，而电感是不容易集成到 芯片中的，这样，就需要在芯片的外部放置电感，这样，就得到了典型的功放芯 片的供电方式，如图 3-3所示。 18 无线时代 C1431 10uF 16V +/-10% C201 1

40、00pF 50V +/-5% C200 1uF 6.3V +/-10% C206 1000pF 25V +/-10% C202 1000pF 25V +/-10% C204 10pF 50V +/-5% C205 100pF 50V +/-5% L15 8.2nH +/-0.1NH C203 No Load L16 10nH +/-5% VDDA33_PA U2 RFIN 1 VCC 16 GAIN 1 2 VC1 15 RFOUT 13 VC2 14图 3-3 典型的功放芯片供电方式 除了上面提到的电感的问题，另一个值得注意的就是，功放电路处理的模拟 信号，是正统的模拟电路，因此需要尤其注意

41、其电源要与数字电路的电源分开。 另一个极为重要的问题是，如图 3-3所示，在每个电源管脚处，都需要放置一个 滤波电容组合，例如 VCC 管脚处放置的是 100pF 和 1000pF 的滤波电容组合， VC1 管脚处是 10pF 的电容。滤波电容的组合形式是这样的，对于主电源管脚 VCC，需要尽量多地放置不同容量的电容，而且这些电容的容量最好是不同数量 级的，例如可以这样组合：10uF+1uF+0.1uF+1000pF+100pF+10pF，不同容量的 电容用于滤除不同频率成分的扰动。对于 VC1 和 VC2 这两个管脚，要注意，放 置的滤波电容容量要较小，通常在 1-10pF。 3.3. 输入

42、回路 功放电路的输入回路一般包括两个部分，一个是带通滤波器（Band Pass Filter，BPF） ，一个是型匹配网络，我们分开两部分来讲。 3.3.1. 带通滤波器 我们知道，2.4GHz 频段的子载波有 13个，频率从 2.412GHz 到 2.437GHz， 19 无线时代 相邻两信道之间的频率间隔是 500MHz，很容易理解，从收发器（Transceiver） 输出的信号包括了从 2.412GHz 到 2.437GHz 这样的一个频率带，因此，为了能 够使有用的信号顺利地进入功放芯片，无用的杂乱信号被滤除，一般会在功放芯 片的输入回路上放置一个带通滤波器。 带通滤波器有三种实现方

43、法，一种是使用已经设计好的专用带通滤波器，这 在 Ralink 的方案中使用的很多；一种是使用分立元件组成的带通滤波器，这种 方法用的不是很多；第三种方法几乎是 Atheros 专有的，就是印制带通滤波器， 这种滤波器最突出的优点就是没有成本，最突出的缺点是占用的空间比较大，而 且还需要净空区，在 AP51 中就使用了这种滤波器。 用分立元件设计带通滤波器需要复杂的计算过程，也需要较强的数学功底， 我们在这里不进行过多的研究。 接下来我们主要讨论如何选择一款已经设计好的 带通滤波器。带通滤波器的参数并不多，主要有： 输入阻抗 输出阻抗 通频带 通频带内的衰减 通频带以外的衰减 通常情况下，成品

44、的带通滤波器，输入和输出阻抗都会控制在 50 欧姆的标 称值，对于通频带相关特性，一张图表足以反映出来。如图 3-4给出了我们常用 的 HMD845H 的 S21 参数与频率之间的关系。很明显，该带通滤波器的通频带 为 2.4GHz-2.5GHz，对于通频带以外的频率，衰落的很快。 20 无线时代 图 3-4 HMD845H的 S21 参数 3.3.2. 型匹配网络 匹配，这件事在射频设计中是极其重要的，很多时候，我们设计或者调试射 频电路，都是在解决匹配的问题，永远记住这样一条经典的准则：共轭匹配传输 功率最大。型匹配网络一般直接放在功放芯片的输入端，也就是放在 RFIN这 个管脚处，通常

45、芯片的管脚不会匹配到 50 欧姆，我们也不会知道管脚的输入特 性，这样的话，型匹配网络的必要性就可想而知了。 型匹配网络，顾名思义，形状很像字母，我们来看一下实际的型匹配 网络。图 3-5给出的是 Ralink常用的一种型匹配网络。 L13 1 2 C106 1 2 C107 1 2图 3-5 Ralink常用的型匹配网络 21 无线时代 3.3.3. 完整设计的输入回路 以上我们讨论了功放电路的输入回路的两个组成部分， 带通滤波器和型匹 配网络，有了这两个部分，我们就可以设计一个完整的输入回路了。如图 3-6所 示，就是一个设计完整的功放电路输入回路。图中的 U9 就是一款成品的带通滤 波

46、器，而 C108，C109和 L14 就组成了一个型匹配网络。 U2 General PA NC 5 RFIN 1 NC 6 NC 7 VCC 16 GAIN_1 2 GAIN_2 3 NC 8 VC1 15 RFOUT 13 POWER_DETECT 4 NC 9 VC2 14 NC 10 NC 11 GND 12 L14 1 2 U9 BF2012-E2R4DAA BI 4 BO 2 G 3 G 1 C108 1 2 C109 1 2 RFOUT图 3-6 完整设计的功放电路的输入回路 3.4. 输出回路 在输出回路中，最重要的组成部分（在很多设计中也是唯一的组成部分）就 是低通滤波器，这

47、时可能有人会问，为什么这里要用低通滤波器，而不是像输入 回路那样使用带通滤波器？原因很简单， 这里的低通滤波器要解决的主要问题时 由于功放引起的高次谐波，如二次谐波，三次谐波甚至更高次数的谐波，当然， 低通滤波器还要解决的问题就是匹配问题。其实，在射频电路的设计中，匹配的 这个问题会一直伴随着我们。 滤波器的设计需要很复杂的计算， 在这里我不想探讨过多的理论知识， 所以， 我就不给出如何计算的方法，只给出一般的低通滤波器的形式。这里需要指出的 是，Atheros 的设计一般会使用三个元件，而 Ralink 一般会使用五个元件。如图 3-7 所示，是 Ralink 常用的滤波器形式。在图中，C1

48、12，C111，C113，C110 和 C114 就组成了一个低通滤波器，来自功放芯片的信号 PA_OUT 经过滤波器后得 到 LPF_OUT这信号送至后续电路。 22 无线时代 C110 1 2 C113 1 2 C112 1 2 C114 1 2 C111 1 2 PA_OUT C115 1 2 LPF_OUT图 3-7 Ralink常用的低通滤波器 这时，我们就可以把功放芯片的输出端与低通滤波器相连接，就得到了一般射频 功率放大电路的完整的输出回路，如图 3-8所示。 C110 1 2 C113 1 2 C112 1 2 C114 1 2 C111 1 2 U2 General PA NC 5 RFIN 1 NC 6 NC 7 VCC 16 GAIN_1 2 GAIN_2 3 NC 8 VC1 15 RFOUT 13 POWER_DETECT 4 NC 9 VC2 14 NC 10 NC 11 GND 12 PA_OUT C115 1 2 LPF_OUT图 3-8 完整设计的功率放大器输出回路 3.5. 功率检测 功率检测功能在我们的很多设计中都可以找到， 这项功能可以使无线收发器 （Radio