手机接收机的功能电路（3）---振荡电路、锁相环

本文继续介绍手机接收机链路中主要的电路模块，包含振荡电路、锁相环

六．振荡电路

在电子设备中,振荡器的用途极为广泛。振荡电路的种类很多,按其工作原理,可分为反馈型振荡电路、负阻型振荡电路、多谐振荡电路(张弛振荡)；按使用元件,又分为IC振荡器、RC振荡器、晶体振荡器等。
按需要,振荡器可产生正弦波、脉冲波等。振荡器以放大器为基础,引入正反馈即可得到振荡电路如图1-31所示。产生振荡的条件有两个：正反馈和环路增益为1。

1．LC荡器
把只由L和C构成的反馈电路称为LC振荡器。LC振荡器有调谐型和三元件型。它们包括集电极调谐型振荡器、基极调谐型振荡器、发射极调谐型振荡器；三点式的有，电容三点式振荡器和电感三点式振荡器。
2．RC振荡器
把由R和C构成的反馈电路称为RC振荡器,RC振荡器有电桥式和移相式。移相式又分为HP型和LP。HP是High Pass的缩写,即反馈电路由高通滤波器构成。LP是Low Pass的缩写即指反馈电路由低通滤波器构成。
图1-32（a）为RC移相振荡电路，通常用于频率需求较低的情况下。无绳电话中的导频的产生、呼叫信号的产生多采用这种电路。可调电阻R5用于调较振荡频率。图1-32(b)为维恩电桥振荡器。

3．晶体振荡器
在移动通信中，以动台需要能够根据实时分配到的话音信道改变自己的工作频率，这就要求必须有足够精度、稳定性好的频率合成器。而且随着通信技术的发展,对频率的稳定性和准确度的要求越来越高。在移动通信中,为了减少移动台之间或与基站间的相互干扰,常常要求频率稳定度优于10-5。而RC和LC都难达到这个精度。
只有高精度、高稳定性的振荡才可以减小因频率偏移而造成的邻近信道干扰。
石英晶片具有压电效应,能做成谐振器,且晶片本身的固有机械振动频率只与晶片的几何尺寸有关,其振动频率可以做得非常精确稳定。利用石英晶体振荡器可把振荡频率稳定度提高几个数量级。
在石英晶片的两面镀银,引出电极,然后封装在由金属或胶木、玻璃等材料制成的外壳里就得到晶体振荡器。石英晶体可以用人工合成,也可将天然晶体切割成晶片。
晶体用于振荡电路的形式较多。诺基亚2110的DSP(数字语音处理器)时钟振荡器为其中的一种,它构成射极跟随器,也被称为萨巴罗夫电路。
虽然晶体振荡器的振荡频率稳定,但由于某些客观因素的影响,使频率稳定度变差。晶体振荡器的频率稳定度主要受三种因素的影响：
**①是负载效应。**减小负载效应一般是加隔离器,如射极跟随器等。2110的DSP时钟振荡器为射极输出,其带负载的能力就比较强,但为提高稳定度,其后还加了一级射极输出器,并采用变压器耦合加以隔离。图1-33就是一个射极输出的晶体振荡电路。

**⑵是推频效应。**所谓推频效应,即由于供电系统条件发生改变,致使振荡电压源和电流发生改变、振荡器件的工作参数发生改变,最终使振荡器出现频率漂移。所以对其电压源要求较高,在移动电话内一般均使用专门的、比较精确的电源。如摩托罗拉168手机的VCO电源就通过了两次稳压。在诺基亚232和摩托罗拉168手机的发射接收VCO电路中,为了使振荡管具有较稳定的偏置,除了采用高精度的稳压电源外,还采用了固定分压偏置的共发射极电路。

**③是温度效应。**晶体振荡器受温度的影响比较大,一般采用温度补偿或将振荡器放入恒温环境中来解决，温度补偿法包括模拟温度补偿、数字温度补偿及模拟—数字温度补偿法二大类。温度补偿电路有电容补偿电路及热敏网络补偿电路；电容补偿方法简单,但补偿范围较窄,一般在0～50℃之间,补偿精度一般可达到±5×106。而热敏网络补偿电路则用得较多,其补偿范围宽,在-40～70℃之间,补偿精度可达到±0.2×106。其原理图如图1-34所示。利用热敏网络给变容二极管提供一个随晶体工作环境变化的反向偏压,通过变容二极管电容的变化来补偿晶体振荡器因温度而导致的频率漂移。
在实际的移动电话电路中,目前多使用温度补偿压控振荡器组件(VCTXO)。如诺基亚232的14.85MHz振荡器和摩托罗拉168的16.8MHz振荡器,它们被封装在一个金属外壳里,与外界环境隔开。前者为接收发射VCO及PLL锁相环电路提供基准频率；后者既为射频电路提供基准频率,又为逻辑电路提供时钟信号。

七．锁相频率合成器

1．频率合成
在现代的移动通信中,常要求系统能够提供足够的信道,移动台也需能根据系统的控制变换自己的工作频率,这就需提供多个信道的频率信号。然而使用多个振荡器是不现实的，在工程中,通常使用频率合成器来提供有足够精度、稳定性好的工作频率。
将一个或多个基准频率信号变换为另一个或多个所需频率信号的技术称为频率合成,或频率综合技术。移动电话通常使用的是带锁相环的频率合成器。图1-35为一个频率合成器的方框图。

我们设参考振荡信号为f1,VCO输出信号为f2,分频器输出的信号为f2/N,这整个环路的控制目的就是要使f1=f2/N。
在手机电路中,一个频率合成系统通常包含几个频率合成环路：接收VCO频率合成环路、接收中频VCO频率合成环路、发射中频VCO频率合成环路等。不管是哪一个频率合成环路,其电路结构均如图1-35所示。
（1）．参考振荡
参考振荡在频率合成乃至在整个手机电路中都是很重要的。在手机电路中,特别是GSM手机中,这个参考振荡被称为基准频率时钟电路,它不但给频率合成环路提供参考信号,还给手机的逻辑电路提供信号，如该电路出现故障,手机将不能开机。
手机电路中的参考振荡都使用晶体振荡电路。而且,大多数手机中使用的是一个基准频率时钟VCO组件。在GSM手机中,这个组件输出频率是13 MHz,有时它被称为13MHz晶体。事实上它是一个VCO组件,13 MHz晶体及VCO电路中的晶体管及变容二极管等器件被封装在一个频率罩内(参见13MHz晶体振荡器的识别)。
13MHz振荡电路受逻辑电路提供的AFC(自动频率控制)信号控制。由于GSM手机采用时分多址(TDMA)技术,以不同的时间段(Slot,时隙)来区分用户,故手机与系统保持时间同步就显得非常重要。若手机时钟与系统时钟不同步,则会导致手机不能与系统进行正常的通信。
在GSM系统中,有一个公共的广播控制信道(BCCH),它包含频率校正信息与同步信息等。手机一开机,就会在逻辑电路的控制下扫描这个信道,从中获取同步与频率校正信息，如手机系统检测到手机的时钟与系统不同步,手机逻辑电路就会输出AFC信号。AFC信号改变13MHz电路中VCO两端的反偏压,从而使该VCO电路的输出频率发生变化,进而保证手机与系统同步。

图1-36是部分手机电路中的13MHz电路(基准频率时钟电路)。
由手机基准频率时钟电路图我们可以发现,不管是哪个厂家的电路,在13MHz电路中，都可以看到AFC的字样,所以“AFC”是我们寻找13MHz振荡电路的一个关键。
当然,不同手机的基准频率时钟电路也有一些不同的标识,如图1-26所示。
诺基亚8810图中G801的3脚是控制端,1脚是输出端,2脚是电源端。
松下GD90图中,U350是一个VCO组件。其4脚是电源端,3脚是输出端,2脚是接地端,1脚是控制端,Q350电路是一个VCO的缓冲放大器。
诺基亚6150的图中,G650是一个VCO组件。其1脚是输出端,2脚是电源端,3脚是接地端,4脚是控制端,V600是ⅤCO的缓冲放大器。
上图中除cd928中的基准频率时钟电路使用的是一个单一的晶体与集成电路内的电路构成振荡电路外,其他几幅图中的基准频率振荡电路均使用的基准频率时钟振荡组件。这些VCO组件都有4个端口：电源端；接地端；输出端与控制端(参见VCO的识别部分).。读图时应注意图中所指示的一些电路标识。
（2）鉴相器
鉴相器简称PD,是英文Phase Detector的缩写。它是一个相位比较器,是一个相差—电压转换装置,可将VCO振荡信号的相位变化变换为电压的变化。鉴相器输出的是脉动直流信号,这一脉动直流信号经LPF滤除高频成分后去控制VCO电路。
鉴相器是相位比较装置,它对基准信号f1与VCO产生的信号f2进行相位比较,输出反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器多种多样,有模拟的,也有数字的。如双D鉴相器、鉴颁鉴相器等。
当采用数字鉴相器时,由于其输出为双端口输出,故在与环路滤波器的连接上很成问题。通常在两者之间加入一个双端输人单端输出,且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路,这一电路被称为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉的GSM手机中,其发射频率合成中基本上都使用了泵电路。
在频率合成器中,为了作精确的相位比较,鉴相器均在低频下工作。
在手机电路中,鉴相器通常与分频器被集成在一个专用的芯片中(这个芯片通常被称为PLLIC)或被集成在一个复合芯片内(即该芯片包含多种功能电路)。

要查找鉴相器PD在什么地方,就需要先找出VCO电路和低通滤波器电路。参见变容二极管部分内容及“手机电路的识别”。
在诺基亚8810图中,N820的3脚是PD输出端口。通过“1006～1 031 MHz”的标识可断定该信号是一个VCO信号；电阻R834、R820、R821及电容C821、C820等构成一低通滤波器；从SDATA等可以断定它所接的是频率合成电路中的程控分频器。参照频率合成的方框图,就可找到PD的输出端口(重要的是找出电阻电容构成的低通滤波器与VCO电路)。
在cd928图中,U220的23脚是PD输出端口。
（3）．低通滤波器
低通滤波器简称LPF,是英文Low Pass Filter的缩写。低通滤波器又被称为环路滤波器，它是一个RC电路,位于鉴相器与VCO电路之间。低通滤波器电路基本形式如图所示。

图747中,R834、R820～R822及C820～C822组成的电路是诺基亚8110手机的UHFVCO频率合成环路中的低通滤波器(参见RC电路部分)。

鉴相器的输出不仅有控制信号,还有一些高频谐波成分,这些谐波将影响VCO电路的工作，低通滤波器就是要把这些高频成分滤除。
（4）．压控振荡器
压控振荡器简称VCO,是英文Voltage Control Oscillator的缩写。压控振荡器是一个电压—频率转换装置,可将鉴相器PD输出的相差电压信号的变化转化成频率的变化。
VCO电路为电压控制电路。其电压控制功能的完成是通过一个特殊的器件来完成的,这个器件就是变容二极管。
鉴相器输出的相差电压实际上是加在变容二极管两端的，当鉴相器输出发生变化时,变容二极管两端的反偏发生变化,导致变容二极管的结电容改变,VCO振荡回路改变,VCO输出频率也随之改变。在实际应用中,变容二极管为反向偏置使用,其线性好,可控范围大。
在手机电路中,VCO多种多样。有接收机VCO,有发射机VCO等。从电路形式上来说,VCO有分离元件电路与VCO组件(参见VCO组件的识别)。
早期的手机电路中的UHFVCO(或RFVCO、RXVCO等)通常是使用VCO组件,IFVCO(或VHFVCO等)使用的是分离元件的ⅤCO电路；现在手机电路中的VCO基本土都使用了VCO组件。

图1-39是摩托罗拉cd928的接收VCO电路(RXVCO)；图1-40是诺基亚8110的接收VCO(UHFVCO)电路。在查找VCO电路时,应抓住VCO电路的一些特点(参见变容二极管、三极管和“手机电路识别”)。
图1-39为摩托罗拉cd928手机的接收VCO电路,其他摩托罗拉87、328的TXVCO与RXVCO基本与它相似；诺基亚6110的232MHz电路等都是这种基本电路形式。而三星SGH600、爱立信788、诺基亚8810等的接收VCO结构均如图1-40所示。随着手机小型化的发展,越来越多的手机使用VCO组件。

VCO在频率合成中相当重要。为了减小负载效应对VCO的影响,通常在VCO的输出端加人缓冲放大器。
压控振荡器在锁相环中比较重要,是频率合成及锁相环路的核心电路。它应满足这样的特性：输出幅度稳定性要好,在整个VCO工作频带内均应满足此要求,否则会影响鉴相灵敏度；频率覆盖范围要有余量；电压—频率变换特性的线性范围要宽。
（5）．分频器
鉴相器是将VCO输出信号与参考信号进行比较。在频率合成中,为了提高控制精度,鉴相器在低频下工作。而VCO输出频率比较高,这就离不开分频技术。
手机中的频率合成环路多,不同的频率合成环路使用的分频器不同：接收机的第一本机振荡(RXVCO、UHFVCO、RHVCO)信号是随信道的变化而变化的,该频率合成环路中的分频器是一个程控分频器,其分频比受控于手机的逻辑电路；中频VCO信号是固定的,中频VCO频率合成环路中的分频器的分频比也是固定的。
程控分频器受控于频率合成数据信号(SYNDAT、SYNDATA或SDAT)。
分频器通常被集成在PLL电路或一个复合中频模块中。在电路图中查找分频器可从两个方面着手；一是从ⅤCO的输出端去找；二是根据频率合成控制信号去找(参见手机电路的识别)。
频率合成环路包含5个基本的功能电路：参考振荡；鉴相器；低通滤波器；压控振荡器；分频器。
参考振荡给频率合成环路提供基准信号,使手机的工作频率与系统保持一致鉴相器是一个相位—电压转换装置,它将信号相位的变化变为电压的变化。显然,这是一个比较器。
低通滤波器滤掉鉴相器输出的高频成分,以防止高频谐波对VCO电路的影响。在鉴相器中,参考信号与VCO分频后的信号进行比较。
VCO是一个电压一频率转换装置,它将电压的变化(鉴相器输出电压的变化)转化为频率的变化。VCO输出的信号通常是一路到其他功能电路；另一路回到分频器作取样信号。
分频器包含程控分频器和一般分频器。程控分频器的分频比是可变的,手机电路中UHFVCO(RXVC0)频率合成环路中的分频器就是一个程控分频器；一般分频器的分频比是固定的,手机电路中VHFVCO频率合成中分频器是固定的。分频器将VCO信号进行分频,得到频率比较低的信号,以提供鉴相器的比较精度(提高频率合成环路的控制精度)。
当VCO处于正常工作状态时,VCO输出一个固定的频率，若某种外界因素如电压、温度导致VCO频率升高,则分频输出的信号f2/N比参考信号f1高,鉴相器检测到这一变化后,其输出电压减小,使变容二极管两端的反偏压减小。这使得变容二极管的结电容增大,振荡回路改变,VCO输出频率降低。若外界因素导致VCO频率下降,则整个控制环路执行相反的过程。
在频率合成器中,基准频率f1是由晶体振荡器产生的信号分频而得。另一方面,程控分频器则将VCO产生的f分成f/N。这两个信号被送到鉴相器(PD，Phase Detector),当信号f/N与基准信号的频率、相位出现误差时,鉴频器输出对应于相位差的信号差电压。该信号经低通滤波器滤除高次谐波成分,去控制VCO的振荡频率。当f/N与基准频率的频率相位相同时,鉴相器的输出为0,VCO以原来的频率f=Nf继续振荡。只要电路工作正常,VCO的输出频率为Nf1,通常把这时的状态称为锁定状态。
程控分频器可以设定分频比,因此如果改变N,则PLL可以在跟踪范围内改变VCO的输出频率。移动电话的信道切换控制就是逻辑电路通过控制程控分频器的分频比来实现的。
当VCO信号工作在一个信道上并锁定时,f1=f/N,鉴相器PD输出保持不变。若逻辑电路改变N,则f/N发生变化,鉴相器检测到这种变化后,就会改变其输出,直到使f/N= f1。
以摩托罗拉cd928手机为例：
当接收机工作在GSM60信道时(使用摩托罗拉GSM手机测试指令设置。GSM60信道时手机接收频率为947MHz),VCO电路中变容二极管CR202负极电压为2.23V,VCO输出频率为731.996 MHz。
当设置手机工作于GSM的001信道时,逻辑电路控制程控分频器的N减小。这时, f/N大于fl,PD检测到这个变化后,要控制使f/N =fl,其输出电压减小。VCO电路中变容二极管的反偏压也随之减小,变容二极管的结电容增大,从而使VCO的输出频率下降。这时变容二极管负极电压为1,81V,VCO输出频率为720.166MHz；当手机要工作在高于60信道的信道上工作时,例如124信道,整个环路则发生相反的变化(N增大)。变容二极管负极电压为2.59V,VCO输出频率为744.765 MHz。
在移动电话的频率合成器中,其控制信号SYNDAT(频率合成器数据信号)、SYNCLK(频率合成器时钟信号)及SYN EN(频率合成器允许/禁止)均来自于逻辑电路。
2．锁相环PLL
锁相环的种类很多,它包括3个最基本的部件：鉴相器PD、环路滤波器(Loop Filter)和压控振荡器VCO。如图1-41所示。虽然锁相环看起来与频率合成器的框图很相似,但它是不同的两个概念,应注意区分。
鉴相器是相位比较装置,它对基准信号fl与VCO产生的信号f2进行相位比较,产生反映两信号相位误差的误差电压。鉴相器多种多样,有模拟的,也有数字的。如双D鉴相器、鉴频鉴相器等。
当采用数字鉴相器时,由于其输出为双端口输出,故在与环路滤波器的连接上很成问题。通常在两者之间加入一个双端输人单端输出,且能将鉴相器输出的相位误差信号正确地反映出来的电路,这个电路被称为电荷泵或泵电路。在摩托罗拉的GSM手机中,其发射频率合成中基本上都使用了泵电路。

下文开始介绍发射机系统电路模块