【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(duì)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(duì)手器件3dB。該器件功耗低50% ， 采用小型、性價(jià)比高的5mm×5mm LFCSP塑料封裝。該器件的四個(gè)片內(nèi)接收通道采用簡單的單端連接與四個(gè)獨(dú)立天線相連，從而簡化了射頻傳輸線設(shè)計(jì)和PCB布局布線，同時(shí)縮小了電路板尺寸。接收機(jī)下變頻器可同時(shí)直接放大并轉(zhuǎn)換4路24GHz接收機(jī)信號(hào)，以產(chǎn)生高質(zhì)量、高幅度基帶信號(hào)或降低頻率信號(hào)，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(shí)間與資源來校準(zhǔn)。
ADF5904針對(duì)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(jì)，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(jí)設(shè)計(jì)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
- 4 個(gè)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(gè)通道開啟)；
- LO輸入范圍：-8dBm至+5dBm；
- 接收機(jī)至IF隔離：30dB；
- RF信號(hào)帶寬：250MHz；
- 模擬輸出的片內(nèi)溫度傳感器。
技術(shù)細(xì)節(jié) ADF5904是一款4通道、24GHz接收機(jī)MMIC，其中4個(gè)RF通道頻率下變頻至差分基帶信號(hào)，然后直接驅(qū)動(dòng)至專用多通道ADC，以便對(duì)輸入模擬接收機(jī)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。這些數(shù)字信號(hào)可通過快速傅里葉變換(FFT)或其它運(yùn)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(yàn)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)的速度、距離和位置的計(jì)算。
ADF5904使用本振輸入信號(hào)或發(fā)射機(jī)配套IC(稱為ADF5901) 產(chǎn)生的LO源對(duì)接收機(jī)信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)更高的放大性能和下變頻處理。設(shè)計(jì)IC的RF端口與印刷電路板(PCB)天線連接時(shí)，單端RF接口連接可大幅簡化PCB設(shè)計(jì)任務(wù)。此時(shí)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(diǎn)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(jì)圍繞接收機(jī)輸入引腳的RF布局。
這4個(gè)接收機(jī)信號(hào)路徑中的每一個(gè)均含有低噪聲放大器(LNA)，后接一個(gè)低噪聲混頻器和一個(gè)差分輸出 放大器。這4 個(gè)通道共享ADF5901芯片產(chǎn)生的L O 信號(hào)。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(jì)使接收機(jī)信號(hào)鏈具有10dB噪聲系數(shù)，并且即使在所有4個(gè)接收機(jī)通道同時(shí)開啟以及采用3.3V單電源的情況下亦可實(shí)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(dú)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(duì)四線式SPI的簡單控制，允許回讀寄存器內(nèi)容，以檢查針對(duì)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(gè)發(fā)射機(jī)PA，可提供8dBm輸出功率、驅(qū)動(dòng)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(hào)鏈。
驅(qū)動(dòng)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(shí)保持最優(yōu)的VCO功率電平，保證了1MHz失調(diào)時(shí)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(shí)鐘，此時(shí)鐘信號(hào)通過REFIN引腳向器件提供，同樣的參考時(shí)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(jì)數(shù)器可以校準(zhǔn)VCO頻率，用來將分頻RF信號(hào)與來自參考時(shí)鐘的已知頻率信號(hào)對(duì)比。
這個(gè)N計(jì)數(shù)器模塊還可用于MUOUT引腳的饋入信號(hào)， 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(shí)， 還需考慮溫度變化， 確保頻率不會(huì)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?yàn)殚]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(gè)發(fā)射機(jī)輸出單獨(dú)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(jì)任務(wù)。
ADF5901上的LO輸出具有固定輸出功率，用于驅(qū)動(dòng)ADF5904接收機(jī)芯片上的LO輸入。功率電平足以讓它驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(duì)基波VCO頻率進(jìn)行2分頻或4分頻輸出。因此，同時(shí)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(shí)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(hào)。另外，可以通過片上8位ADC對(duì)傳感器信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)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(hào)無需藉由耦合電容實(shí)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(jì)。
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(shí)，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(shí)，這通常會(huì)限制雷達(dá)系統(tǒng)檢測較小物體或目標(biāo)。在實(shí)際的雷達(dá)應(yīng)用中， 當(dāng)信號(hào)繁忙或嘈雜時(shí)， 所有這一切都會(huì)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(hào)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(duì)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(jì)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(jì)。
作者：John Morrissey，Patrick Walsh，ADI公司
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