nRF902的868MHz无线数字发射电路设计

摘要：nRF902是一个单片射频发射芯片，它内含频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等电路，能够发送数字信号。nRF902采用FSK调制，可工作在868MHz的ISM频段。文中给出了nRF902的结构、原理、特性及应用电路。

1 概述

nRF902是一个单片发射器芯片，工作频率范围为862～870MHz的ISM频带。该发射器由完全集成的频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。由于nRF902使用了晶体振荡器和稳定的频率合成器，因此，频率漂移很低，完全比得上基于SAW谐振器的解决方案。nRF902的输出功率和频偏可通过外接电阻进行编程。电源电压范围为2.4～3.6V，输出功率为10dBm，电流消耗仅9mA。待机模式时的电源电流仅为10nA。采用FSK调制时的数据速率为50kbits/s。因此，该芯片适合于报警器、自动读表、家庭自动化、遥控、无线数字通讯应用。

2 引脚功能和结构原理

nRF902采用SIOC-8封装，各引脚功能如表1所列。

表1 nRF902的引脚功能

 

引脚端	符  号	功    能
1	XTAL	晶振连接端/PWR-UP控制
2	REXT	功率调节/时钟模式/ASK调制器字输入
3	XO8	基准时钟输出（时钟频率1/8）
4	VDD	电源电压（+3V）
5	DIN	数字数据输入
6	ANT2	天线端
7	ANT1	天线端
8	VSS	接地端（0V）

 

图1所示是nRF902的内部结构，从图中可以看出：该芯片内含频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等电路。

通过nRF902的天线输出端可将平衡的射频信号输出到天线，该引脚同时必须通过直流通道连接到电源VDD，电源VDD可通过射频扼流圈或者环路天线的中心接入。ANT1/ANT2输出端之间的负载阻抗为200～700Ω。如果需要10dBm的输出功率，则应使用400Ω的负载阻抗。

    调制可以通过牵引晶振的电容来完成。要达到规定的频偏，晶振的特性应满足：并联谐振频率fp应等于发射中心频率除以64，并联等效电容Co应小于7pF，晶振等效串联电阻ESR应小于60Ω，全部负载电容，包括印制板电容CL均应小于10pF。由于频率调制是通过牵引晶振的负载（内部的变容二极管）完成的，而外接电阻R4将改变变容二极管的电压，因此，改变R4的值可以改变频偏。

将偏置电阻R2从REXT端连接到电源端VDD对可输出功率进行调节。nRF902的工作模式可通过表2所列方法进行设置。

表2 nPF902的工作模式设置

 

引 脚    工作模式	XTAL	REXT	XO8	DIN
低功耗模式（睡眠模式）	GND	-	-	-
时钟模式	VDD	GND	VDD	-
ASK模式	VDD	ASK数据	VDD或者GND	VDD
FSK模式	VDD	VDD	VDD或者GND	FSK数据

 

在FSK模式时，调制数据将从DIN端输入，这是nRF902的标准工作模式。

ASK调制可通过控制REXT端来实现。当R2连接到VDD时，芯片发射载波。当R2连接到地时，芯片内部的功率放大器关断。这两个状态可用ASK系统中的逻辑“1”和逻辑“0”来表示。在ASK模式，DIN端必须连接到VDD。

时钟模式可应用于外接微控制器的情况，nRF902可以给微控制器提供时钟。它可在XO8端输出基准时钟，XO8端输出的时钟信号频率是晶振频率的1/8。如晶振频率为13.567MHz，则XO8输出的时钟信号频率为1.695MHz。

在低功耗模式（睡眠模式），芯片的电流消耗仅10nA。在没有数据发射时，芯片可工作在低功耗模式以延长电池的使用时间。电路从低功耗模式转换到发射模式需要5ms的时间，从时钟模式转换到发射模式需要50μs的时间。

图2 nRF902的应用电路

3 应用电路设计

nRF902的应用电路如图2所示。为了获得好的射频性能，印制板（PCB）的设计是非常重要的。推荐使用最少两层的PCB板，其中包括一个接地板。设计时应使用高性能的射频电容来紧密的靠近VDD端，以完成DC电源去耦。推荐采用大容量电容与一个小容量电容并联在VDD与地之间的方法。电源电压也应在滤波后，从电源分别发送到各数字电路。所有器件地、VDD连接、VDD旁路电容都必须尽可能的靠近nRF902芯片。PCB使用上层射频接地板时，VSS端应直接连接到接地板。PCB使用底层接地板时，最好的方法是通过个通孔连接到VSS。数字信号和控制信号通道不能靠近晶振和XTAL端。笔者设计时的印制板使用双面1.6mmFR-4板，底板层有连续的接地板，再加上元器件面的接地面积，因而确保了良好的接地。大量的通孔可以连接在元器件面的接地面到底板接地面上，而在天线底下不应有接地面。