SI4432硬件调试指南

SI4432硬件调试指南2008-3-6SI4432硬件调试指南编写者：rf_smartSI4432硬件调试指南2本文仅从尽可能全的方面做一个SI4432调试交流，说是指南只是自己的一些看法与体会。为什么选择433MHz，为什么选择SI4432都不是本文的重点。本文做为SI4432应用的文档之一，只做硬件说明，相关软件说明，请参考SI4432软件调试指南。1、资料准备请下载以下文档(官网下载可能需要注册)：SI4432数据手册：匹配指南：寄存器手册：接收匹配指南：寄存器配置软件：如果想了解SI4432数据收发模式可以参考以下文档：AN537SI4432直接模式，FIFO模式，包模式说明文档：有了以上文档，在使用SI4432时，不管软件，硬件都不会有什么难度。2、PA匹配官方的电路原理图是这样的：SI4432硬件调试指南3好吧，电路很简单，可是元件值如何选？射频器件差一点就差很多，是不是一定要用专用的射频元件？做为常温测试来说，普通器件就可以满足，当然，如果要考虑温度、谐波、灵敏度等，电感还是选用高Q的，电容选择COG材质的。看看PA元件如何选，AN435里写得很清楚。不想看原理的可以直接参考其值：按以上参考值出17-19dBm是可以的，但是要满打满的出到20dBm，或者大于20dBm则需要根据板子微调部分元件，在你不知道如果调试时，可以小范围调整一下CM以及天线开关后面的低通滤波器，如果还是不行，那就调电感吧。不想深究的可以跳过本节了，下面是AN435里对于PA匹配的原理性说明，感兴趣的可以继续往下面看，其实SI4432的硬件手册里说得是很全的，多看手册可以学到很多。SI4432内部的PA并非传统的A,B,C类放大器，也不是D类，而是E类放大器，其实就是一个开关而已。下图是AN435里一个开关类射频放大器的结构图。这个放大器理解起来很容易，比传统ABC类放大器容易多了。其中Lchoke为上拉电感，与三极管C极的电阻是一样的作用，在S0开关时，会给Cshunt充电，经过C0和L0组成的带通滤器器，滤除开关过程中产生的杂波及谐波，再经过Lx就可以得到一个正弦波。这类放大器只是提供一个方波，再通过LC选频。SI4432硬件调试指南4而SI4432实验使用的SwitchPA是不是这样的呢？很明显与我们看到的SI4432PA匹配电路不一样。SI4432手册里给的电路参考只有LC，一个谐波滤波器，天线开关前后的低通滤波器。其实这与图的开关类放大器的原理是一样的。想想，理想方波是多次谐波组成的，只需要用滤波器把基频选出来就好了。是的，SI4432正是这样做的。Cshunt可能已经芯片内部集成(其实在SI4432某一份电路图还可以看到上面这种匹配方式)，外部的Lchoke与C0只是为了在工作频率下得到一个足够好的方波，谐波滤波器正是要把开关频率的谐波都滤掉，后面再经过低通滤波器，以得到干净的基频。SI4432硬件调试指南5但是，使用这类放大器会有一个问题，当高速开关时，PIN脚上的电压因为电感放电会升高，最高可能会达到3.56xVdd。而SI4432的TX脚最高可承受的电压为8V，因此会出现在最大功率时，因为不匹配原因使TX脚被击穿，而最终造成SI4432永久性损坏。由此，Lchoke和C0的选择相当重要。AN435没有给出具体的算法，但是有一定的参考：Lchoke应选择尽量大，但其自谐振频率不能为工作频率，同时开关信号的峰值不能超过6.5V。由此，官方给出了以下参考值：以上的Lchoke与C0参数下，TX脚上的电压是多少呢，用以下电路图测试：结果为：SI4432硬件调试指南6可以看到，在315MHz频率下的Lchoke与C0元件值下，VDD=3.6V时，TX脚上的峰值电压为6.265V。符合设计要求。此时的谐波情况如下：至此，剩下的事情就交由谐波滤波器与低通滤波器来解决了。相信这些都不是问题，关键是要设计的滤波器的损耗在工作频点上是最低的，这需要微调。值得一提的是谐波滤波器的设计，如下图是K=Lharm/Charm在不同值下的滤波效果：SI4432硬件调试指南7以上波形为时域图形，从其中可以看出，在K=1时，方波最为平整，因此谐波滤波器的Lharm、Charm之比为1最好，建议K=0.8~1。再根据Lharm与Charm的谐振频率为工作频率就可以确定其值。顺便再提一句，SI4432的功率控制是如何实现的呢？AN435没有细说，只提了一句，通过控制开关管的fingers。大胆的猜想一下，其内部开关管是由多个组成的，每增加一个开关管，就会增加输出电流，以增加输出功率。有这个猜想的依据是：手机基站几百瓦的功放管内部就是一个个小MOS管并联起来的。3、LNA匹配说完PA，可以进行LNA的匹配了。与TX脚不同的是，RX有两个脚，分正负端，没错，这是差分信号。而天线开关进来的信号是单端的，所以，需要一个单端变差分的变换电路，同时还需要考虑到与RX两个引脚的阻抗匹配，在官方给的参考电路中，这两部分是结合在一起的。下面就通过分析AN427来确定每一个元件值，及原理。比较让人开心的是，官方已经把SI4432LNA的阻抗测出来了，难能可贵的是还发了张图给我们看：SI4432硬件调试指南8图中已经指示了常用频点的LNA阻抗，分实部和虚部，这个应该不用多说。经过等效变换后，可以得到内部的等效电路元件值，具体参考AN427的TABLE1。下面以315M做为匹配说明。下图是RX两引脚的阻抗等效电路图及该阻抗在史密斯圆图上的位置。SI4432硬件调试指南9在此简单的说明一下史密斯圆图，如下图，红色为阻抗圆图，绿色为导纳圆图。红色弧线为等电抗线，红色圆为等电阻线；绿色弧线为等电纳线，绿色圆为等电导线。在电路中串联元件表现为随等电阻线旋转，串联电感顺时针旋转，串联电容逆时针旋转，在电路中并联元件表现为随等电导线旋转，并联电感逆时针旋转，并联电容顺时针旋转。由此，很容易将RX的阻抗匹配到50欧。最终在实际电路中把两个电感合并为一个电感，这里只是按AN427的匹配步骤做。以上就将LNA的阻抗匹配到了50欧，但是，前面有说到，这部分电路还有单端变差分的作用，也就是RX两个引脚上的信号相位要相差180度，如何实现呢？SI4432硬件调试指南10官方已经给了我们例子，只需要在RXn上加一个电容就可以完成单端变差分的转换，那C2如果取值呢？我们知道电感的阻抗是正的，电容的阻抗是负的，当信号输入到Lmatch与C2上时，如果Lmatch的阻抗是C2的两倍，就可以确定Lmatch两端的电压相相位相差180度。但同时要保证RX两个脚匹配到50欧，所以，原来LC匹配出来的电容值应该是C1，C2串联之和。以下是常用频点的参考值。4、PCB布线很自然的，需要说一下PCB布线的问题。以下是一些网上的PCB布线规则：（以下为完全复制，不考虑版权）…………我割…………我割…………我割…………我割…………我割……………………我割…………我割…………我割…………我割…………我割…………PCB设计对整个系统的性能影响很大。以下是设计Si4432的PCB时需要注意的地方：①为了消除走线间的感性效应，应在PCB上空余的地方尽量多布置一些过孔。为了达到较好的射频通信效果，应对整个PCB都覆地铜。当提供了一个较好的RF地之后，TX／RX区域的对地敷铜区有助于减少甚至避免辐射干扰。②电源接入端要添加去耦电容，且尽量靠近Si4432芯片。滤波电容也应该尽量靠近相应引脚，这样可以得到更好的滤波性能。③Si4432的外围元件很少，应尽量使用体积小的0402封装贴片器件。其中，电感属于关键器件，需选用高精度电感。④Si4432的扼流电感L1应尽量靠近Tx引脚；并联在RXn和RXp上的电感L2在PCB平面上应与L1垂直布局，Tx通道上的电感L1、L3、L4、L5的方向需保证互相垂直以减少耦合；Tx通道和RXn/p通道之间未布线的区域应以接地的覆铜隔离开来，Tx通道匹配电路的布线区应尽可能不要占用太大的板上区域。⑤晶振的选择参照以下参数：等效串联电阻是60Ω，负载电容是12pF，频率准确度是±20×10-6。让晶振与芯片的晶振接入引脚尽量靠近，并用地线把时钟区隔离起来。SI4432硬件调试指南11⑥设计PCB时，QFN封装的Si4432芯片底部接地。在Si4432芯片底部打9个12mil(1000mail=25．4mm)大小的接地过孔，以确保良好的接地和散热能力，增强通信可靠性。⑦板上的走线尽可能不要经过Tx／RXn/p区域，以防止匹配网络的耦合效应。…………我割…………我割…………我割…………我割…………我割…………芯片是4.0mm*4.0mm,20脚QFN封装，底部为地。必须通过一些过孔将芯片的地与pcb板的地很好的结合起来；为了减少不必要的耦合，尽量避免一些较敏感的数字（和MCU相通信的网络），射频走线平行，芯片底部不能走线。同样是为了尽量减少耦合，确保相同网络的走线线宽要相同，以及在空间允许的范围内敏感走线间距离至少为线宽的3倍；在射频前端电路，相邻电感成相互垂直状放置，以较少耦合；发射电路和接收电路中间留下足够大的地，避免相互间的耦合；偏置电路中的扼流电感尽量靠近TX脚，减少发射对接收电路的影响；射频电路中的元器件，尽量靠拢并使用较小封装的元器件，减少寄生电容的产生或影响；在空间允许的情况下，尽量保持射频走线和地之间的距离，最好大于0.5mm；射频电路中，元器件接地的脚周围放置尽量多的过孔来减少寄生电感及其影响；电源滤波电路中的电路应该尽量靠近vdd脚，以确保滤波电容和VDD间的环路面积最小；(要强调一点，参考电路中的电源滤波电容一个都不能少，每个电容都有其作用。此前有过，因为少了某个电容致使模块工作不正常，死机的现象发生)晶振尽量靠近芯片减少寄生电容的产生，寄生电容过多容易产生频率漂移，晶体下面不要走任何线，特别是电源线；射频前段电路放置尽量大的地和足够多的过孔，射频走线下面（BOTTOM面）尽量不要走线或走过长的线，这样可以避免信号通过它们辐射出去；射频线宽尽量粗，pcb板近量薄。…………我割…………我割…………我割…………我割…………我割……………………我割…………我割…………我割…………我割…………我割…………以上规则能遵守就不要冲突吧，主要就是：电感垂直放，地要多连续，过孔多，线不要太小气，馈线短，其它都不要紧。这是我的经验，可以不相信。看看我的板的布局，照抄吧，我没意见。SI4432硬件调试指南12再看看用机关枪扫过的板子，不要怕，不断就行。这个布局，板子功率在19.8dBm-20.8dBm，其中有元件的问题，但匹配已经足够好了，灵敏度在-120dBm@1200bps，一致性相当好，高兴了就是喜欢吹牛，打广告。最后看一个比较好的测试图，注意：频谱测量功能有误差，准确的功率请以功率计为准：SI4432硬件调试指南13在这里打个广告，如果需要无线串口转发模块的，可以找我们，嘿嘿……联系我们电话：0