【经验】TH7122x系列收发器如何在外部PA、LNA以及TX/RX开关方面改善参数?

时间： 2019-10-26 来源：Melexis

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TH7122x为MELEXIS旗下系列收发器，主要有TH7122和TH71221两款，均为单片FSK/FM/ASK收发器IC，设计用于低功耗多通道可编程或单通道独立半双工数据传输系统，可用于汽车、工业科学医疗（ISM）、短程设备（SRD）或在300兆赫至930兆赫频率范围内工作的相关应用。本文主要介绍TH7122x收发器在外部PA、LNA以及TX/RX开关方面改善参数的设计经验。

PA及LNA

PA（Power Amplifier）为功率放大器，简称“功放”，是指在给定失真率条件下，能产生最大输出功率并驱动负载的放大器，其在当今物联网等领域有着广泛的应用，并起到了很大的辅助性。LNA（Low Noise Amplifier）为低噪声放大器，主要用于接收电路设计，因接收电路信噪比通常较低，信号远小于噪声，通过放大器的时候，如果两者同时放大不利于后续处理，这时候就需要放大器抑制噪声。TH7122x收发器用于SRD的输出功率和灵敏度能够满足多种应用的需求。它们可以提供高达10dBm的输出功率，并且在FSK模式下的灵敏度高达-105dBm；即便可以改进标准TH7122x EVB的某些参数，但因为RF选择性不高，评估板在高频下的镜像抑制率很低。在某些情况下，从接收器VCO到输入的泄漏也很大。对于某些应用而言，客户需要更高的灵敏度和更高的输出功率，本文将会讲解如何改善这些参数。

EVB7122x

标准EVB7122x是原理图的基础，其中增加了三个附加模块：PA，LNA以及TX/RX PIN二极管开关。标准EVB中的所有其他组件保持不变，该应用的完整原理图如图1所示。

图1 应用完整原理图

TX/RX PIN二极管开关

TH7122x收发器并没有专门的TX/RX控制引脚，因此我们使用引脚PS_PA上的电压作为检测信号。该引脚用于设置发送器的输出功率，并通过电阻RPS接地。电阻RPS上的压降在接收模式下为0 V，发送模式下最高为500mV。最大电压取决于电阻RPS和电源值，但该变化足以与电压比较器U2一起使用。双电压比较器用来产生PIN二极管开关的控制信号，PIN二极管开关需要图2所示的互补信号。U2的第一部分用作电压比较器，第二部分用作逆变器，可使用相同的控制信号来对外部LNA和PA进行偏置。为使比较器的操作更为可靠，电阻R5和R6提供的电压高于0V且低于电阻RPS上的电压。该电压被施加到比较器U2_1的非反相输入引脚上，因此，在接收模式期间，比较器的输出1为低，输出7为高，并将关闭PIN二极管D1并打开PIN二极管D2。在发送模式下，控制信号被反转，从而D1导通，D2截止。电阻R7，R8和R9为PIN二极管开关的正确操作提供必要的电流。

图2 PIN二极管开关电路图

外部PA

采用3V电源时，标准TH7122x EVB的输出功率高达10dBm，这对于SRD和低功耗设备来说已经足够了。如果需要更大的输出功率，则可以使用外部功率放大器。晶体管放大器与PIN二极管TX/RX开关一起运行。外部PA和TX/RX开关原理图如图3所示，其采用低成本晶体管BFP450，晶体管Q1的基极仅在发送模式下通过电阻RTX2从TX/RX开关偏置。在接收模式下，晶体管关闭。集电极偏置通过电阻RTX1和电感LTX2进行供电，集电极负载用于输出匹配网络。输出匹配网络是低通滤波器，可抑制约3540dB的所有谐波。输出功率约为20dBm（5V电源）和17dBm（3.6V电源），可用于433和868MHz频段。

图3 带TX/RX开关的外部PA原理图

接收器的外部LNA和SAW滤波器

当接收器需要更好的镜像抑制和更高的灵敏度时，可以使用带SAW滤波器的外部LNA来提高性能。TH7122x是单转换超外差式收发器，没有镜像频率的束缚。通常需要一个RF前端滤波器，一般是SAW滤波器，来实现良好的镜像抑制。SAW滤波器的另一个优点是提高了接收器的阻塞抗扰度，但缺点是滤波器具有一些插入损耗，降低了接收器的灵敏度。这种情况下，外部LNA就可以补偿滤波器的损耗并提高接收器灵敏度，因为它具有较低的噪声系数。标准EVB的灵敏度约为-105dBm，对于具有外部LNA的433和868MHz频带，其灵敏度约为-115dBm。原理如图4所示。对于LNA，选择BFP405晶体管，用作共发射极放大器。低频时，发射极电阻对稳定性很重要；但高频时，与发射极电阻并联的旁路电容会产生振荡并使某些频率下的放大器下不稳定。此外，非旁路发射极电阻会降低放大器的性能。因此，在该设计中，晶体管的发射极接地。组件CRX0，CRX1，LRX2和LRX4可用于不同类型的SAW滤波器的输入/输出匹配网络。

图4 带TX/RX开关的外部LNA原理图

对于50Ω的Murata滤波器而言，不用安装电感器LRX2，外部LNA与TX/RX开关和TX/RX控制单元可一起运行，晶体管Q2的基极通过电阻RRX2在接收模式下进行偏置。在发射模式下，晶体管截止。电容器CRX2和电感器LRX5表征LNA晶体管的输入匹配网络。在不同的频带，镜像抑制在25dB和50dB之间。在此应用中的抗扰度显著增加，而此电路中接收模式下的VCO泄漏也会进一步降低。

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