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微功率无线发射/接受集成电路及其应用

微功率无线发射/接受集成电路及其应用

点击数:7373 次   录入时间:03-04 11:42:55   整理:http://www.55dianzi.com   射频技术-RFID

   近几年,电子产品市场出现了一些微功率无线发射/接收集成电路,为新型电子产品的设计与应用提供了极大的方便。这些无线发射/接收集成电路发射功率较小(≤+l5dBm),通讯距离较短(约lO0m左右),因此不受无线通讯管制的限制,广泛应用子生产、交通、商业和日常生活等领域。

  无线发射/接收芯片应用范冈主要有:车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、小型无线数据终端、无线抄表、酒店点菜系统、银行智能回单系统、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、手持式现场设备、机器人控制、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、安全防火系统、无线遥控系统、无线电话机(座机)以及无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音和数字图像传输等。

    发射/ 接收集成电路的选择与比较

  由于无线发射/ 接收芯片的种类和数量比较多,表1列举了几种常用的无线发射/ 接收集成电路参数的比较,如何在设计中选择所需要的芯片显得非常关键,正确的选择可以使设计老少走弯路,降低成本,更快地将产品推向市场,选择芯片有下面几点需要考虑:

  表1

制造商 XEMICS NoDIC RFMD BlueChip Chipcon 产品型号 XE1201A NRF401 RF2915 BCC418 CC400 工作频率 300~5OOMHz 433MHz 300~1000MHz 300~6OOMHz 300~5OOMHz 频宽 l25kHz l5kHz 200kHz >30kHz 2~lOOkHz 中频 零中频 400kHz 10.7MHz 零中频 60kHZ 工作电压 2.4~5.5V 2.7~5.25V 2.4~5.OV 2.5~3.4V 2,7~3.3V 最大输出功率 5dBm lOdBm 8.5dBm l5dBm l4dBm 灵敏度 -lO9dBm -lO5dBm -99dBm -llOdBm -ll2dBm 传输速度 64kbps/150kbp 20kbps 9.6kbps 2.4kbps 9.6kbps 接收电流 6mA 11mA 6.1mA 7.8mA 18mA 发射电流 12mA/+5dBm 27mA/lOdBm 22mA/1OdBm 40mA/14dBm 50mA/lOdBm 切换时间 60μs 3ms 1OOμS   lOOμs (发射-接收) 切换时日1 l5μS lms lOOμs   lOOμs (接收-发射) 三总线控制 有 无 无 九总线 有 同步位元器 有 无 无 曼彻斯特 曼彻斯特 使用晶振 4MHz 4MHz 外接锁相环 1OMHz l2MHz

  1. 是否选择采用数据传输中需要进行曼彻斯特编码的芯片

  采用曼彻斯特编码的芯片,编程时需要较高的技巧和经验,需要更多的内存和程序容量,曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率,一般仅能达到标称速率的 1/3。

  采用串口传输的芯片,应用及编程非常简单,传送效率高,标称速率就是实际速率。

  2. 无线发射/ 接收芯片所需的外围电路元件数量

  芯片外围电路元件的数量很大程度上直接决定产品成本,因此应该选择外围元件更少的无线发射/接收芯片,有的芯片价格似乎比较便宜,其外围电路使用很多昂贵的元件,如变容管、滤波器等;有的芯片发射/接收分别需要两根天线,都会大大增加成本。

  3.系统功耗大多数无线发射/接收芯片应用于便式产品上,因此功耗非常重要,根据需要选择系统综合功耗较小的产品。

  4.发射功率在同等条件下,为保证有效、可靠通信,应该选用发射功率较高、接收灵敏度较高的产品,但是同时也应该注意到发射功率较高的产品,功耗都会比较高。

  5.已收发芯片的封装和管脚数

  发射/接收芯片具有较少的管脚以及较小的封装体积,有利于减少PCB面积低产品成本,适合便携式产品的设计,也有利于开发和生产。

  6. 通讯频道

  发射/ 接收芯片有单频道和多频道应根据情况选择。

   二、集成收/发芯片nRF401nRF401

  无线收发芯片是挪威NordIC公司推出的一种射和接收为一体的无线数据传输芯片,芯片中包含了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等功能,工作在433MHz的频率主,采用了移频键控进行调制解调,能够以20Kbps的比特率进行无线数据传输。集成度高、工作频率稳定可靠、外围元件少、功耗低,适合于便携式及手持产品的设计,由于采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计方案,因而可满足无线电管制要求,无需申请许可证,是目前低功耗无线数传的理想选择。由于其接口无需曼彻斯特编码,可以与廉价的单片机直接连接。这也是为什么新型的收/发集成电路层出不穷而nRF401仍在广泛使用的主要原因。下图为Nrf401内部电路框图:

Nrf401内部电路框图

  图中TXEN为发送使能端,CS为频率选择端,RWR_UP为节电模式选择端,ANT1/ANT2为天线接口,  nRF401有接收模式、发射模式和等待模式三种工作模式。在等待模式下,系统的功耗可以达到很小的值。两个通信信道分别为433.92MHz和434.33MHz。nRF401工作模式可由TXEN、CS和PWR-UP3个引脚设定,具体工作模式控制方式如表2所示,下图为nRF401典型接线图。nRF401典型接线图

  由表1可知电源VDD为2.7~5.25V,采用2节干电池3V作为电源VDD电压。DIN和OUT可分别连接需要发射/接收共用一支天线。

  无线通讯的其它电路数据输出和输入端。由表2可知,使能TXEN、PWR_UP和CS处于不同的高低电平可决定收/发集成电路nRF401不同工作模式。高电平可通过接lkΩ左右的上拉电阻接到VDD获得,低电平接参考地即可。

  表2

输入 相应 TXEN CS OWR-UP 信道 模式 0 0 1 1 接收 0 1 1 2 接收 1 0 1 1 发射 1 1 1 2 发射 X X 0 …… 等待

  nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入,以及发送时发射功率放大器PA的输出,连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401,一个50Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401,采用外接天线的收/发集成电路nRF401的通讯距离更远(在开阔地带接近1000m)。

  一个好的PCB设计对于获得好的RF性能是必须的,推荐使用至少两层板。尽重采用大面积接地屏蔽。

  nRF401的直流供电必须在离VDD脚尽可能近的地方用高性能的RF电容去锅。如果一个小电容再并上一个较大的电容效果会更好,nRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离。在PCB布局中应该避免长的电源走线,所有元件地线、VDD连线、VDD去耦电容必须离nRF401尽可能近)如果PCB设计的顶层有铺铜,VSS脚必须连接到铺铜面,如果PCB设计的底层有铺铜,与VSS的焊盘有一个过孔相连会获得更好的性能。所有开关数字信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。需要特别说明的是VCO电感的布局是非常重要的。




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