手机电路.docx

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手机电路

第四章　手机功能电路分析

本章系统分析了手机射频部分、逻辑音频部分和电源部分常用的一些功能电路，灵活应用和掌握这些知识，是快速判断和分析故障的前提。

因此，无论是初学者还是有一定基础的手机维修人员，理解和掌握本章内容都十分必要。

第一节射频接收功能电路分析

一、接收电路的基本组成

移动通信设备常采用超外差变频接收机。

这是因为天线感应接收到的信号十分微弱，而鉴频器要求的输入信号电平较高而且稳定。

放大器的总增益一般需在120dB以上。

这么大的放大量，要用多级调谐放大器且要稳定，实际上是很难办得到的。

另外高频选频放大器的通带宽度太宽，当频率改变时，多级放大器的所有调谐回路必须跟着改变，而且要做到统一调谐，这也是难以做到的。

超外差接收机则没有这种问题，它将接收到的射频信号转换成固定的中频，其主要增益来自于稳定的中频放大器。

手机接收机有三种基本的框架结构：

一种是超外差一次变频接收机，一种是超外差二次变频接收机，第三种是直接变频线性接收机。

超外差变频接收机的核心电路就是混频器，可以根据手机接收机电路中混频器的数量来确定该接收机的电路结构。

1.超外差一次变频接收机

接收机射频电路中只有一个混频电路的称作超外差一次变频接收机。

超外差一次变频接收机的原理方框图如图4-1所示。

它包括天线电路（ANT）、低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、中频放大器（IFAmplifier）和解调电路（Demodulator）等。

摩托罗拉手机接收电路基本上都采用以上电路。

超外差一次变频接收机工作过程是：

天线感应到的无线蜂窝信号（GSM900频段935,--960MHz或DCSl800频段1805---1880MHz）不断变频，经天线电路和射频滤波器进入接收电路。

接收到的信号首先由低噪声放大器进行放大，放大后的信号再经射频滤波器后，被送到混频器。

在混频器中，射频信号与接收VCO信号进行混频，得到接收中频信号。

中频信号经中频放大后，在中频处理模块内进行RXI／Q解调，解调所用的参考信号来自接收中频VCO。

该信号首先在中频处理电路中被分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。

2.超外差二次变频接收机

若接收机射频电路中有两个混频电路，则该机是超外差二次变频接收机。

超外差二次变频接收机的方框图：

如图4-2所示。

与一次变频接收机相比，二次变频接收机多了一个混频器和一个VCO，这个VCO在一些电路中被叫作IFVCO或VHFVCO。

诺基亚手机、爱立信手机、三星、松下和西门子等手机的接收电路大多数属于这种电路结构。

在图4—1和图4-2中，解调电路部分也有VCO，应注意的是，该处的VCO信号是用于解调，作参考信号而且该VCO信号通常来自两种方式：

一是来自基准频率信号13MHz，另一种是来自专门的中频VCO。

超外差二次变频接收机工作过程是：

天线感应到的无线蜂窝信号（GSM900频段935~960MHz或DCSl800频段1805—1880MHz）经天线电路和射频滤波器进入接收电路。

接收到的信号首先由低噪声放大器进行放大放大后的信号再经射频滤波后被送到第一混频器。

在第一混频器中，射频信号接收VCO信号进行混频，得到

接收第一中频信号。

第一中频信号与接收第二本机振荡信号混频，得到接收第二中频。

接收第二本机振荡来自VHFVCO电路。

接收第二中频信号经二中频放大后，在中频处理模块内进行RXI／Q解调，解调所用的参考信号来自接收中频VCO。

该信号首先在中频处理电路中被分频，然后与接收中频信号进行混频，得到67.707kHz的RXI／Q信号。

3.直接变频线性接收机

随着新型手机的面世，一些新型手机采用了直接变频线性接收电路。

如诺基亚的8210、8250、3310手机等。

这种接收机的电路结构如图4-3所示。

从前面的一次变频接收机和二次变频接收机的方框图可以看到，RXI／Q信号都是从解调电路输出的，但直接变频线性接收机中，混频器输出的就是RXVQ信号了。

但不管电路结构怎样变，它们总有相似之处：

信号是从天线到低噪声放大器，经过频率变换单元，再到语音处理电路。

二、天线电路

天线电路是手机接收电路的第一级电路，也是发射电路的最后一级电路。

主要作用有以下几点：

一是将天线将空中的电磁波转化为高频电流并将其输送到接收电路中。

二是分离发发射和接收信号，避免二者相互干扰。

由于GSM手机使用了TDMA技术，接收机与发射机间歇工作，天线开关在逻辑电路的控制下，在适当的时隙内接向接收机或发射机通道。

三是用于切换内接和外接天线电路。

四是对于双频或三频手机，天线电路还可以将GSM900MHz、GSMl800MHz或PCNl900MHz信号分开。

目前，手机的天线电路主要采用了以下三种形式，下面分别介绍。

1.天线开关电路

天线开关电路一般由集成电路和外接元件组成，如摩托罗拉P7689手机就采用了这种方式，主要由U150、U151及相关外围元件组成，如图4-4所示。

该天线开关电路主要有以下三点作用：

（1）用于内置天线ANTl与外接收天线EXT-ANT切换；

（2）用于收发信切换；

（3）用于收信1800MHz、900MHz、1900MHz切换。

外接天线由底部接插座J600的第2脚提供，其中，INT-2是收信1800MHz频段信号输出，1NT-3是收信900MHz和1900MHz频段信号输出，RX275-DCS是DCS频段控制信号，RX275-GSM-PCS是GSM、PCN频段控制信号，均来自于CPU；TXIN为发射信号输入，RF-V1为收发切换器正电源，TXON为发射允许信号，RX-

0N为接收允许信号，FILTERED为负电源。

该天线开关电路有四路控制信号：

（1）U151的2脚输出的ANTl信号控制U150内的内天线开关是转向接收电路还是转向发射电路。

（2）U151的3脚输出的ANT2信号控制U150内的外天线开关是转向接收电路还是转向发射电路。

（3）RX275-DCS信号控制U150内的DCS频段信号是否和内置或外接天线接通。

（4）RX275-GSM-PCS信号控制U150内的GSM、PCN频段信号是否和内置或外接天线接通。

2、双工滤波器

有些手机的天线电路采用了双工滤波器（双工器）。

双工器是一种无源器件。

内部包括发射滤波器和接收滤波器，它们都是带通滤波器。

双工器有三个端口，即公共端天线接口、发射输出端及接收输入端。

诺基亚5110手机就采用发这种形式的天线电路，有关电路见图4-5所示。

双工器的ANT端接天线，RX端为接收信号的输出端，TX端为发射信号的输入端。

3.双讯器

在有的手机中，天线电路采用了双讯器（Diplexer）。

双讯器实际上和双工滤波器差不多，所不同的是，双讯器除将发射信号和接收信号分开外，还将GSM900MHz与GSMl800MHz信号分开。

诺基3310手机的天电路就采用了双讯器，有关电路见图4-6所示。

图中所示的是一个带开关电路的双讯器的组件，TXVGSM与TXVDCS是控制端，GSM-TX、GSM-RX别代表GSM的发射、接收端口，DCS-TX、DCS-RX分别代表1800MHz收发信机的发射、接收端口。

双讯器GSM射频信号与DCS射频信号进行分离，而开关电路则将发射射频信号与接收射频信号分离。

诺基亚3310手机使用内置天线。

天线感应接收到的无线蜂窝信号被转化成高频电信号，这些信号包含GSM900接收射频信号。

DCSl800接收射频信号和其他一些无用信号。

天线接收到的射频信号首先到达Z502。

Z502是一个包含射频开关的双讯器。

它对GSM射频信号和DCS射频信号通道进行切换，同时也对接收与发射射频信号进行分离。

Z502的控制信号来自N500模块。

当TXVGSM信号有效时，Z502将天线连接至GSM接收机和发射机电路；当TXVDCS信号有效时，Z502将天线连接至DCS接收机和发射机电路。

从上面分析中可以看出，双讯器和天线开关在电路结构和功能上十分相似，不同的是，天线开关集成电路内部只是一组开关而没有滤波器，而双讯器内部不但有双工滤波器，而且还包含开关电路。

三、低噪声放大电路

低噪声放大器在电路中主要是对天线感应到的微弱的射频信号进行放大，以满足混频器对输入信号的幅度的要求。

在手机电路图中，低噪声放大器的英文缩写是LNA（LowNoiseAmplifier）。

低噪声放大器是接收机的第一级放大电路，位于天线电路之后。

在低噪声放大器的前后，通常都有射频滤波器。

低噪声放大器是一个高频小信号放大器，这个放大器中的三极管要求截止频率高，放大倍数大，噪声系数小。

第一级信号很小，工作点通常设得比较低，同时加电流负反馈，减小噪声。

高频放大电路采用低噪声放大器可以改善接收机的总噪声系数。

同时高频放大器还防止RXVCO信号从天线路径辐射出去。

分立元件的低噪声放大器通常都采用共发射极电路，用以将微弱的射频信号进行放大并弥补射频滤波器带来的插入损耗。

在低噪声射频晶体管放大器中，从低噪声性能出发，其偏压或偏流的供给都是通过电抗滤波器供给的，这样做可以避免电源噪声和偏置电阻的热噪声引入到射频通道中，影响放大器的噪声性能。

图4-7是摩托罗拉P7689手机中的GSM900低噪声放大器电路。

在电路中，三极管Q400是低噪声放大器的核心器件。

Q400与周边元件一起构成了GSM900低噪声放大器。

其中C402是输入电容，C405是集电极输出电容。

LA02、R401、C403等一起构成一个电抗滤波供电电路，将RX-275-GSM电源进行滤波，然后给Q400的集电极供电；I_A01、R403、C403等也构成一个电抗滤波电路，对RX-275-GSM电源滤波后给Q400的基极供电。

R401是交流负载电阻，Q400的放大作用就是通过该电阻表现出采。

L402则是集电极的直流通道。

在基极电路中，电阻R403构成一个固定式偏置电路。

在以Q400为核心的低噪声放大器电路的前一级和后一级，都有一个射频滤波器。

这两个射频滤波器都是带通滤波器，只允许GSM接收频段内的射频信号通过。

在电路中，RX-275-GSM给Q400的集电极和基极提供工作屯压，当该信号为高电平时，启动低噪声放大器。

需要注意的是：

有些手机并没有设置以上分立元件组成的低噪声放大器，其低噪声放大电路已集成在集成电路中。

四、混频电路

对于超外差一次变频接收机和直接变频线性接收机，接收机需对高频信号变频一次，对于超外差二次变频电路，接收机需对高频信号变频两次。

这项工作由混频电路来完成。

混频就是将两个不同的信号——本机振荡信号和信号频率加到非线形器件上，进行频率组合后取其差频或和频，从而满足电路的需要。

而这个差频或和频是固定不变的，我们也把这种变化称为频谱搬移。

混频的英文缩写是MIX。

超外差接收机的频率变换单元一般有自激式变换器和它激式变换器。

如果本机振荡与混频由同一电路完成，则为自激式变频器；如果频率变换和本机振荡信号的产生分别由不同的器件构成则称其为它激式变频器。

所有的手机均采用它激式变频电路。

在这种变频电路中，我们称其频率变换单元为混频器。

所以变频器与混频器是两个不同的概念。

自激式变频器和它激式变频器电路框图如图4-8和4-9所示。

手机的混频器有两个输入端和一个输出端，即：

一个信号输入端、一个本机振荡输入端和一个信号输出端。

1.混频器的上变频和下变频

（1）上变频电路

当变频器的输出为信号频率与本振信号之和，且比信号频率高时，所用的变频器被称为上边带上变频。

当变频器的输出信号为信号频率与本振信号之差，且比信号频率高时，所用的变频器被称为下边带上变频。

上变频器主要用于发射电路中。

（2）下变频电路

当变频器的输出为信号频率与本振信号之差，且比信号频率低，则此变频器为下变频器。

手机接收机电路中的混频器都是下变频器。

2.混频电路的基本形式

（1）二极管混频电路

用二极管做非线性混频元件的混频电路叫做二极管混频电路。

这种混频器的最大优点是电路简单、噪声系数小，但是，因为二极管没有放大能力，所以混频增益低。

采用二极管混频电路的手机不多，只有早期的诺基亚8110、3810等少数几种手机采用。

（2）晶体管混频电路

晶体管混频器有多种电路形式。

其中双极型晶体管混频器可在共发射极电路基础上构成。

摩托罗拉手机的混频器多采用此种电路。

信号和本振信号由基极输入，或信号由基极输入、本振信号由发射极输入。

下面以摩托罗拉P7689手机的混频电路为例进行说明，有关电路见图4—10所示。

电路中，三极管Q450不是工作在放大区，而是工作在三极管的非线形区域。

该电路是一个固定式偏置的共发射电路，R450、R45l、R452、C450、L450构成了电路的偏置电路，R450、R451、R452、C450、L450也构成一个去耦电路（滤波电路），防止电源中的噪声对混频器造成干扰。

（4）集成电路混频电路

集成电路混频电路在手机混频电路中应用的最多，在早期的手机中，有的混频器单独使用一个集成组件，如今手机中的混频器多被集成在一个复合的射频处理或中频处理模块中。

五、中频放大器

1.中频放大器的作用

手机的接收机均要使用中频放大器。

中频放大器最主要的作用是：

（1）获取高增益：

与射频放大部分相比，由于中频频率固定，并且频率较低，可以很容易地得到较高的增益，因而可以为下一级提供足够大的输入。

（2）提高选择性：

接收机的邻近频率选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定。

2.中频放大器的要求

对于中频放大器，不仅需要得到高的增益、好的选择性，还要有足够的通频带和好的频率响应、大的动态范围等。

而接收机的邻近信道选择性一般由中频放大器的通频带宽度决定，由于中频信号为单一的固定频率，其通频带可最大限度地做得很小，以提高相邻信道选择性。

在实际应用中，一般采用多级放大器，并使每级实现某一技术要求。

不论接收机采用一次或二次变频技术，中频放大器总是位居于变频之后。

为避免镜频干扰，提高镜频选择性，接收机通常采用降低第一本机振荡频率提高第一中频频率和多次变频的方法，使信号频谱逐渐由射频搬移到较低频率上。

3.手机常见中频放大电路

手机电路中使用的大多是各厂家自己的专用芯片。

分离元件的中频放大器电路形式与低噪声放大器的电路形式很相似，也是一个共发射极电路，只是它们工作的频点不一样。

在目前大多数手机电路中，摩托罗拉手机中的中频放大器通常使用分离元件的中频放大器，其他手机中的中频放大器通常都是在一个集成电路中。

如上图4-11是摩托罗拉P7689手机的中频放大器电路。

中频放大器的电路形式与低噪声放大器的电路形式相差无几，但它们工作的频罩不同。

低噪声放大器是一个宽带放大器，而中频放大器是一个窄带放大器。

在上图所示的电路中，混频后的信号经C460送人FL457，由FL457选出400MHz中频信号，中频信号经Q480放大后送到中频ICU200解调，Q480的偏置电压由U200的C7脚送来的SW-VCC提供。

需要说明的是：

在超外差一次变频接收机电路中，有一个中频放大器；在超外差二次变频接收机中，则通常有第一、第二中频放大器；在直接变频线性接收机中，没有中频放大器。

六、解调电路

在移动通信和手机电路中，常用的解调技术有锁相解调器、正交鉴频解调器等。

锁相环路（PLL）可以跟踪输入信号，也可以用做解调。

图4—12为一个锁相解调器的方框图。

摩托罗拉928手机采用的就是锁相解调器。

锁相解调器的参考信号则来自一个430MHz的振荡器。

鉴相器通过对输入的两个信号的相位比较，输出一个跟踪调制信号的低频信号，通过低通滤波器滤出高频噪声后即得到解调输出。

摩托罗拉手机、诺基亚手机与三星手机等电路使用的都是锁相解调。

图4—13为正交鉴频器的原理框图。

在正交鉴频器中，相移网络将频率的变化变换为相位的变化，乘法器将相位的变化变换为电压的变化。

将调频信号与其移相信号相乘，通过低通滤波器将乘法器的输出信号中的高频成分滤出，就得到解调信号。

通常，在现代通信设备的电路中，除正交线圈外，鉴频器的其他电路均被集成在芯片内。

需注意的一点是：

这里说的解调是指接收射频电路中将包含信息的射频或中频信号还原出67.707kHz的基带信号的解调（针对GSM手机而言）。

在逻辑音频电路中还有一个GMSK解调，它是将67.707kHz的信号还原出数码信号。

接收机射频部分的解调电路输出的是接收机基带信号，该信号的中心频率为67.707kHz。

摩托罗拉、诺基亚、爱立信早期手机的RXI／Q信号都是两条信号线（RXI、RXQ），而GD90有四条信号线（DQ、DQX、DI、DIX），爱立信T28手机也有四条线（RXIA、RXIB、RXQA、RXQB）。

摩托罗拉，V998、A6188、L2000、P7689等手机的RXI／Q信号在集成电路电路内部，没有外接引脚，所以，无法用示波器测出其波形图。

第二节射频发射功能电路分析

一、发射电路的基本组成

GSM手机的发射电路大致有三种框架结构：

带发射上变频的发射机、带发射变换电路的发射机和直接变频发射机。

1.带发射VCO的发射机电路结构

带发射VCO的发射机电路结构如图4-14所示。

发射流程如下：

数字语音处理电路处理后得到的发射I、Q基带信号TXUQ送到解调电路对载波信号进行调制，得到TXUQ发射已调中频信号。

用于TXFQ调制器的载波信号来自VCO模块输出的中频VCO信号（一般来自接收二本振信号）。

发射已调中频信号在鉴相器中与发射参考中频信号进行比较，得到一个包含发送数据的脉动直流信号，去控制发射VCO的工作。

发射参考中频信号来自发射VCO信号与一本振RXVCO信号的混频。

发射VCO输出最终的发射信号（GSM900频段890---915MHz或DCSl800频段1710～1785MHz）经功率放大器放大后，由天线发送出去。

摩托罗拉、爱立信、三星、西门子和松下等手机的发射电路结构都采用这样结构。

这种结构的发射电路稳定性好，但电路稍复杂。

2.带发射二次上变频的发射机电路结构

带发射二次变频的发射机电路结构如图4-15所示。

发射已调信号在一个发：

射混频器中，与RXVCO（或UHFVCO、RFVCO）混频，得到最终发射信号（GSM900频段890,--915MHz或DCSl800频段1710～1785MHz）。

这种结构简单，但稳定性差，只有诺基亚早期手机（如8110、3810、6150、3210、7110等）的发射机电路结构采用了这种结构。

3.直接变频发射机电路结构

随着新型手机的面世，一些新型手机采用于直接变频发射电路。

如诺基亚的8210、8850、3310手机。

这种接收机的电路结构如图4-16所示。

这种发射机电路中，逻辑音频电路输出的TXI／Q信号直接对SHFVCO信号（这种结构的本振电路一般称之为SHFVCO）进行调制，得到最终发射信号。

二、TXUQ调制电路

1.调制

使一个信号的某种特性参数随另一个信号而变化的过程或处理方法称为调制。

按载波参数随调制情号变化的不同，调制可分为两大类：

连续调制和脉冲调制。

连续调制又分为三种：

调幅（AM）：

载波的振幅随信号波的振幅变化而变化；

调频（FM）：

载波的频率随信号波的振幅变化而变化；

调相（PM）：

载波的相位随信号波的振幅而变化。

数字手机使用了数字调制技术。

数字手机之所以被称为数字手机，就是它采用了数字调制技术。

不论是哪一种发射机电路结构，TXI／Q信号从逻辑音频电路输出后，都是到射频电路中的TXI／Q调制器。

在TXI／Q调制器中，67．707kHz的TXI／Q信号对发射中频载波进行调制，得到己调中频信号。

TXI／Q调制器通常都是在一个中频处理模块中，少数的发射机则有一个专门的调制器模块。

TXI／Q调制所用的载波信号来自一个中频VCO电路。

对于大多数手机来说，接收中频VCO与发射中频VCO共用，个别手机的则有一个专门叫发射中频VCO，如摩托罗拉的928手机。

TXI／Q调制示意图如图4-17所示。

需要说明的是：

诺基3310、8210、8850等手机的调制电路比较特殊，调制后的信号就是最终的发射信号（经平衡／不平衡转换器直接加到功放），而不是发射已调中频信号。

三、发射变换电路

TXI/Q调制后的信号进行发射变频电路进行处理，不同的手机发射变频电路有所不同，但主要有两种方式，

下面分别介绍。

1.发射VCO（TXVCO）电路

在发射变频电路中，TXVCO输出的信号一路到功率放大电路，另一路TXVCO信号与RXVCO信号进行混频，得到发射参考中频信号；发射己调中频信号与发射参考中频信号在发射变换模块中的鉴相器中进行比较，再经一个泵电路（一个双端输入，单端输出的转换电路），输出一个包含发送数据的脉动直流控制电压信号。

去控制TXVCO电路，形成一个闭环回路，这样，由TXVCO电路输出的最终发射信号就十分稳定。

方框图如图4-18所示。

绝大大多手机的发射变频电路均采用了这种方式。

2.发射上变频器电路

发射上变频器实际上是一个频谱搬移电路，用于带发射上变频器的发射机电路中。

在发射上变频器中，发射中频处理电路输出的发射已调中频信号，与RXVCO（或UHFVCO、RFVCO）信号进行混频，得到最终发射信号。

发射上变频器是一个混频电路。

在混频器中讲过，混频器有两个输入信号，一个输出信号。

发射上变频器也是一样，它的输入信号是发射己调中频信号与UHFVCO（RXVCO、RFVCO），输出信号是最终发射信号。

目前，只有诺基亚早期生产的部分手机采用了这种方式。

四、功率放大器

根据工作频带的宽窄不同，高频功放可分为窄带型和宽带型两大类。

所谓频带的宽窄，指的不是绝对频带，而是相对频带，即通频带与其中心频率的比值。

手机电路中的功率放大器都是高频宽带功率放大器。

功率放大器通常用PA表示。

用于放大高频信号并获得足够大的输出功率。

宽带型高频功放采用工作频带很宽的传输线变压器作为负载，由于采用谐振网络，因此，可以在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐。

传输线变压器是由绕在高导磁率磁环上的传输线构成的。

在一些手机电路中，广泛使用微带线电路。

调制后的射频信号经功率放大后，就可以进行传输。

我们把这个功率放大器称为发射功率放大器。

对于射频功率放大器，需能在一给定频率上或频率范围内输出一定的射频功率。

射频功率放大器总是工作在大信号状态下。

在手机中，常采用硅场效应管和砷化镓场效应管为功率放大管，它们的导热率比锗高许多。

而且越来越多的手机使用功率放大器组件。

一个完整的功率放大电路通常包括驱动放大、功率放大、功率检测及控制、电源电路等。

对功率放大器的主要要求是输出功率、带宽和效率，其次为输入输出电压驻波比等。

图4-19是摩托罗拉P7689手机的功率放大电路。

功率放大电路主要由放大模块U300等元件组成，来自发射前置放大电路的信号由U300的第7脚输入，经U300内两级放大后，由U300的第14脚送出到天线切换开关，其中，TX-DCS是1800MHz频段发射允许信号，TX-GSM是900MHz频段发射允许信号，U300的第8脚是内部功能模块控制信号输入脚。

五、功率控制电路

手机的发射功率是可控的，它在不同的地理位置，根据系统的控制指令工作在不同的发射功率级别上。

图4-20是一般手机功率控制的原理方框图。

该控制环路工作原理如下所述：

功率放大器放大的发射信号送到天线转化为

高频的电磁波发送出去。

在功放的输出端，通过一个取样电路取一部分发射信号，经高频整流得到一个反映发射功率大小的直流电平。

这个电平在比较电路中与来自逻辑电路的功率控制参考电平进行比较，输出一个控制信号去控制功放电路的偏压或电源，从而达到控制功率的目的。

摩托罗拉P7689手机的功率控制电路如图4-21所示。

功率控制电路主要由U390构成。

U390的第12脚是射频功率检测输人脚，第7脚是功率控制输出脚，第8脚是来自基端的基准功率控制电平，功率