热噪声对手机射频灵敏度之危害

Thermal Noise 由[1]可知，灵敏度会受温度影响，如下图 : 因此 Placement时，若是双面摆件，耗电流高的 IC，其位置不要重迭，尤其是 PA跟 PMIC，这样会导致热散不掉，PCB温度升高，则接收机整体 Noise Floor 会上涨，其灵敏度会变差[2]。 虽然相较于WCDMA这种 PAR较大的调变机制，GSM的耗电流不大[3]，但操作 时间一久，仍会使 PCB温度上升。另外虽然 GSM是 TDD机制，亦即接收讯号时， 其 PA是没有在工作的，但 PA造成的热噪声，不会因 PA没有在工作就立即消散， 因此仍需注意。 1 而 PA的 GND Pad，其 GND Via要尽可能多打，以加强散热[4]。 而虽然 TCXO有温度补偿机制，其震荡频率较不易受温度影响[5]，但在 Placement 时，仍需远离 PA，避免震荡频率受 PA的高温影响[7]。由[6]可知，发射功率为 29 dBm的 PA，其温度最高处有 90度，如下图 : 2 倘若 TCXO离 PA过近，即便有温度补偿机制，但其震荡频率仍可能会受高温影 响，而有所偏移，亦即会有频率误差，这使得量测通道并未座落在主频最大能量 处，导致 CNR下降，其灵敏度自然变差，如下图[8]: 另外也可利用石墨导片，将 PA所产生的热均匀散开，使其不会集中在某个点， 如下图[6] : 3 而下图可看出，采用石墨导片后，其热便均匀散开，最高温处从 90度降到了 64 度。 因此，除了利用 Placement来避免 TCXO受 PA高温影响，亦可利用石墨导片。 当然，若将石墨导片贴在 TCXO上，亦可避免其震荡频率受 PA高温影响，然而 PA高温会影响的，不只是 TCXO的震荡频率，也包含 FBAR Filter的频率响应。 由[9]可知，相较于 SAW Filter，FBAR Filter对于带外噪声的抑制能力更好，如 下图 : 4 而由[10]可知，WCDMA为 FDD机制，其发射端与接收端会同时运作，因此需要 在 PA输出端添加 Duplexer，加强发射端与接收端之间的隔离度，将 Tx Leakage 的危害降到最低[11]， 但若 PA离 FBAR型式的 Duplexer太近，会导致其 Duplexer的频率响应曲线， 因 PA高温而有所偏移，导致其输出功率会大幅衰减，如下图 : 当然，接收讯号也会因 Duplexer的频率响应曲线受 PA高温而偏移，导致 CNR 大幅下降，其灵敏度自然跟着变差。因此为避免 PA高温影响 TCXO的震荡频率， 以及 FBAR的频率响应，应将石墨导片贴于 PA才是[7]。 5 虽然除了 PA，PMIC也是高耗电的 IC，原则上在 Placement时，TCXO也需尽可 能远离，但由于 XO的相关讯号与电路，会内建于 PMIC中，这意味着 XO无法 离 PMIC太远[12]。 但因为 PMIC也是容易温度升高的组件，若距离过近会使得 XO的振荡频率受高 温影响，而有所偏移。但若距离过远，则会使 XTAL_IN/OUT的长度过长，导致 负载电容值过大，同样也会影响震荡频率。因此一般而言，其距离大约保持在 5 到 10mm。另外，XTAL_IN/OUT的线宽，不要超过 3 mil，因为线宽细一点，可 以提高热阻，进而避免振荡频率受 PMIC的高温影响。 6 Reference [1] GSM射频接收机灵敏度之解析与研究, 百度文库 [2] 手机 EMC 设计及整改技术 [3] 关于 GSM和WCDMA最大功率及耗电流从调变方面解释, 百度文库 [4] Guidelines for Improving PCS Single-tone Desense, Qualcomm [5] 晶体振荡器(XO)与压控温补振荡器(VCTCXO)之比较, 百度文库 [6] eGRAF ®® Thin Flexible Thermal Thin Flexible Thermal Management for Displays Management for Displays [7] Guidelines for GPS-capable Phone Designs, Qualcomm [8] IQ讯号与信噪比对手机灵敏度之影响, 百度文库 [9] FBAR Filters, AVAGO [10] WCDMA之零中频接收机原理剖析大全, 百度文库 [11] WCDMA之 Tx Leakage对于零中频接收机之危害, 百度文库 [12] WCDMA零中频发射机(TX)之调校指南与原理剖析, 百度文库 7