无线发射芯片MICRF102的原理及应用

MICRF102是Micrel公司推出的一种远距离无线数据传输发射芯片,可实现真正的“数据输入,天线输出”功能,它所有的调谐都可在芯片内自动完成。文中介绍了MICRF102的特点、引脚功能、工作原理和设计时的元件选择,并给出了它的典型应用电路。

关键词：无线数据发射 自动调谐 谐振 MICRF102

1 概述

MICRF102是Micrel公司新近推出的远距离无线数据发射芯片。该芯片采用Micrel公司最新的快速无线传输技术,可实现真正的“数据输入,无线输出”功能。它的所有调谐都可在IC中自动实现,因此消除了手动调谐的麻烦。MICRF102结构简单,使用方便,并可优化设计,降低成本,不失为一种低成本、高可靠的无线数据发射芯片,可广泛应用于无线键盘、远程遥控门禁系统、遥控风扇、照明开关以及无线传感数据传输等领域。

MICRF102采用新型结构,可将外部天线环路全部调谐到内部UHF合成器中。

2 主要特点及引脚排列

MICRF102的主要特点如下：

●将完全的UHF集成在一个芯片内;

●频率范围为300MHz～470MHz;

●数据传输速率可达20kbps;

●可进行自动天线调谐;

●仅需极少的外围元器件;

●待机电流不大于1μA。

MICRF102采用8引脚SOIC封装,图1为它的引脚排列图,各引脚的功能说明如表1所列。

表1 MICRF102的引脚功能

引脚号	引脚名称	功      能      描      述
1	PC	功率控制输入端。正常操作时,该引脚电压被限制在0.3V～0.6V
2	VDD	正电源电压输入端
3	VSS	接地端。连接在VDD和VSS之间的电源旁路电容应尽量靠近两引脚
4	REFOSC	参考振荡输入。在该脚与VSS之间可连接一晶振,也可用与AC耦合的0.5Vpp输入时钟
5	ASK	ASK（amplitude shift key）调制数据输入端。连接ASK与VDD可实现CW操作
6	ANTP	驱动天线发射的正输出端
7	ANTM	驱动天线发射的负输出端
8	STBY	发射/待机控制输入端。该脚拉至VDD时,芯片处于发射状态;该脚接至VSS时,芯片处于待机状态。

3 功能原理

图2为MOCRF102的内部功能原理框图,它主要包括UHF合成器、缓冲器、天线调谐器、功率放大器、TX偏置控制、偏置参考以及调节电路等。

UHF合成器的作用是产生具有正交输出的载波频率,其同相信号I用于驱动功率放大器;正交信号Q用于与天线信号的相位相比较。天线调谐器用于检测位于天线端的发射信号的相位并控制天线的可调变容器以达到调谐的目的。TX偏置控制单元用来检测天线信号和控制功放的偏置电流。调节电路则用来为器件的内部电路提供各自所需的偏置。

由谐振器和一个电阻组成的PCB（印刷电路板）天线环路分配网络是远程操作（如自动无键登录）所需的UHF发射器部件。另外,MICRF102中还有一个差分变容器,该变容器可用来保证发射频率和接收频率在过压或温度变化时相匹配。

4 应用设计

4.1 晶振的选择

外部参考振荡器决定着发射频率,而且发射频率是参考频率的32位,即：fTx=32fREFOSC。选择参考振荡器对整个系统起着举足轻重的作用,因此必须选择适当的等效串联电阻不大于20Ω的晶振,若使用信号发生器,其输入辐值应在200mVpp～500mVpp范围之间进行选择。

4.2 天线设计

MICRF102在驱动天线环路方面具有特殊功效,它有一个可驱动感性负载的双差分输出。输出级包括一个可对天线的电感进行自动调谐的变容器,以达到谐振的目的。准确设计高Q值的天线环路可以更精确地对谐振电路的中心频率进行设置,需要注意的是,中心频率的小小偏移都可能降低其发射功率。天线本身就是一个感性元件。一个简单的电容器与天线并联,即可组成谐振电路,其谐振频率由下式决定：

f=[1/（4π2CL）]1/2

电感的容差依赖于PCB的制造方式,通常天线环路的谐振频率是由可调电容来调节的,这样不仅能起到保护电路的作用,而且还可防止由于电感容差和电容容差并联后造成的发射器间的频率差异,但同时也会增加成本和降低系统可靠性。

MICRF102具有自调谐功能,可自动调谐,从而免云手动操作的麻烦,同时也可动态适应它在阻抗方面的变化。

MICRF102的输出级由6.5pF的可调电容组成,其可调范围为5pF～8pF。当MICRF102检测到功放输出端的信号相应时,可自动调节变容器的容值,直到天线环路达到谐振为止。

在最简单的设计,天线环路的谐振频率,应以电容值6.5pF为基准。如果不能达到满意的效果,则可再在天线端串联或并联一个电容。

4.3 旁路设计

正确的旁路是将100pF的电容与4.7μF的电解电容并联起来使用。另外,最好再在电路中并联一个0.1μF的电容,图3是推荐的旁路电路。

4.4 发射功率

MICRF102的特定发射功率本身具有50Ω的负载。天线的功效决定着实际的辐射功率,好的天线设计可使得输出在3米内产生67dBμV/m～80dBμV/m的射功率。PC脚可用来设置所需的发射功率。该脚上的电压与功率放大器输出端的差分电压成比例。当PC脚电压增加到0.4V时,输出功率将受到电流所限而不再发生变化。减少PC脚电压可降低输出功率,同时也将降低射频输出功率和它的最大范围。

4.5 输出关断

当设置的动力过高或电源暂时断电时,MICRF102的输出会自动关断。芯片的这个特性可使射频发射只发生在合成器处于完全受控的工作状态,从而防止了操作员在不必要频率上的无意识发射。

5 应用电路

图4为MICRF102的典型应用电路。可以看出,该电路所需的外围元件仅有几个电容、电阻和天线环路。因此,MICRF102的设计非常简单,而且可靠性高。从宽带的超再生发报器到窄带的高性能、超外差式接收机等多种系统,MICRF102均可与它们中所有的ASK/OOK UHF接收器相兼容,其频率范围为300MHz～47MHz,数据传输速率可达20kpbs。若将MICRF102发射器与Micrel系列的天线接收芯片MICRF001/002/022/003/004/007配合使用,可实现完整的无线数据发射的接收功能,同时可大大减少设计和生产成本。