单片UHF频段ASK发射机电路MICRF102的特性及应用

HEATS

1概述
    02是美国MICREL半导体公司新推出的一款用于无线应用的单片发射机射频集成电路。它采用了该公司的QwikRadioTM射频技术，真正实现了“数据入，天线出”的功能。
    MICRF102具有在芯片内自动进行天线调谐的功能，免去了复杂的人工调整，从而大大降低了生产开发的成本。它可用于各种UHF免申请频段，全面兼容各种ASK/OOK（幅度键控/开关键控）UHF接收方式，并可用于从100bps～20kbps范围内的调制数据率。
    在与MICREL公司开发的各种QwikRadioTM接收电路配合应用时，MICRF102可实现极低的成本和很高的可靠性，可广泛应用于各种无线遥控和射频数据链接系统中。

% l4 F# z- M2 x8 F( L E. }/ D( ]: y: f

0 Z( S2 @9 ]& K8 x# ?

图1MICRF102的引脚排列

, ^& q4 {, v0 v, V0 H* p# g

2主要特点
        (1)完整的UHF频段单片发射机电路
        (2)发射频率范围：300MHz～470MHz
        (3)最大调制数据率：20kbps
        (4)自动天线调谐，免人工调整
        (5)外部引脚少
        (6)低静态电流：<0.04μA
        (7)采用8引脚SOIC封装（外形尺寸为4.8mm×3.9mm×1.6mm）
3引脚排列及说明
        MICRF102的引脚排列如图1所示，各引脚的功能及符号见表1所示。
4方框图
        图2给出MICRF102的原理框图。

% A9 e! `% [" F! }/ o9 N, Z

$ X% S5 D$ \$ n! B

图2MICRF102的方框图

+ y& d! H; E& j( w2 _5 u

图3MICRF102电路的射频输出功率与PC脚电压的关系曲线

表1MICRF102的引脚功能及符号

5 P" a8 C0 o. j* _, S$ {! N; E5 P! Z0 E! B) G) c, F! L }2 G. s3 z( z" b1 a% Q+ {: j c- b% _ ]4 {4 V$ x" f- j; {+ F2 G6 Z9 o* d" a# G# w1 ?4 p, q% _* b. K2 G' D! v- D+ F& \$ m ]8 _5 P/ k" L2 ^9 ]$ |1 T7 |9 C4 {! B$ s, Y# B% j8 G$ D7 N {0 y0 @4 H0 e: y0 K% g7 _, C9 N( h! s: d% T) J) Z- R* W( y6 E% o* o2 H+ I0 `, b$ g7 l1 {6 z& v3 i/ E/ r: r3 P; g( S+ `$ s# C5 I- F7 y" O% n6 h) d: P- h F/ Z9 U( x: v. f" D- d( G% I2 O+ a9 H# _; c8 M; P1 p3 J$ n7 E3 I& X% J# @, F7 l5 ~1 ?3 e7 t% h) _$ o) O6 R# z( Q) C9 H9 L$ o! f& K$ x3 L6 l* w) q, v. W$ R1 |7 J" b X4 h* ?& K9 U! ^' [, J2 B

& S+ \- t5 Q# ^# K; ~5 O 引脚序号	+ A' w$ p0 C% d* K0 l 符号	引脚功能
1	! i7 y0 A) K }' D/ e& R PC	射频输出功率控制端
: H' d6 Y7 q* J: x+ y 2	VDD	1 v: v; `3 d7 [3 i0 ~$ V9 I 电源正输入端
$ W* z/ B9 Y# \( O! K" V$ } 3	VSS	电源地
4	0 u) Y, X/ I- k1 M1 u8 A V) _ REFOSC	$ T6 h( q+ m* Z8 A0 T" F 参考振荡频率输入端
5	STBY	8 w7 i; e& d" f; z0 r% N 发射模式控制端。当该脚接VDD时工作于发射模式；接VSS时工作于静态守侯模式。
6	) E$ M9 X1 ] e4 Z$ g1 ^ ANTP	射频功率输出正端，用于驱动发射环形天线的高端。
7	ANTM	射频功率输出负端，用于驱动发射环形天线的低端。
2 N& A; X% [$ ~" L1 ~ G i6 R 8	: q8 L2 `# V- Y5 I ASK	^$ O. w9 z* |2 t: ~ 幅度键控调制数据输入端。对于等幅波方式，应将此引脚接至VDD端。

- L& @+ r% u- t1 \ J

        在图2所示框图中，（1，2，3，4，5）构成UHF频率合成器，用于产生满足输出需要的载波频率。其中的同相路信号（I）用于驱动功放，正交路信号（Q）与天线信号相位进行比较以调谐天线。功率控制单元感应天线信号并控制功放的偏置电流以调节发射功率。在ANTP与ANTM端外接一个PCB环形天线与IC内电路构成LC并联调谐回路。
5电性能参数
5.1绝对最大额定值
    MICRF102的绝对最大额定值见表2所示。

6 c% W! q: }, q- w

表2MICRF102的绝对最大额定值

# G7 ]% R, k0 ~( D. O- y# y" g: P: [# o+ r/ f# ]% k9 Z, n0 x4 ~: Y* f6 Q6 u0 p. o! T5 b, J. [7 {5 \& \$ I' D c- `9 G/ l/ E+ U5 F [1 Q# ]- V9 ?8 F# y( B6 i' g6 M: c4 V$ k9 B2 d0 M! e% N, ^* h; [) z$ @9 f; _: T2 K4 Q/ @* M& K! w# j" }/ G: T, G3 g( T( p1 R6 b2 C7 S' m2 h1 A

) ?! z& C$ R$ f# k) @- n 项目	符号	数值	2 {, B* U0 h$ Y) K 单位
电源电压	VDD	; A/ O8 L& W ^8 _: v ＋6	V
I/O脚电压		VSS－0.3～VDD＋0.3
存储温度范围	TS	－65～＋150	) ?# M: N$ l3 I2 k+ E+ U5 o- O ℃
引线耐焊接温度（10秒）	TD	o! W% D5 S8 A2 ^8 x5 P1 b# z3 t [ ＋300	℃

5.2推荐工作条件
        MICRF102的推荐工作条件见表3所示。
5.3电参数及特性曲线
        MICRF102电路的主要电特性参数见表4所示。MICRF102电路的射频输出功率与PC（1）脚电压的关系曲线如图3所示。

" K) G' B/ \' `7 p+ \! _0 d

表3MICRF102的推荐工作条件

2 E# ^! v. ^/ \) Q' b) a0 [) c& X- p2 T( J( S' n, o) j( l+ y& a" C1 F% }+ _( u, E: o0 p# q6 E W0 I& B6 b1 R' B; B0 U) x" R" x8 i! z& B1 C* {' K& P3 Y/ N3 G: L J, w' E4 x# v, u2 q4 b& N; E& K- |- y# |: U: b& d! F3 k7 Q" q+ W! q8 S( S7 m$ ~; R5 R3 s) U9 I: B$ H, b/ b/ D/ s: X$ \; z# V# g5 P6 m5 w) E* A% Y* f! v6 W& ]& s+ W8 b6 y0 q7 P% H8 Y, o% ^; X8 u/ j, P$ R' \$ h0 l9 e$ `2 R$ I. t2 e5 M2 f2 l2 }1 k3 S- x1 Z) Q6 F8 b7 N: z* ^

项目	) R( G$ G( q, C! i8 U P 符号	数值		单位
		最小	最大
	VDD	! R3 }" H5 }- O9 V- M( Q* j- E 4.75	% u( P4 G5 @; F7 I ~. d 5.5	4 [9 n" W# D0 `1 K7 j Q- L V
最大输入纹波电压	VPP	1 k+ ?! z% I* M9 v) d% w	10.0	6 ?. D! E4 j: ] mV
PC脚输入范围	. d! _' G- Q* R L VPC	5 i6 N6 X7 r5 e 150.00	350.0	mV
+ J) G$ Z9 E7 z3 Q6 V% N 工作环境温度	TA	- R& [, s6 y( I/ F9 V. y* d3 I* ^ 0.00	＋85.0	℃
可编程发射频率范围	fTX	( N; X) z' ^6 L: t 300.00	4 @5 _$ {0 g' b" b( e) W) r 470.0	) a7 p/ `7 c" Z5 B+ A MHz

表4MICRF102电路的主要电特性参数

+ }1 M0 C" h+ R8 K6 Z5 d. s

（若无其它规定，4.75V

% T/ l5 V& L% S* D/ k6 D6 Z

fREFOSC=12.1875MHz,STBY=VDD。）

0 u, w3 w8 |; k# A& m8 a- z0 i/ [& t E x5 B3 D6 B# T/ E2 e7 }! z% N$ x: |* c U# p/ v+ e! U3 o8 F1 Z% N" ?6 L+ E1 E6 K8 O- l) z( M; }# x1 b( M' F" B8 {+ y) p+ t) R3 @/ I @* q4 p6 h3 J( w4 l5 B9 _! g% }6 a# T2 ~ e" [' `3 b, y. l1 U) w* {5 J# U+ }. \& E# K; Q8 O0 r& h( H# W& W' `$ h9 C' j5 q) k" ]8 { F$ u' k$ J/ i7 r4 j7 Y5 |/ @2 x9 \$ P# V) x' [1 G3 O+ i) @3 J& ]% T& j; b& [$ u% h2 b j0 n$ c' Q+ ?! M! ?+ |% T% m# v, c0 a' Z' ~- `) a* e9 Y9 X* s4 J$ _+ a! F! d; h! g' V- k0 \2 D0 a7 l5 i& z1 F. _. } i5 {/ J* S% r. x3 z6 h# A' Z9 Z& h2 [" a0 H. K4 d- W- R% ]! p0 f- v1 |. B0 d/ `* d9 F. d+ n1 X5 j( f8 u. W0 L& i! a9 C" v2 E* R t8 D- S! L2 n8 P F* [+ i7 C+ Z- j: n9 i" ~* w$ D, u6 ~; T4 p+ ?* l4 |7 x- }% B' q: q2 Y) _: V# }5 l% n) [- u1 V8 Z: I# y+ t& R. ^2 Y1 E9 S# V5 k# D2 @5 }+ [* o/ L) E l4 q& L3 H1 Z( {9 I- t+ m) ]* q2 y6 b) k# X" k: m+ F5 \* @8 G# O3 a: w. o& ]: T8 V- X. x# N5 c7 z; m; m; j/ c" e m9 G. H5 }" \& n/ ]% |$ a# d4 M- @6 U( }0 a8 Q3 ~7 j0 X5 P

参数	条件	: N" Q' K" l5 z+ w 最小	典型	最大	单位
电源部分
) s. p$ {3 D( S6 W. ^ 静态电流IQ	VSTBY<0.5V,VASK<0.5V或VASK>VDD－0.5V		. C# z# x3 g' v( X. x/ ^ 0.04		μA
峰值电流ION	l) n/ y) s9 p 发射载频为315MHz		6	10.5	mA
	发射载频为433MHz		( N. o5 W: X' b1 I: \ 8	" ~1 T1 o1 e% t 12.0	{+ b/ |. D0 j* }" v mA
5 _7 a! t/ d$ w0 y- ]6 y 射频输出及调制部分
# o5 U# z6 J( W( e3 D$ L 输出功率POUT	参见图3所示曲线				/ N5 D8 |1 j9 D6 S dBm
ASK调制数据率				' q" E$ Z. |0 s3 }3 V6 B 20.0	+ N( Z4 {* k/ j y t! h8 s6 _ kbps
变容管调谐范围		4	. s' P( T+ |% J: _4 G' r 6	5 A9 r/ {$ s2 C4 [3 b 8.0	8 p0 x$ T+ u/ Z v. ~$ q# S2 v3 P pF
: E0 v, @& }. m) r7 t: D 参考振荡部分
参考振荡器输入阻抗			300		' X% s O' q3 w) X' o" y kΩ
参考振荡源电流			6		) N) X6 V! q4 {* w5 ^7 F8 N! R μA
+ S7 C# o6 O" h; Y; N+ v 参考振荡器输入电压（峰－峰值）		2 L+ @# _% ?0 S 0.2		6 @/ A/ a5 ^! s5 _; P2 K2 e 0.5	VPP

6MICRF102电路的应用
6.1设计步骤
    MICRF102单片发射机的设计步骤如下：
    （1）根据发射载波频率选择适当的参考振荡器频率；

图4增加外部电容器时的调谐原理图

# ^% j7 [5 A+ R+ f" [

图5PCB印制环形天线（单位：mm）

) _: k6 W9 L5 Q) Z: r* j4 C2 R' u

        (2)确保在发射频率处天线谐振;
        ——第一类情况，天线感抗可匹配于IC内部变容管调谐范围的中心；
        ——第二类情况，为使天线感抗与IC匹配，增加外部电容器（串联或并联于天线两端）；
        (3)根据期望的射频输出功率设定PC（1）脚的电压值。
6.2外围电路的选择
6.2.1参考振荡部分
    发射载波频率（fTX）与参考振荡频率（fREFOSC）有如下关系：
    fTX=32×fREFOSC
    （4）脚的参考振荡器输入可选用晶体振荡器或信号发生器实现。正确的参考振荡器选择是保证电路正常工作的关键。当选用晶体振荡器时，其等效串联电阻必须小于或等于20Ω；当选用信号发生器时，其输入信号振幅应大于200mVP－P且小于500mVP－P。
6.2.2天线部分
    MICRF102电路设计为驱动一个环形天线，其中有一差分输出用于驱动感性负载。MICRF102内部的变容管与天线的感抗自动调谐至设定的发射频率。由于MICRF102可动态地适应多种外界因素（如环境温度的变化，人体触及天线效应等）对天线感抗造成的影响，保证天线的调谐，故实际设计工作可大大简化，仅根据需要选择天线的电感值即可（必要时还应选择适当的外部谐振电容器）。
    在最简单的情况下，外部环形天线的电感值应选择为使MICRF102的变容管等效电容C为6.5pF时电路谐振。
    按如下公式即可求得天线电感L：
    L=1/4π2f2TXC
    如果环形天线的电感值无法选定在由以上公式确定的标准值，则需要在天线端并联（或串联）一外部电容器以满足要求。通过MICRF102内部的变容管调整谐振电容器的总电容值，如图4所示。
    实际的环形天线是采用PCB印制铜线条来实现的。采用PCB印制天线，有助于减小实际电路的尺寸，并有利于天线电感量的稳定。由于这种PCB印制天线可视为由矩形截面导体构成的，故按矩形截面导体的电感量计算公式即可从所需的电感值确定环形天线的尺寸。矩形截面导体电感量L1的计算公式[3]如下，形状如下图所示：

7 u: O! I& ]* Y: p0 b" p

图5示出在发射载波频率为315MHz时PCB环形天线的形状与尺寸。
6.2.3电源旁路电容器的选择
    为保证MICRF102电路能稳定可靠的工作，正确的电源旁路是必要的。通常情况下，电源旁路电容器选为4.7μF并联100pF电容器即可，必要时还可再并联一个0.1μF电容器。在实际进行PCB布线时还应注意旁路电容器到IC电源引脚的连线应尽可能短。
　　MICRF102电路对于输入纹波电压较为敏感。如果电源调整率很差或旁路不足，则发射频谱中将会有明显的杂散分量。

 

图6MICRF102的典型应用电路

6.3典型应用电路
        MICRF102的典型应用电路如图6所示。

% T$ T# x' A+ G6 `4 X5 a