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Para chips de radiofrequência, este artigo é suficiente!
2021-12-28
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Um telefone celular que suporta chamadas, mensagens de texto, serviços de rede e aplicativos geralmente contém cinco partes:RF, banda base, gerenciamento de energia, periféricos, software.
RF:Em geral, é a parte onde as informações são enviadas e recebidas;
Banda base:Geralmente, trata-se da parte de processamento de informações;
Gerenciamento de energia:Geralmente, trata-se da economia de energia. Como os celulares são dispositivos com energia limitada, o gerenciamento de energia é muito importante;Periféricos:Geralmente inclui LCD, teclado, gabinete, etc.;software:Geralmente inclui sistemas, drivers, middleware e aplicativos.
Em terminais de telefonia móvel, os componentes principais são os chips de radiofrequência e os chips de banda base.O chip de radiofrequência é responsável pela transceptorização de radiofrequência, síntese de frequência e amplificação de potência; o chip de banda base é responsável pelo processamento de sinal e processamento de protocolo.Qual é, então, a relação entre chips de RF e chips de banda base?
A relação entre chips de RF e chips de banda base.
Radio frequency (Radio Frenquency) and baseband (Base Band) are both literal translations from English.Dentre elas, a aplicação mais antiga da radiofrequência é a radiodifusão sem fio (FM/AM). Até hoje, essa continua sendo a aplicação mais clássica da tecnologia de radiofrequência e até mesmo do campo do rádio.
A banda base é o sinal com o ponto central da banda em 0Hz, portanto, a banda base é o sinal mais básico.Algumas pessoas também chamam a banda base de "sinal não modulado". Esse conceito costumava ser correto. Por exemplo, AM é um sinal modulado (nenhuma modulação é necessária e o conteúdo pode ser lido pelo componente gerador de som após a recepção).
Mas no campo das comunicações modernas, os sinais de banda base geralmente se referem a sinais modulados digitalmente com o ponto central do espectro em 0 Hz.E não existe um conceito claro de que a banda base deva ser analógica ou digital. Tudo depende do mecanismo de implementação específico.
Em um contexto mais específico, o chip de banda base pode ser considerado como incluindo o modem, mas não se limita a ele, abrangendo também o codec de canal, o codec de origem e algum processamento de sinalização.O chip de radiofrequência pode ser considerado como a conversão ascendente e descendente mais simples do sinal de modulação de banda base.
A chamada modulação é o processo de modular o sinal a ser transmitido para a portadora de acordo com certas regras e, em seguida, enviá-lo através do transceptor sem fio (transceptor de radiofrequência). A demodulação é o processo inverso.
Princípio de funcionamento e análise de circuitos
Radiofrequência, também conhecida como RF, refere-se à corrente de radiofrequência, que é uma onda eletromagnética alternada de alta frequência. É a abreviação de Radiofrequência, que representa as frequências eletromagnéticas que podem ser irradiadas para o espaço. A faixa de frequência situa-se entre 300 kHz e 300 GHz.A corrente alternada que muda menos de 1,000 vezes por segundo é chamada de corrente de baixa frequência, e a corrente alternada que muda mais de 10,000 vezes é chamada de corrente de alta frequência, sendo a radiofrequência um exemplo de corrente de alta frequência.Alta frequência (acima de 10 kHz); radiofrequência (300 kHz-300 GHz) é a faixa de frequência mais alta da alta frequência; a faixa de frequência de micro-ondas (300 MHz-300 GHz) é a faixa de frequência mais alta da radiofrequência.A tecnologia de radiofrequência é amplamente utilizada no campo das comunicações sem fio, e os sistemas de televisão a cabo utilizam transmissão por radiofrequência.
Um chip de radiofrequência é um componente eletrônico que converte o sinal de comunicação de rádio em uma forma de onda específica e o transmite por meio da ressonância de uma antena. Ele inclui um amplificador de potência, um amplificador de baixo ruído e uma chave de antena.A arquitetura do chip de radiofrequência inclui duas partes: o canal de recepção e o canal de transmissão.
Diagrama de blocos do circuito RF
A estrutura e o princípio de funcionamento do circuito receptor
Ao receber o sinal, a antena converte a onda eletromagnética enviada pela estação base em um sinal de corrente alternada fraco, que é filtrado, amplificado em alta frequência e enviado para a frequência intermediária para demodulação, obtendo-se assim as informações de banda base recebidas (RXI-P, RXI-N, RXQ-P, RXQ-N); estas são então enviadas para o circuito lógico de áudio para processamento posterior.
Este circuito domina os pontos principais:
1. Estrutura do circuito receptor;
2. As funções e atribuições de cada componente;
3. Processamento do sinal de recepção.
Estrutura do circuito
O circuito receptor é composto por antena, chave de antena, filtro, válvula amplificadora de alta potência (amplificador de baixo ruído), bloco integrado de frequência intermediária (demodulador de recepção) e outros circuitos.Os primeiros telefones celulares possuíam circuitos de mistura primários e secundários, cuja finalidade era reduzir a frequência de recepção e, em seguida, demodulá-la (como mostrado na figura abaixo).
Diagrama de blocos do circuito receptor
2. Funções e atribuições de cada componente
1) Antena de telefone celular:estrutura:(Foto abaixo)As antenas de telefones celulares são divididas em dois tipos: antenas externas e internas; elas são compostas por uma base de antena, um solenoide e um invólucro de plástico.
a) Ao receber, as ondas eletromagnéticas enviadas pela estação base são convertidas em sinais de corrente alternada fracos.
b) Durante a transmissão, a corrente alternada amplificada pelo amplificador de potência é convertida em um sinal de onda eletromagnética.
2) Interruptor de antena:
estrutura:(Foto abaixo)O comutador de antena de telefone celular (combinador, filtro duplex) consiste em quatro interruptores eletrônicos.
Comutação completa de recepção e transmissão;
Comutação completa de recepção de sinal 900M/1800M.
O circuito lógico envia sinais de controle (GSM-RX-EN; DCS-RX-EN; GSM-TX-EN; DCS-TX-EN) respectivamente, de acordo com o estado de funcionamento do telefone celular, para que os respectivos canais sejam ativados, permitindo que os sinais de recepção e transmissão sigam seus caminhos independentemente, sem interferir uns com os outros.
Isso ocorre porque o celular não pode funcionar simultaneamente em modo de recepção e transmissão (ou seja, não transmite enquanto recebe e não recebe enquanto transmite).Portanto, posteriormente, os novos telefones celulares removeram os dois interruptores no caminho de recepção, deixando apenas dois interruptores de transmissão; a tarefa de comutação de recepção passou a ser realizada pela válvula amplificadora de alta potência.
3), filtro:
estrutura:Existem filtros de alta frequência e filtros de média frequência em telefones celulares.efeito:Filtrar outros sinais inúteis e obter sinais recebidos puros.Os celulares mais recentes são todos celulares de frequência intermediária zero; portanto, não há filtro de frequência intermediária no celular.
4), válvula amplificadora de alta frequência (válvula amplificadora de alta frequência, amplificador de baixo ruído):
estrutura:
Existem dois tubos amplificadores de alta potência em telefones celulares:Tubo de descarga de 900 m de altura, tubo de descarga de 1800 m de altura.São todos circuitos amplificadores de emissor comum com triodo; posteriormente, os novos telefones celulares integraram válvulas amplificadoras de alta frequência dentro do circuito de frequência intermediária.
Diagrama da fonte de alimentação da válvula amplificadora de alta frequência
Amplifique a corrente fraca induzida pela antena para atender aos requisitos de amplitude do sinal do circuito subsequente.
Comutação completa do sinal de recepção de 900M/1800M.
princípio:
distribuído por:As tensões de polarização de base das duas válvulas amplificadoras de alta frequência de 900M/1800M compartilham um canal, fornecido pelo canal simultâneo de FI; e a tensão de polarização dos coletores das duas válvulas é enviada pela CPU de FI em dois canais, de acordo com o status de recepção do telefone celular. Seu objetivo é completar a comutação dos sinais recebidos em 900M/1800M.
Após filtrar outras interferências, o sinal puro recebido de 935M-960M é acoplado por um capacitor e enviado à válvula amplificadora de alta frequência correspondente para amplificação, sendo então enviado à frequência intermediária através do acoplamento capacitivo para processamento subsequente.
5), FI (interface de RF, processador de sinal de RF):
estrutura:É composto por um demodulador de recepção, um modulador de transmissão, um detector de fase de transmissão e outros circuitos; o novo telefone celular também integra internamente um tubo amplificador de alta potência, um sintetizador de frequência, um oscilador de 26 MHz e um circuito de divisão de frequência (como mostrado abaixo).
a) O tubo amplificador interno amplifica a corrente fraca induzida pela antena;
b) Ao receber, demodule o sinal de frequência portadora recebido (com informações de contraparte) de 935M-960M (GSM) e o sinal do oscilador local (sem informações) para obter as informações de banda base recebidas de 67.707KHZ;
c) Ao transmitir, module a informação transmitida, processada pelo circuito lógico, e o sinal do oscilador local para uma frequência intermediária de transmissão;
d) combinar cristal 13M/26M para gerar clock 13M (circuito de clock de referência);e) Com base no sinal de referência enviado pela CPU, é gerado um sinal de oscilador local que esteja em conformidade com o canal de trabalho do telefone celular.
3. Processamento do sinal de recepção
Quando o celular está recebendo sinal, a antena converte a onda eletromagnética enviada pela estação base em um sinal de corrente alternada fraco, que passa pelo circuito de recepção da antena e é enviado a um filtro de alta frequência para filtrar interferências desnecessárias, obtendo-se um sinal puro de 935M-960M (GSM). Este sinal é acoplado à frequência intermediária por um capacitor. Após ser amplificado por uma válvula amplificadora de alta frequência, o sinal é enviado ao demodulador para demodular o sinal do oscilador local (sem informações), obtendo-se assim as informações de banda base de 67.707 kHz (RXI-P, RXI-N, RXQ-P, RXQ-N). Essas informações são então enviadas ao circuito lógico de áudio para processamento posterior.
A estrutura e o princípio de funcionamento do circuito transmissor.
Durante a transmissão, as informações de banda base processadas pelo circuito lógico são moduladas em uma frequência intermediária de transmissão, e o TX-VCO é usado para converter a frequência do sinal de frequência intermediária de transmissão em um sinal de frequência de 890M-915M (GSM).Após ser amplificado pelo amplificador de potência, o sinal é convertido em ondas eletromagnéticas e irradiado pela antena.
Este circuito domina os pontos principais:
(1), estrutura do circuito;
(2) As funções e tarefas de cada componente;
(3). Processo de transmissão de sinal.
Estrutura do circuito
O circuito de transmissão é composto pelo modulador de transmissão, detector de fase de transmissão, oscilador controlado por tensão de transmissão (TX-VCO), amplificador de potência, controlador de potência, transformador de transmissão e outros circuitos dentro da frequência intermediária.(Foto abaixo)
Diagrama de blocos do circuito transmissor
1) Modulador de transmissão:estrutura:O modulador de transmissão está dentro da FI (Frequência Intermediária), que é equivalente ao MOD (Modulação de Modo) na rede de banda larga.efeito:Durante a transmissão, as informações da banda base de transmissão (TXI-P; TXI-N; TXQ-P; TXQ-N) processadas pelo circuito lógico e o sinal do oscilador local são modulados em uma frequência intermediária de transmissão.
2) Oscilador controlado por tensão de transmissão (TX-VCO):estrutura:O oscilador controlado por tensão de transmissão é um circuito oscilador capacitivo de três pontos cuja frequência de saída é controlada pela tensão; ele é integrado em uma pequena placa de circuito impresso durante a produção e possui cinco pinos:Pino de alimentação, pino de aterramento, pino de saída, pino de controle, pino de comutação da banda de frequência de 900M/1800M.Quando houver uma tensão de trabalho adequada, o dispositivo oscilará e gerará um sinal de frequência correspondente.
efeito:Converter o sinal IF transmitido, modulado pelo modulador IF, no sinal de frequência de 890M-915M (GSM) que a estação base pode receber.
princípio:Como todos sabemos, a estação base só pode receber sinais de frequência de 890M-915M (GSM), mas não consegue receber o sinal de FI modulado pelo modulador de FI (como o sinal de FI transmitido pela Samsung em 135M). Portanto, utiliza-se um VCO de transmissão (TX-VCO) para converter a frequência do sinal de FI transmitido para um sinal de frequência de 890M-915M (GSM).
Durante a transmissão, a seção de alimentação envia uma tensão de 3VTX para fazer o TX-VCO funcionar, gerando um sinal de frequência de 890M-915M (GSM) de duas maneiras:
a) A amostra é enviada de volta para o IF interno, misturada com o sinal do oscilador local para produzir um sinal de discriminação de frequência de transmissão igual à frequência intermediária de transmissão e enviada ao detector de fase para comparação com a frequência intermediária de transmissão; se a frequência de oscilação do TX-VCO não corresponder ao canal de operação do telefone celular, o detector de fase gerará uma tensão de salto de 1-4V (tensão CC com informações de transmissão CA) para controlar a capacitância do diodo varactor dentro do TX-VCO, com o objetivo de ajustar a precisão da frequência.
b) Após ser amplificado pelo amplificador de potência, o sinal é convertido em ondas eletromagnéticas e irradiado pela antena.
Como pode ser visto acima:A frequência gerada pelo TX-VCO é amostrada e enviada de volta para o IF, e então a tensão é gerada para controlar a operação do TX-VCO. Ele forma um circuito fechado e controla a fase da frequência, por isso esse circuito também é chamado de circuito de PLL de transmissão.
3), amplificador de potência (amplificador de potência):
estrutura:Atualmente, o amplificador de potência dos telefones celulares é um amplificador de potência de banda dupla (amplificador de potência de 900M e amplificador de potência de 1800M integrados em um só), que se divide em dois tipos: amplificador de potência com invólucro de vinil e amplificador de potência com invólucro de metal; modelos diferentes de amplificadores de potência não são intercambiáveis.
efeito:O sinal de frequência oscilado pelo TX-VCO é amplificado para obter corrente de potência suficiente, que é convertida em ondas eletromagnéticas pela antena e irradiada.
Vale nada:O amplificador de potência amplifica a amplitude do sinal de frequência transmitido, não a sua frequência.
Condições de funcionamento do amplificador de potência:
a) tensão de trabalho (VCC):O amplificador do celular é alimentado diretamente pela bateria (3.6V);
b), terminal de aterramento (GND):fazendo com que a corrente forme um circuito;
c), sinal de conversão de energia de dupla frequência (BANDSEL):Controle o amplificador de potência para funcionar em 900M ou 1800M;
d), sinal de controle de potência (PAC):Controlar a quantidade de amplificação (corrente de operação) do amplificador de potência;
e), sinal de entrada (IN); sinal de saída (OUT).
4) Transformador transmissor:estrutura:Duas bobinas com diâmetro de fio e número de espiras iguais são colocadas próximas uma da outra e são compostas utilizando o princípio da indutância mútua.efeito:Envie a amostra de corrente de transmissão do amplificador de potência para o controle de potência.princípio:Quando a corrente de potência do transmissor, proveniente do amplificador de potência, passa pelo transformador do transmissor durante a transmissão, uma corrente de mesma magnitude que a corrente de potência é induzida em seu lado secundário, a qual é detectada (retificada em alta frequência) e enviada ao controle de potência.
5), sinal de nível de potência:O chamado nível de potência significa que os engenheiros dividem o sinal recebido em oito níveis ao programar o celular. Cada nível de recepção corresponde a um nível de potência de transmissão (como mostrado na tabela abaixo). Quando o celular está funcionando, a CPU determina a distância entre o celular e a estação base com base na intensidade do sinal recebido e envia um sinal de nível de transmissão apropriado para determinar a amplificação do amplificador de potência (ou seja, quando a recepção é forte, a transmissão é fraca).
Segue em anexo a tabela de níveis de potência:
efeito:Compare o sinal de amostragem da corrente de potência transmitida com o sinal de nível de potência para obter um sinal de tensão adequado para controlar a quantidade de amplificação do amplificador de potência.
princípio:Quando a corrente de energia passa pelo transformador transmissor durante a transmissão, a corrente induzida em seu secundário é detectada (retificação de alta frequência) e enviada ao controle de potência; ao mesmo tempo, o sinal de nível de potência predefinido durante a programação também é enviado ao controle de potência; os dois sinais são comparados internamente para gerar um sinal de tensão que controla a amplificação do amplificador de potência, de modo que a corrente de operação do amplificador seja moderada, o que não só economiza energia, mas também prolonga a vida útil do amplificador (quanto maior a tensão de controle de potência, maior a potência do amplificador).
3. Processo de transmissão de sinal
Durante a transmissão, as informações de banda base de transmissão (TXI-P; TXI-N; TXQ-P; TXQ-N) processadas pelo circuito lógico são enviadas ao modulador de transmissão dentro da frequência intermediária e moduladas com o sinal do oscilador local na frequência intermediária de transmissão.Caso a estação base não consiga receber o sinal de frequência intermediária, o TX-VCO deve ser utilizado para aumentar a frequência do sinal transmitido para 890M-915M (GSM) para que a estação base possa recebê-lo.Quando o TX-VCO está funcionando, o sinal de frequência gerado por 890M-915M (GSM) segue dois caminhos:
a) Um canal de amostragem é enviado de volta para o IF interno, misturado com o sinal do oscilador local para produzir um sinal de discriminação de frequência de transmissão igual à frequência intermediária de transmissão e enviado ao detector de fase para comparação com a frequência intermediária de transmissão; se a frequência de oscilação do TX-VCO não corresponder ao canal de trabalho do telefone celular, o detector de fase gerará uma tensão de salto de 1-4V para controlar a capacitância do diodo varactor dentro do TX-VCO para ajustar a frequência.
b) O amplificador de potência de entrada bidirecional é amplificado e convertido em ondas eletromagnéticas pela antena para radiação.Para controlar a amplificação do amplificador de potência, quando a corrente elétrica passa pelo transformador de transmissão durante a transmissão, a corrente induzida em seu secundário é detectada (retificação de alta frequência) e enviada ao controle de potência; simultaneamente, o sinal de nível de potência predefinido durante a programação também é enviado ao controle de potência; os dois sinais são comparados internamente para gerar um sinal de tensão que controla a amplificação do amplificador de potência, de modo que a corrente de operação do amplificador seja moderada, o que não só economiza energia, como também prolonga a vida útil do amplificador.
Situação atual da cadeia produtiva nacional de chips de radiofrequência
No setor de chips de radiofrequência, o mercado é monopolizado principalmente por gigantes estrangeiros. Em relação aos chips de radiofrequência nacionais, nenhuma empresa consegue operar de forma independente como um modelo de fabricação independente (IDM), sendo a maioria empresas de design fabless; as empresas nacionais desenvolveram um modelo de "IDM flexível" por meio de colaborações em design, fundição e embalagem.
Em termos de encapsulamento de chips de RF, por um lado, a frequência dos chips de RF 5G aumenta, o que faz com que os fios de conexão no circuito tenham um impacto maior no desempenho do circuito. Ao encapsular o chip, o comprimento dos fios de conexão do sinal precisa ser reduzido; por outro lado, o amplificador de potência, o amplificador de baixo ruído, a chave e o filtro precisam ser encapsulados em um módulo. Isso reduz o tamanho e facilita o uso pelos fabricantes de terminais downstream.Para reduzir os efeitos parasitas dos parâmetros de radiofrequência (RF), é necessário utilizar as tecnologias de encapsulamento Flip-Chip, Fan-In e Fan-Out.
Quando o Flip-Chip é encapsulado com os processos Fan-In e Fan-Out, não há necessidade de conexões de sinal através de fios de ouro, o que reduz os efeitos elétricos parasitas causados por esses fios e melhora o desempenho de RF do chip. Na era do 5G, a combinação de Flip-Chip/Fan-In/Fan-Out de alto desempenho com a tecnologia de encapsulamento SIP será a tendência futura em encapsulamento.
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