433MHz单片射频无线收发芯片nRF401.docx
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433MHz单片射频无线收发芯片nRF401
433MHz单片射频无线收发芯片nRF401
特性：
●采用FSK调制单片收发芯片
●只需少数外围元件
●无需建立配置
●无需数据编码
●传输速率最高可达20kbit/s
●双频道切换
●应用范围广泛
●功率损耗低
●可选待机模式
应用：
●安全防火系统
●自动计量、读取器
●家庭自动化
●遥控
●监视
●车用
●遥感勘测
●玩具
●无线通信
概述
nRF401是一种可靠的超高频单片无线收发芯片，用于国际通用的数传频段433MHz。
它的特性是FSK调制和FSK解调。
nRF401工作速度可达20kbit/s，最大输出功率能达到10dBm。
天线接口是一组差动的、低成本PCB天线。
nRF401的特性之一是采用待机模式，它存储容易且有效。
nRF401使用+3～+5V直流电源。
作为一种主应用产品，nRF401符合欧洲电信协会标准规则，被计划用于超高频无线设备。
nRF401快速参考数据
表1nRF401快速参考数据
nRF401资料排序
型号
说明
版本
nRF401-IC
20引脚
A
Nrf401-EVKIT
nRF401-IC鉴定工具
1.0
表2nRF401资料排序
框图
图1nRF401外围元件框图
引脚功能
引脚
名称
引脚功能
说明
1
XC1
输入端
晶体振荡器输入端
2
VDD
电源
+3至+5V直流电源
3
VSS
地
0V
4
FILT1
输入端
循环筛选程序
5
VC01
输入端
外围电感元件
6
VC02
输入端
外围电感元件
7
VSS
地
0V
8
VDD
电源
+3至+5V直流电源
9
DIN
输入端
数据输入
10
DOUT
输入端
数据输出
11
RF_PWR
输入端
电源发送设置
12
CS
输入端
频道选择
CS=“0”→433.92MHz（信道1）
CS=“1”→434.33MHz（信道2）
13
VDD
电源
+3至+5V直流电源
14
VSS
地
0V
15
ANT2
输入端/输出端
天线终端
16
ANT1
输入端/输出端
天线终端
17
VSS
地
0V
18
PWR_UP
输入端
节能控制
PWR_UP=“1”→电源开（工作模式）
PWR_UP=“0”→电源关（待机模式）
19
TXEN
输入端
发射接收控制
TXEN=“1”→发射状态
TXEN=“0”→接收状态
20
XC2
输入端
晶体振荡器输出端
表3引脚功能
电气规范
条件：
VDD=±3VDC，VSS=0V，TA=-25℃～+85℃
符号
参数
最小值
指标
最大值
单位
VDD
电源电压
2.7
3
5.25
V
VSS
地
0
V
IDD
电流总消耗
接收模式
发射模式
待机模式
11
8
8
mA
mA
μA
PRF
最大输出功率
10
dBm
VIH
输入逻辑电压“1”
0.7·VDD
VDD
V
VIL
输入逻辑电压“0”
0
0.3VDD
V
VOH
输出逻辑电压“1”
0.7·VDD
VDD
V
VOL
输出逻辑电压“0”
0
0.3VDD
V
IH
输入逻辑电流“1”
+20
μA
IL
输入逻辑电流“0”
-20
μA
f1
信道1频率
433.92
MHz
f2
信道2频率
434.33
MHz
动态范围
90
dB
调制方式
FSK
Δf
频率偏差
±15
kHz
fIF
中频
400
kHz
BWIF
带宽
65
85
kHz
fXTAL
晶体频率
4.0
MHz
晶体频率稳定性要求
±45
ppm
接收灵敏度
-105
dBm
工作速度
0
20
kbit/s
ZI
建议天线端口差动阻抗
400
Ω
失真辐射
符合EN300-200-1V1.2.1
表4电气规范
绝对最大额定值：
电源电压VDD：
-0.3～+6VVSS：
0V
输入电压VI：
-0.3～VDD+0.3V
输出电压Vo:
-0.3～VDD+0.3V
电源损耗PD（TA=25℃）:
250mA
温度工作状态温度-25℃～+85℃待机状态温度-40℃～+125℃
附注：
应力超过额定值可能对装置引起永久性破坏。
注意：
禁止用手接触静电敏感装置。
引脚分配
图2引脚分配
封装外型
nRF401，20脚SSOIC封装。
（单位：
毫米）
图3SSOIC-20封装外型
主要计时数据
定时信息
不同工作状态下的时间延迟见表5。
（TX为发射模式、RX为接收模式、std.by为待机模式）
方式转换
名称
最大延时
条件
TX→RX
tTR
3ms
工作状态
RX→TX
tRT
1ms
std.by→TX
tST
2ms
std.by→RX
tSR
3ms
VDD=0→TX
tVR
4ms
起始状态
VDD=0→RX
tVR
5ms
表5nRF401定时信息概括
发射模式和接收模式间的转换
在发射接收控制输入端为高电平，至少在1ms前，接收模式向发射模式转换时，数据不能被发送。
参看图4（a）。
在发射接收控制输入端为低电平，至少在3ms前，发射模式向接收模式转换时，接收端不能接受数据。
参看图4（b）。
图4发射模式与接收模式转换的时序图
待机模式和发射模式之间的转换
从节电控制输入端为高电平时开始，直到数据有效时的时间定为tSR。
参看表5及图5（a），能查出nRF401的tSR=3ms。
图5待机模式与发射、接收模式转换的时序图
待机模式和接收模式之间的转换
从节电控制输入端为高电平开始，直到合成频率稳定时的时间为tST。
参看表5及图5（b），能查出tST=2ms。
加电到发射模式（起始状态）
当电源供给改变时，为了避免失真辐射，发射接收控制端必须保持低电平，直到合成频率稳定。
参看图6（a）。
当启动发射模式、发射数据之前，发射接收控制输入端应为高电平，时延至少为1ms。
图6加电到发射模式和接收模式的时序图
加电到接收模式（起始状态）
在加电到接收模式的转变中，接受端不能接收数据，直到电压稳定（电压大于2.7V），至少需要5ms。
参看图6（b）。
如果外围基准振荡器被应用，在3ms后，接收机可以接收数据。
应用信息
无线输入端/输出端
当nRF401处于接收模式时，ANT1引脚和ANT2引脚提供RF输入到低噪声放大器。
nRF401处于发射模式时，RF从功率放大器输出。
NRF的天线连接用建议天线端口差动负载阻抗400Ω。
图12显示了一种典型的应用原理图，在印刷PCB电路板时使用差动回路天线。
在双差动结构中输出端由两个集极晶体管组成。
电源到功率放大器必须通过集极负载。
当在ANT1/ANT2引脚连接一个差动回路天线时，电源应该通过回路天线中心。
一个天线单端或50Ω测试仪器可以通过使用平衡—不平衡转换器连接到nRF401上。
如图7所示。
图7天线单端的连接
180nH电感到电源，需要接一个大于433MHZ的自谐振频率来起作用。
在表4.5中列出合适的电感。
厂商
网址
0603型180电感元件
Stetco
0603G181KTE
Coilcraft
0603CS-R18XJBC
muRata
LQW1608AR18J00
表6厂商和180nH电感元件
在50ΩRF输入端/输出端，一个特殊槽形过滤器可以用在应用设备上。
在使用8：
1RF阻抗变压器时，单端天线也可以连接在nRF401上。
RF变压器在主变压器为VDD电源时，必须有一个中心抽头。
RF输出功率
外围偏压电阻R3连接在RF_PWR引脚和VSS引脚之间，用来输出功率。
RF输出功率可以为+10dBm如图8所示，输出功率可以低于+10dBm。
-8.5dBm的差动负载为400Ω。
DC功率相对电流与外围偏压电阻值如图9所示。
图8功率和电阻的关系
图9电流与电阻的关系
锁相回路过滤器
合成回路过滤器是一种外围的、单端二阶延迟过滤器。
过滤器元件为：
C3=820pF、C4=15nF、R2=4.7kΩ。
见图12。
压控振荡器电感
外围22nH电感连接在VC01引脚和VC02引脚之间，用于压控振荡器。
该电感为高电感，Q>45@433MHZ，最大误差为±2%。
22nH0603电感适合用于nRF401中。
表722nH电感的可选型号及厂商
晶体说明
用低功率损耗构成晶体振荡器，其中包括晶体损耗和电容加载。
f=4.0000MHZ晶体共振频率
C0≤5PF晶体并行等价电容
ESR≤150Ω晶体等价阻抗
CL≤14PF晶体负载电容
在图10中所示的晶体振荡器负载电容。
在应用原理图中，C1和C2是0603SMD电容器。
CPCB1和CPCB2是电路板上的电路附加电容。
如图12和表9所示。
图10晶体振荡器和等效电路
用微控制器共享基准晶体
图11显示了当nRF401和微控制器共享基准晶体时的典型应用电路图。
图11微控制器共享基准晶体连接
微控制器的晶体基准线，由于数据和控制信号的变动，不能被布线。
发射/接收模式选择
TXEN是发射/接收模式的数字输入选择端。
TXEN=“1”时，选择发射模式。
TXEN=“0”时，选择接收模式。
信道1/信道2选择
CS是信道选择的数字输入端。
CS=“1”时，选择信道2。
CS=“0”时，选择信道1。
表8模块工作模式控制和工作信道选择表
数据输入端和数据输出端
DIN引脚输入到发射机数字调制器。
给该引脚输入CMOS逻辑信号，工作速度最高可达20kbit/s，无需数据编码。
DIN=“1”→f=fo+Δf
DIN=“0”→f=fo-Δf
在DOUT引脚输出数字解调器数据，可以得到CMOS逻辑状态。
f=fo+Δf→DOUT=“1”
f=fo-Δf→DOUT=“0”
加电
PWR_UP是正常工作模式和待机模式的选择，是数字输入端。
PWR_UP=“1”时，选择正常工作模式。
PWR_UP=“0”时，选择待机模式。
发射/接收机的差动频率
为了达到最优性能，发射/接收机间的差动总频率不能超过70ppm。
发射/接收机的晶体稳定性要求±35ppm。
差动频率-12dB低于接收机灵敏度。
发射机工作频率高达450ppm（200KHZ）。
PCB板和去耦准则
一个好的PCB设计对于RF性能来说是非常重要的。
为了达到最优性能，建议使用包括地线的分为两小层的PCB板。
对于带高性能RF电容器的VCC引脚，nRF401DC供应电压应被去耦。
如表9所示。
最好在外部装配一个并行的小值电容。
nRF401电源电压应被过滤，独立布线。
在印刷电路板时应避免使用长线。
对于nRF401IC，所有的地线、电源线和绕过电容的电源线必须连接。
在印制上层电路板时，VSS引脚直接连在RF地线上。
在印刷电路板底层时，最好的方法是使通孔靠近于VSS焊点。
数据完全变化和控制信号在接近锁相环路过滤器元件或外围压控振荡器电感元件时，不被布线。
放置压控振荡器电感是重要的。
压控振荡器电感的最佳位置是在FILT1上，给锁相环路过滤器1.1±0.2V电压。
对于0603型号电感，在VC01/VC02焊点中心和电感焊点中心的长度为5.4mm。
参看图13（c）。
印刷电路板设计举例
图13显示的是以图12为应用原理图的印刷电路板设计。
使用了1.6mm厚度的FR-4双面板。
印刷底层电路板有一根接地线。
另外，在面板组件周围有地区域，以保护临界元件的充分接地。
大量通孔连接上层地区域和底层地线。
在天线下方没有地线。
为了更新的设计，请参照nAN400-05的应用注解《nRF401RF和天线设计》。
图13nRF401的印刷电路板
应用图
图12nRF401应用设计图
表9推荐的外围电路元件
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