减少蓝牙系统元件数量的策略

减少蓝牙通信系统所需的元件数量,正成为业界大幅降低技术成本的目标。对于可实现接收器/发射器、数字信号处理系统及配备ROM和RAM的微控制器,蓝牙方案理想的目标成本是5美元,因此,必须尽可能减少不必要的元件,特别是那些成本较高的元件。

• PArt1">简化方案
  

• 高线性度
  

• 匹配元件
  

• 屏蔽罩
  

作者:Matthew Phillips

市场战略规划经理

Cambridge Silicon Radio公司

多数蓝牙供应商已经采用了一种多芯片方法进行系统设计,该方案用CMOS器件实现基带DSP和微控制器,而用双极器件实现RF功能。虽然这种方法确实可以简化芯片设计,但其元件数量较多、线路板较大并且实现成本较高。在典型的蓝牙射频系统中,要包含相当数量昂贵的射频(RF)和中频(IF)滤波器。

与传统的解决方案不同,新的单芯片蓝牙方案采用现代技术,目标是大幅减少外部元件数量以便降低成本。Cambridge Silicon Radio的“蓝核(bluecore)”产品采用了新的设计方法。它采用CMOS工艺制造,并在单芯片上集成了基带DSP、射频电路及多用途16位RISC处理器。这一独有的“芯片+射频电路”结构不仅使蓝牙方案的元件数量大为减少,而且技术和商业价值很高。这主要体现在压控振荡器(VCO)、接收机中频(IF)部分及天线与收发器之间的射频前端等方面的改进。

简化方案

大多数蓝牙系统的VCO电路需要片外有源或无源器件,典型电路包括一个电感、一个高容差陶瓷谐振器和一到两个变容二极管。除了器件自身的成本之外,这些元件还要占用电路板的空间,并常常要安装RF屏蔽罩。另外,VCO电路还需要一些频率测量器件和自动微调系统,隐性成本较高。

相比之下,“蓝核”产品几乎就是一个完整的合成器,它包括所有VCO组件、谐振器和调谐二极管,它们都集成在芯片上,在生产过程中不需要任何外部微调。有观察家认为,全集成的VCO可能会对来自IC内部其它电路的噪声非常敏感。然而,VCO电路采用专利技术改进之后,可以大幅降低VCO转换的增益-噪声信号,并可避免其输出信号上的双重交叉耦合数字噪声。

另外,每个“蓝核”芯片具有内置自检功能,每次芯片上电时都运行校准、定位及调整程序。为保证最佳的蓝牙通信链路质量,产品装配过程中要进行RF检测和微调,日常运行中还要进行自动偏差调整。

超外差接收机通过将接收到的信号与本地振荡器输出混频来提取信号,本地振荡器的频率可变,以便调谐接收机,接收机然后将信号输出到带通或IF滤波器。例如,如果所需的输入信号中心频率是100MHz,将其与110 MHz本地振荡器混频将产生一个10 MHz的差频输出,在10MHz中频上,带通滤波器的特征决定接收机的信道选择性能。

麻烦的是,120MHz的信号能在通频带中产生一个10MHz信号,并且不易从所需信号中消除。因此,只要这个120MHz信号比较强,它将严重影响接收机的接收响应,接收机滤除这种干扰信号的能力称为镜像滤波。

传统上,设计人员选用高IF或在混频器前面放置一个选择性高的可调滤波器来解决镜像干扰问题。传统的蓝牙系统设计工程师可能选择第一种方法,即采用100MHz这样高频率的IF,因此不得不采用一个片外SAW器件实现信道滤波。这些SAW滤波器体积都较大,设计困难,因而邻道隔离度较差,且很难升级到片上滤波方式,此外,还至少需要一对电容和一对电感来进行匹配。第二种方法采用选择性强的前端滤波器,实际上并不适用于蓝牙设备,因为滤波器不仅调节困难,而且还会引入损耗,这在高灵敏度接收机中是不能接受的。

单芯片方案采用近零IF,可使所有的信道滤波在芯片上完成,因而不需要任何外部元件。该接收机还采用一种全数字式解调器,与模拟方法相比,它可提供更佳的共信道抑制特性,还避免了在标准正交解调接收机中采用电感。但是,近零IF方法会让镜像频率通过接收机前端通带,它接近有用信号,因此必须采用镜像抑制混频器的技术来消除镜像频率信号。

在镜像抑制混频器中,混频电路的固有性质可抑制镜像频率,这要求严格控制馈送给混频器的本地振荡器信号的相位和振幅。“蓝核”芯片在频率合成器驱动电路和镜像抑制混频器之间设计了一个电路,它能自动地、不间断地优化镜像抑制性能。

“蓝核”芯片内的合成器采用一个正交调制器产生FM信号。与采用变容二极管的方法不同,在发射期间,信号处于锁定状态。因此,发射信号稳定性,宽带噪声低,频率合成器得到了优化。这种方法还有助于防止在发射机输出端产生任何交叉耦合数字噪声。

市场上大多数传统蓝牙系统中,天线和收发机之间的射频电路(包括所有的前端RF滤波器)都安置在片外。主流蓝牙设备通常提供GSM蜂窝电话和附属设备(如PDA、计算机或手机)之间的无线链路,此时有两种前端滤波器可以考虑。一种前端滤波器可保护蓝牙接收机灵敏的输入级以防过载,并可防止由GSM电话发射信号引起的对射频信号的不敏感现象。另一种前端滤波器可将任何谐波(可能是带外噪声)从蓝牙发射机输出信号中滤除。

高线性度

对于RF输入,大多传统的蓝牙系统设计采用Q值高的陶瓷或SAW滤波器,以便消除GSM发射器的阻塞信号。有些设计在蓝牙发射机的输出部分也采用了此类滤波器。但是由于蓝核产品完全以CMOS工艺制造,接收机的线性度高于同等的双极型器件。这表明RF滤波器的标准比较宽,因而设计过程比较简单,较容易实现。

为将两个均衡的发射机输出转换为单端输出,要采用一个不平衡变换电路(balun)。阻抗匹配电路将两个发射机的复合输出阻抗转换成不平衡转换电路的输入,然后再转换成功率放大器(PA)的输入阻抗,电路还要将PA的输出阻抗与滤波器的实际输入阻抗相匹配。

匹配元件

无损耗的匹配电路通常可将发射机的复输出阻抗转换成R欧姆,R可能是50。阻抗为50欧姆、长度为1/2波长的导线即可视为不平衡变换器。PA可匹配为R/2,即25欧姆,匹配电路将滤波器端口阻抗转换为50欧姆,但是,这种方法将需要大量的匹配电路元件,并非最有效的解决方案。

单芯片方案工程师广泛地计算了这些印刷元件的值,以保证Q值最大且可重复性最高。Cambridge Silicon Radio出版了蓝牙系统的免费参考设计手册,该参考设计完全采用业界标准的FR4板材(最便宜的基底材料之一),介电常数为4.2到4.8。印刷元件按照厚度、介电常数和损耗等材料参数进行设计,不需要特别严格的生产公差。为确保线宽至少达到0.1 mm,并使电路损耗低和电路Q值尽量高,电路对元件容差的灵敏度低。设计过程中要将分立元件设计方法和集总参数元件设计方法结合起来。

根据基本电路,在不平衡转换器的末端放置小数值电容和一个由传输线和一个并联电容构成电感网络,就能得到实际的不平衡变换电路。电容和传输线间的节点输出的信号输入到PA。此外,还要将不平衡变压器缩短并分成两条线。从固有的几何图形可以看到,这些印刷RF滤波器以及印刷发射机不平衡变换器的频率响应落在蓝牙发射机工作频带(也就是在2.4 GHz)的峰值之上。

配备双极接收机输入平台的蓝牙系统还需要外部发射机/接收机转换开关,通常采用包含GaAs场效应管或PIN二极管的SOT23器件。这些器件量产的成本为50美分,约为系统总成本的10%。Cambridge Silicon Radio推出的替代产品成本较低,有内置的发射/接收(Tx/Rx)开关,适用于多种设备。但是如果收发机要求预留3dB的余量,则要采用外置的Tx/Rx开关。参考设计包括外置PA、LNA、RF开关和可拆卸天线,以确保第一批“蓝核”评估系统的工作范围足够大。

屏蔽罩

传统的蓝牙系统要求为部分或全部元件提供屏蔽罩,这样成本较高,而且不适用于空间有限的蓝牙应用。此外,屏蔽罩可能本身就是天线,还需要系统为其提供屏蔽措施,这样问题就复杂了。“蓝核”不需要任何屏蔽罩。

“蓝核”方案的工程师努力将外部元件的数量降到最少。最终的蓝牙系统组成包括:一个芯片及其周边的外部表面贴装元件、一个晶体、四个低值去耦电容、四个RF屏蔽/RF匹配电容和一个2.2μF或4.7μF的微型钽电容。所有这些元件体积都很小,价格很低,不需要绕线或多层RF电感。

印刷滤波器的替代品之一是陶瓷滤波器,AVX公司等生产商已经推出适用于蓝牙的小封装、低插入损耗的陶瓷滤波器。通过采用固定电感,传输线可适当地缩短。

将整个设计分解成不平衡变换器、放大器和滤波器还可以进行仿真,从而按照特定用户要求进一步完善参考设计。但是,仿真整个电路并不可取,因为速度较慢,对详细建模进行仿真则速度更慢。