全面改變汽車(chē)雷達設計的模擬前端電路AD8283剖析

在美國，交通事故死亡率近年來(lái)呈持續下降態(tài)勢，2010年比2009年降低3%，達到1949年以來(lái)的新低。事故死亡率的降低，美國交通部門(mén)的分析認為是得益于汽車(chē)安全技術(shù)的廣泛應用，特別是近年來(lái)逐漸興起的主動(dòng)安全技術(shù)，例如汽車(chē)前端防碰撞預警系統、變道輔助系統等，而這也是當今汽車(chē)安全的發(fā)展方向。

上述的主動(dòng)安全應用中，雷達技術(shù)成為關(guān)鍵要素。近年來(lái)，汽車(chē)雷達技術(shù)持續成為技術(shù)媒體們關(guān)注的熱門(mén)電子技術(shù)，盡管該項技術(shù)在汽車(chē)中的應用至少可以追溯到十幾年前，但直到今天雷達技術(shù)無(wú)論從應用廣度還是從應用深度來(lái)講，依然十分有限，依然還是一些中高端汽車(chē)的“專(zhuān)利”，并更多地停留在停車(chē)輔助應用上。事實(shí)上，雷達技術(shù)在汽車(chē)安全應用上大有可為：包括車(chē)道變換輔助、側面防碰撞檢測、自適應巡航控制、司機盲點(diǎn)檢測、剎車(chē)輔助/防撞緩沖系統、路口交通警報，等等。

圖1：雷達技術(shù)在汽車(chē)主動(dòng)安全中有廣泛應用

全面改變雷達設計的模擬前端電路

然而，當前的大多數汽車(chē)雷達系統集成度都比較低，占用了較大的空間，而且成本高昂，從而將可為更多司乘人員帶來(lái)重要安全保障的雷達技術(shù)局限在高端汽車(chē)中。ADI公司推出的AD8283將汽車(chē)雷達接收器模擬前端（AFE）集成到一塊小小的芯片中，大大提高了集成度，降低了汽車(chē)雷達的尺寸和成本。低成本、高性能的AD8283有望將雷達主動(dòng)安全技術(shù)應用到更多中低端汽車(chē)中。

圖2：AD8283大大縮小傳統雷達模擬前端電路

對于雷達系統設計人員和OEM廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，AD8283具有三大優(yōu)勢。首先是尺寸，它實(shí)現了將許多分立器件在10mmx10mm的封裝中集成,這點(diǎn)非常重要，因為雷達傳感器模塊必須適合安裝在汽車(chē)中的狹小區域，例如減震器后方,這些區域并不是為了容納此類(lèi)電子裝置而設計的；第二是易用性，AD8283為用戶(hù)提供用戶(hù)可編程的靈活設置（下文將詳述可編程功能），以便用戶(hù)能夠提高不同工作條件下的性能，更加輕松地進(jìn)行系統開(kāi)發(fā)，加速新系統的上市；第三是成本，這款產(chǎn)品的價(jià)位低于分立器件，與分立器件方案相比成本可以下降50%以上，因此OEM廠(chǎng)商將能在更多的型號上為更多的應用提供雷達系統，這將給更多的駕駛員帶更安全的駕駛體驗。

六通道AD8283讓雷達系統可以接收更多數量的發(fā)射信號并進(jìn)行解碼，以進(jìn)行目標識別和分類(lèi)。這使得定位時(shí)間更加充裕，從而改善雷達解析目標近似尺寸的能力。該新款模擬前端芯片還具有低功耗的優(yōu)勢，每通道功耗僅為170mW。該款新器件已經(jīng)通過(guò)AEC-Q100認證，可在-40℃至105℃汽車(chē)應用溫度范圍內穩定工作。

信號鏈路解析

AD8283內部集成了低噪聲放大器（LNA）、可編程增益放大器（PGA）、抗混疊濾波器（AAF）、ADC，對于傳統的分立解決方案來(lái)說(shuō)，要讓所有這些器件組成的電路滿(mǎn)足雷達系統的關(guān)鍵性能指標要求具有非常大的挑戰，但該芯片的單芯片集成的優(yōu)勢化解了這些一直讓工程師頭疼的問(wèn)題。這些性能指標包括LNA噪聲、PGA增益范圍、AAF截止特性以及ADC采樣率和分辨率。下面將詳細剖析AD8283內部電路結構以及如何實(shí)現這些性能要求。

LNA位于信號通路的前端，因此良好的噪聲性能依賴(lài)于超低噪聲的LNA，可以有效降低對后續PGA、AAF電路的噪聲輸入。為實(shí)現良好的輸入阻抗匹配，AD8283提供了200Ω或200kΩ的可選輸入阻抗，設計工程師可以通過(guò)SPI端口進(jìn)行編程選擇。輸出級的低值反饋電阻和電流驅動(dòng)能力使得LNA在34dB的通道增益時(shí)能獲得低于3.5nV/√Hz的輸出基準噪聲。由于使用了完全差分的拓撲結構和負反饋使二階失真最小。差分信號實(shí)現了每個(gè)輸出端較小的信號擺幅，進(jìn)一步降低了三階失真。為獲得最佳的噪聲性能，建議注意匹配正負輸入端的阻抗，這樣可以有效抑制共模噪聲。

AD8283內部集成的可編程放大器實(shí)現了應用的極大靈活性，設計工程師可以通過(guò)SPI接口輕松實(shí)現放大器編程設置：可通過(guò)SPI端口以6dB步長(cháng)在16dB至34dB范圍內進(jìn)行增益編程；在最大增益下，折合到輸入端的電壓噪聲小于3.5nV/rtHz。AD8283靈活的放大器設置對于汽車(chē)應用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，因為解決方案能夠根據距離的長(cháng)短自動(dòng)調整雷達傳感器的特性，例如必須防止系統過(guò)載，以及避免返回信號的幅度會(huì )非常高而必須予以衰減。

AD8283內部集成的抗混疊濾波器實(shí)現了信號進(jìn)入ADC之前的帶阻濾波，從而避免信號混疊。該濾波器組合利用了極點(diǎn)和零點(diǎn)濾波來(lái)實(shí)現三階橢圓濾波器，使截止頻率之外的信號可以快速滾降。該濾波器利用了片上微調功能來(lái)修正電容值從而設定期望的截止頻率。這種微調方法降低了因為電阻和電容的標準IC工藝公差導致的截止頻率變動(dòng)。芯片本身默認的-3dB低通濾波器的截止頻率是ADC采樣時(shí)鐘頻率的1/3或1/4，通過(guò)SPI接口可以調整為該頻率的0.8、0.9、1、1.1、1.2或1.3倍。通常微調功能是處于關(guān)閉狀態(tài)，以避免在關(guān)鍵時(shí)刻改變電容設置。該功能可以通過(guò)SPI接口開(kāi)啟或關(guān)閉。在系統上電以及重新編程設定濾波器截止頻率或者ADC采樣率后，必須完成對濾波器的微調初始化。建議在系統空閑時(shí)可以間隙性執行微調動(dòng)作，以補償溫度漂移。

對于所有的傳感器應用來(lái)說(shuō)，ADC技術(shù)都常關(guān)鍵。AD8283利用了ADI在該領(lǐng)域的業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，集成了12位、80MSPS（每秒百萬(wàn)采樣）ADC，能充分滿(mǎn)足絕大部分汽車(chē)雷達的要求，信噪比(SNR)達67dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)達68dB。在充分滿(mǎn)足應用要求條件下，AD8283內部?jì)H集成了單個(gè)ADC電路，并在A(yíng)DC前集成了一個(gè)復用器電路，從而避免了每個(gè)通道都采用一個(gè)獨立的ADC，從而有效地降低芯片的成本。在每次完成ADC采樣后，復用器自動(dòng)在激活的通道間切換掃描，每個(gè)通道接通保持時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期，切換與ADC采樣同步，確保切換時(shí)間與通道建立時(shí)間不會(huì )與ADC采樣發(fā)生沖突。

基于A(yíng)D8283的汽車(chē)雷達設計建議

AD8283的主要應用是高速斜坡頻率調制連續波雷達（HSR-FMCW），這也是當前汽車(chē)雷達廣泛應用的一種技術(shù)。圖3是簡(jiǎn)化的FMCW雷達的系統框圖，基于A(yíng)D8283的汽車(chē)雷達系統通常需要利用DSP、PLL等關(guān)鍵電路，ADI公司為此提供了關(guān)鍵的配套器件。

FMCW雷達系統要求非常高的射頻性能，而目前高度依賴(lài)壓控振蕩器（VCO）線(xiàn)性度的方法非常復雜，缺少靈活性，而且成本高，因此存在很多設計挑戰。ADI于去年推出業(yè)界領(lǐng)先的ADF4158 PLL器件為此提供了良好的選擇，ADF4158是一個(gè)特性豐富的6.1GHz可編程器件，只需經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單配置即可滿(mǎn)足各個(gè)FMCW雷達系統設計工程師的需求。

使用ADF4158實(shí)現的FMCW雷達系統具有完全獨立于VCO線(xiàn)性度的高度線(xiàn)性的斜坡特性，因而能提高雷達分辨率、降低成本以及與系統校準有關(guān)的復雜性。對于那些成本敏感的設計來(lái)說(shuō)，ADF4158的成本優(yōu)勢同樣吸引人，基于可靠的BiCMOS工藝技術(shù)的ADF4158實(shí)現成本只有同類(lèi)器件的三分之一。

同樣，對于DSP配套選擇，設計工程師可以選擇ADI非常成熟、低成本的ADSP BF531，該處理器在業(yè)界已經(jīng)有廣泛的應用，ADI可以提供低價(jià)格的配套開(kāi)發(fā)套件以及大量的應用程序代碼庫，可以大大降低系統設計成本加快產(chǎn)品面市。因此與高性?xún)r(jià)比的AD8283組合將能實(shí)現更具成本競爭優(yōu)勢的汽車(chē)雷達系統，將進(jìn)一步幫助廠(chǎng)商將雷達主動(dòng)安全技術(shù)在更廣泛的中低檔汽車(chē)中實(shí)現。

圖4：除了AD8283，ADI還提供了兼具成本和性能優(yōu)勢的PLL和DSP器件

本文小結：

隨著(zhù)被動(dòng)和主動(dòng)安全系統開(kāi)始與汽車(chē)中的其它電子系統融合，如通信和高級駕駛員輔助等，汽車(chē)正變得越來(lái)越自主、越來(lái)越智能。借助雷達檢測技術(shù)的應用，反應速度遠比駕駛員更快的電子系統將能接管控制權，降低事故的發(fā)生頻率和嚴重程度。在高級駕駛員輔助系統領(lǐng)域，采用雷達技術(shù)的系統變得越來(lái)越普遍，自適應巡航控制、盲點(diǎn)檢測、兩側來(lái)車(chē)警告等都是當今已經(jīng)投入應用的系統，可以用來(lái)提醒或幫助駕駛員控制汽車(chē)。某些情況下，這些系統甚至能干預和控制汽車(chē)，避免危險情況的發(fā)生。

ADI公司作為MEMS、RF、放大器、轉換器和DSP領(lǐng)域的領(lǐng)導者，可為實(shí)現這樣的系統提供領(lǐng)先的技術(shù)。當前廠(chǎng)商所面臨的挑戰在于，如何以最低的成本使產(chǎn)品具有最小的尺寸、最高的可靠性、可在更高和更低溫度工作條件下的魯棒性及易于配置等特性，ADI公司推出的AD8283以及ADF4158等業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)幫助汽車(chē)制造商以低成本、更小的尺寸和更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間克服了這些挑戰。