- 4 個接收通道, 接收機(jī)通道增益:22dB;
- 噪聲系數(shù): 1 0 d B , P 1 d B :-10dBm;
- 功耗:0.5mW(全部4個通道開啟);
- LO輸入范圍:-8dBm至+5dBm;
- 接收機(jī)至IF隔離:30dB;
- RF信號帶寬:250MHz;
- 模擬輸出的片內(nèi)溫度傳感器。
解析24GHz FMCW雷達(dá)收發(fā)器芯片組
發(fā)布時間:2017-05-02 來源:John Morrissey,Patrick Walsh 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】本文介紹了適于汽車和工業(yè)傳感器應(yīng)用的24GHz FMCW雷達(dá)收發(fā)器芯片組,ADF5904搭配IC (發(fā)射機(jī)ADF5901芯片和ADF4159 PLL)使用兼具高性能相位噪聲、輸出功率和高速斜坡能力,使該器件針對傳感器具有更低的噪底性能。
ADF5904:4通道、24GHz接收機(jī)下變頻器MMIC
ADF5904集成式多通道接收機(jī)下變頻器具有10dB噪聲系數(shù)性能,優(yōu)于競爭型對手器件3dB。該器件功耗低50% , 采用小型、性價比高的5mm×5mm LFCSP塑料封裝。該器件的四個片內(nèi)接收通道采用簡單的單端連接與四個獨立天線相連,從而簡化了射頻傳輸線設(shè)計和PCB布局布線,同時縮小了電路板尺寸。接收機(jī)下變頻器可同時直接放大并轉(zhuǎn)換4路24GHz接收機(jī)信號,以產(chǎn)生高質(zhì)量、高幅度基帶信號或降低頻率信號,以便輕松連接ADI 4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器或模擬前端(AFE) 。ADF5904還提供集成式溫度傳感器,無需使用分立式檢測元件,這些元件原本可能需要在系統(tǒng)裝配和測試期間占用額外的時間與資源來校準(zhǔn)。
ADF5904針對采用數(shù)字波束成形的多通道接收機(jī)高頻應(yīng)用設(shè)計,如汽車ADAS雷達(dá)、微波雷達(dá)傳感 器和工業(yè)雷達(dá)系統(tǒng),在這些應(yīng)用中,能效正在成為越來越重要的系統(tǒng)級設(shè)計考慮因素。ADF5904 24GHz接收機(jī)具有同類一流的接收機(jī)靈敏度,相比競爭型RF IC技術(shù)整體功耗更低, 因而適合此類應(yīng)用以及其它傳感器應(yīng)用。
主要特性
技術(shù)細(xì)節(jié) ADF5904是一款4通道、24GHz接收機(jī)MMIC,其中4個RF通道頻率下變頻至差分基帶信號,然后直接驅(qū)動至專用多通道ADC,以便對輸入模擬接收機(jī)信號進(jìn)行數(shù)字化處理。這些數(shù)字信號可通過快速傅里葉變換(FFT)或其它運行在系統(tǒng)微處理器上的復(fù)雜雷達(dá)檢測軟件算法進(jìn)行驗算,以便檢測出現(xiàn)在雷達(dá)傳感器系統(tǒng)前方的目標(biāo),并實現(xiàn)目標(biāo)的速度、距離和位置的計算。
ADF5904使用本振輸入信號或發(fā)射機(jī)配套IC(稱為ADF5901) 產(chǎn)生的LO源對接收機(jī)信號進(jìn)行下變頻處 理。ADF5904上的所有RF輸入均為簡單的單端輸入,它們內(nèi)部連接至集成式巴倫,用來將接收機(jī)信號轉(zhuǎn)換為差分信號,以實現(xiàn)更高的放大性能和下變頻處理。設(shè)計IC的RF端口與印刷電路板(PCB)天線連接時,單端RF接口連接可大幅簡化PCB設(shè)計任務(wù)。此時只需50Ω PCB線路走線即可,無需外部匹配無源元件,節(jié)省了大量的電路板空間。ADF5904的眾多技術(shù)亮點之一,是在如此高的集成度以及采用低成本塑料封裝的情況下還能具備30dB的一流接收機(jī)間通道隔離性能。為了保持30dB的出色接收機(jī)間隔離性能,需仔細(xì)設(shè)計圍繞接收機(jī)輸入引腳的RF布局。
這4個接收機(jī)信號路徑中的每一個均含有低噪聲放大器(LNA),后接一個低噪聲混頻器和一個差分輸出 放大器。這4 個通道共享ADF5901芯片產(chǎn)生的L O 信號。整體接收機(jī)鏈路具有2 2 d B 固定增益, P1dB 為-10dBm,其低噪聲設(shè)計使接收機(jī)信號鏈具有10dB噪聲系數(shù),并且即使在所有4個接收機(jī)通道同時開啟以及采用3.3V單電源的情況下亦可實現(xiàn)5 5 0 m W的極低功耗系數(shù)。系統(tǒng)采用上電占空比后, 總功耗還可進(jìn)一步降低; 未使用的接收機(jī)通道可獨立掉電, 進(jìn)一步降低功耗和熱管理。ADF5904集成片上溫度傳感器,其作為模擬電壓連接A測試引腳,可監(jiān)測系統(tǒng)溫度。ADF5904具有DOUT引腳,提供針對四線式SPI的簡單控制,允許回讀寄存器內(nèi)容,以檢查針對芯片控制寄存器的正確寫入操作。
ADF5901:2通道、24GHz發(fā)射機(jī)MMIC
ADF5901 是一款24GHz發(fā)射機(jī)MMIC , 片上集成24GHz VCO,涵蓋250MHz ISM頻段(24GHz至24.25GHz),該VCO連接至2個發(fā)射機(jī)PA,可提供8dBm輸出功率、驅(qū)動接收機(jī)MMIC ADF5904的LO輸出,以及差分輔助輸出,以便通過ADF4159斜坡發(fā)生PLL進(jìn)行閉環(huán)控制。芯片組將這些元件相結(jié)合,形成了完整的24GHz ISM雷達(dá)系統(tǒng)RF信號鏈。
驅(qū)動器件發(fā)射機(jī)輸出的片上VCO經(jīng)過頻率和功率校準(zhǔn),確保能在ISM頻段內(nèi)工作,同時保持最優(yōu)的VCO功率電平,保證了1MHz失調(diào)時的-108dBc/Hz出色相位噪聲。該器件還集成發(fā)射機(jī)輸出功率校準(zhǔn)電路,可校準(zhǔn)發(fā)射機(jī)輸出功率,確保功率保持在允許的功率電平限值內(nèi)。校準(zhǔn)電路采用外部參考時鐘,此時鐘信號通過REFIN引腳向器件提供,同樣的參考時鐘可共享ADF4159 PLL的參考輸入。
為了適應(yīng)功率校準(zhǔn),發(fā)射機(jī)提供片上功率檢波器,可檢測發(fā)射機(jī)輸出引腳上的功率。功率檢波器用作校準(zhǔn)引擎的一部分,控制輸出功率。輸出功率校準(zhǔn)在溫度和電源范圍內(nèi)精確。
采用片上R(基準(zhǔn)電壓源)和N(RF)分頻器計數(shù)器可以校準(zhǔn)VCO頻率,用來將分頻RF信號與來自參考時鐘的已知頻率信號對比。
這個N計數(shù)器模塊還可用于MUOUT引腳的饋入信號, 從而允許芯片工作在開環(huán)鑒頻器系統(tǒng)中。然后, 它還需要額外的外部監(jiān)控電路來測量分頻VCO頻率和DAC轉(zhuǎn)換器,以便調(diào)節(jié)器件的VTU N E引腳,確保工作在ISM頻段。此外,使用這種開環(huán)方法時, 還需考慮溫度變化, 確保頻率不會漂移到ISM頻段外。所有這一切都需要DSP干預(yù)來執(zhí)行校準(zhǔn)。使用ADF4159的閉環(huán)系統(tǒng)無需這些額外的DSP工作量,因為閉環(huán)PLL確保頻率的正確性,且沒有溫度或電源電壓變化效應(yīng),這使得這款器件更為穩(wěn)定且易于使用。
ADF5901上的兩個發(fā)射機(jī)輸出單獨受控,支持虛擬天線和雷達(dá)傳感器的MIMO操作。ADF5901上的發(fā)射機(jī)和LO輸出為單端輸出,方便RF與器件接口,并由于只需要50Ω PCB走線而減少PCB設(shè)計任務(wù)。
ADF5901上的LO輸出具有固定輸出功率,用于驅(qū)動ADF5904接收機(jī)芯片上的LO輸入。功率電平足以讓它驅(qū)動多個ADF5904接收機(jī)器件,且需要外部元件以便支持接收機(jī)通道數(shù)更多的可擴(kuò)展系統(tǒng)。
差分輔助輸出支持對基波VCO頻率進(jìn)行2分頻或4分頻輸出。因此,同時提供12GHz或6GHz輸出,可讓ADF4158或ADF4159斜坡發(fā)生PLL用于反饋路徑,鎖定ADF5901 VCO,同時生成所需的高度線FMCW調(diào)制斜坡。
此外,ADF5901片上集成溫度傳感器,支持ATEST引腳輸出模擬信號。另外,可以通過片上8位ADC對傳感器信號進(jìn)行數(shù)字化處理,產(chǎn)生的數(shù)字回讀至DOUT數(shù)字引腳。DOUT引腳還可用來回讀寄存器,檢查芯片控制寄存器的寫入操作正確性。
ADF4159:13GHz小數(shù)N分頻FMCW斜坡發(fā)生PLL
ADF4159 PLL具有同類一流的相位噪聲性能( 歸一化相位噪聲FOM為-224dBc/Hz),并提供靈活的斜坡 調(diào)制方案,用于FMCW操作。該器件的最大PFD頻率為110MHz,支持慢斜坡(1ms至10ms)和快斜坡(20ms至1ms)概念。ADF4159的最大RF輸入頻率為13GHz,可與發(fā)射機(jī)IC ADF5901的輔助輸出輕松實現(xiàn)接口,完成閉環(huán)FMCW生成。ADF4159靈活斜坡生成引擎支持多種三角和鋸齒斜坡曲線,具有靈活的時間和頻率偏差。此外,它還支持快斜坡曲線,最大程度減少斜坡折回階段的過沖/欠沖,并最大化RF帶寬掃描頻率,實現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的精細(xì)范圍分辨率。ADF5901與ADF5904的接口無需外部無源元件,因而無需使用昂貴的高頻電容。ADF5901和ADF4159之間的輔助信號無需藉由耦合電容實現(xiàn)。 全部三款I(lǐng)C均提供出色的ESD性能,且完全符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn),保證了更為穩(wěn)定的傳感器設(shè)計。
雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)勢
當(dāng)用來構(gòu)建雷達(dá)傳感器執(zhí)行器,并且每一dB的接收機(jī)靈敏度提升及檢測范圍都至關(guān)重要時,芯片組提供的這些高性能規(guī)格組合就顯得十分必要。 很多基于IC的雷達(dá)系統(tǒng)都受限于發(fā)射機(jī)(相位噪聲)和接收機(jī)噪聲,從而限制了接收機(jī)的總信噪比(SNR)。當(dāng)存在或靠近較大物體時,這通常會限制雷達(dá)系統(tǒng)檢測較小物體或目標(biāo)。在實際的雷達(dá)應(yīng)用中, 當(dāng)信號繁忙或嘈雜時, 所有這一切都會累積, 從而增加系統(tǒng)相位噪聲,降低雷達(dá)接收機(jī)靈敏度。
圖1:ADI 24GHz全信號鏈產(chǎn)品
ADF5904搭配配套IC(發(fā)射機(jī)ADF5901芯片和ADF4159 PLL)使用兼具高性能相位噪聲、輸出功率和 高速斜坡能力,使該器件針對傳感器具有更低的噪底性能。該集成式芯片組的高性能特性為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計人員提供至少兩倍的靈敏度提升,以及多達(dá)1.5倍的檢測范圍提升,而總功耗則大幅降低,從而使小尺寸傳感器的性能更為穩(wěn)定可靠,易于設(shè)計。
作者:John Morrissey,Patrick Walsh,ADI公司
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