全面改變汽車雷達設計的模擬前端電路AD8283剖析
摘要： 前的大多數(shù)汽車雷達系統(tǒng)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重要安全保障的雷達技術局限在高端汽車中。ADI公司推出的AD8283將汽車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，降低了汽車雷達的尺寸和成本。低成本、高性能的AD8283有望將雷達主動安全技術應用到更多中低端汽車中。
Abstract：
Key words :
在美國，交通事故死亡率近年來呈持續(xù)下降態(tài)勢，2010年比2009年降低3%，達到1949年以來的新低。事故死亡率的降低，美國交通部門的分析認為是得益于汽車安全技術的廣泛應用，特別是近年來逐漸興起的主動安全技術，例如汽車前端防碰撞預警系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)等，而這也是當今汽車安全的發(fā)展方向。
上述的主動安全應用中，雷達技術成為關鍵要素。近年來，汽車雷達技術持續(xù)成為技術媒體們關注的熱門電子技術，盡管該項技術在汽車中的應用至少可以追溯到十幾年前，但直到今天雷達技術無論從應用廣度還是從應用深度來講，依然十分有限，依然還是一些中高端汽車的“專利”，并更多地停留在停車輔助應用上。事實上，雷達技術在汽車安全應用上大有可為：包括車道變換輔助、側面防碰撞檢測、自適應巡航控制、司機盲點檢測、剎車輔助/防撞緩沖系統(tǒng)、路口交通警報，等等。
圖1：雷達技術在汽車主動安全中有廣泛應用
全面改變雷達設計的模擬前端電路
然而，當前的大多數(shù)汽車雷達系統(tǒng)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重要安全保障的雷達技術局限在高端汽車中。ADI公司推出的AD8283將汽車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，降低了汽車雷達的尺寸和成本。低成本、高性能的AD8283有望將雷達主動安全技術應用到更多中低端汽車中。
圖2：AD8283大大縮小傳統(tǒng)雷達模擬前端電路
對于雷達系統(tǒng)設計人員和OEM廠商來說，AD8283具有三大優(yōu)勢。首先是尺寸，它實現(xiàn)了將許多分立器件在10mmx10mm的封裝中集成,這點非常重要，因為雷達傳感器模塊必須適合安裝在汽車中的狹小區(qū)域，例如減震器后方,這些區(qū)域并不是為了容納此類電子裝置而設計的；第二是易用性，AD8283為用戶提供用戶可編程的靈活設置（下文將詳述可編程功能），以便用戶能夠提高不同工作條件下的性能，更加輕松地進行系統(tǒng)開發(fā)，加速新系統(tǒng)的上市；第三是成本，這款產品的價位低于分立器件，與分立器件方案相比成本可以下降50%以上，因此OEM廠商將能在更多的型號上為更多的應用提供雷達系統(tǒng)，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(tǒng)可以接收更多數(shù)量的發(fā)射信號并進行解碼，以進行目標識別和分類。這使得定位時間更加充裕，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。該款新器件已經通過AEC-Q100認證，可在-40℃至105℃汽車應用溫度范圍內穩(wěn)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(tǒng)的分立解決方案來說，要讓所有這些器件組成的電路滿足雷達系統(tǒng)的關鍵性能指標要求具有非常大的挑戰(zhàn)，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現(xiàn)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于超低噪聲的LNA，可以有效降低對后續(xù)PGA、AAF電路的噪聲輸入。為實現(xiàn)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SPI端口進行編程選擇。輸出級的低值反饋電阻和電流驅動能力使得LNA在34dB的通道增益時能獲得低于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。差分信號實現(xiàn)了每個輸出端較小的信號擺幅，進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現(xiàn)了應用的極大靈活性，設計工程師可以通過SPI接口輕松實現(xiàn)放大器編程設置：可通過SPI端口以6dB步長在16dB至34dB范圍內進行增益編程；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應用來說非常關鍵，因為解決方案能夠根據(jù)距離的長短自動調整雷達傳感器的特性，例如必須防止系統(tǒng)過載，以及避免返回信號的幅度會非常高而必須予以衰減。
AD8283內部集成的抗混疊濾波器實現(xiàn)了信號進入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和零點濾波來實現(xiàn)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。芯片本身默認的-3dB低通濾波器的截止頻率是ADC采樣時鐘頻率的1/3或1/4，通過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閉狀態(tài)，以避免在關鍵時刻改變電容設置。該功能可以通過SPI接口開啟或關閉。在系統(tǒng)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(tǒng)空閑時可以間隙性執(zhí)行微調動作，以補償溫度漂移。
對于所有的傳感器應用來說，ADC技術都常關鍵。AD8283利用了ADI在該領域的業(yè)界領先技術，集成了12位、80MSPS（每秒百萬采樣）ADC，能充分滿足絕大部分汽車雷達的要求，信噪比(SNR)達67dB，無雜散動態(tài)范圍(SFDR)達68dB。在充分滿足應用要求條件下，AD8283內部僅集成了單個ADC電路，并在ADC前集成了一個復用器電路，從而避免了每個通道都采用一個獨立的ADC，從而有效地降低芯片的成本。在每次完成ADC采樣后，復用器自動在激活的通道間切換掃描，每個通道接通保持時間為一個時鐘周期，切換與ADC采樣同步，確保切換時間與通道建立時間不會與ADC采樣發(fā)生沖突。
基于AD8283的汽車雷達設計建議
AD8283的主要應用是高速斜坡頻率調制連續(xù)波雷達（HSR-FMCW），這也是當前汽車雷達廣泛應用的一種技術。圖3是簡化的FMCW雷達的系統(tǒng)框圖，基于AD8283的汽車雷達系統(tǒng)通常需要利用DSP、PLL等關鍵電路，ADI公司為此提供了關鍵的配套器件。
FMCW雷達系統(tǒng)要求非常高的射頻性能，而目前高度依賴壓控振蕩器（VCO）線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(zhàn)。ADI于去年推出業(yè)界領先的ADF4158 PLL器件為此提供了良好的選擇，ADF4158是一個特性豐富的6.1GHz可編程器件，只需經過簡單配置即可滿足各個FMCW雷達系統(tǒng)設計工程師的需求。
使用ADF4158實現(xiàn)的FMCW雷達系統(tǒng)具有完全獨立于VCO線性度的高度線性的斜坡特性，因而能提高雷達分辨率、降低成本以及與系統(tǒng)校準有關的復雜性。對于那些成本敏感的設計來說，ADF4158的成本優(yōu)勢同樣吸引人，基于可靠的BiCMOS工藝技術的ADF4158實現(xiàn)成本只有同類器件的三分之一。
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)界已經有廣泛的應用，ADI可以提供低價格的配套開發(fā)套件以及大量的應用程序代碼庫，可以大大降低系統(tǒng)設計成本加快產品面市。因此與高性價比的AD8283組合將能實現(xiàn)更具成本競爭優(yōu)勢的汽車雷達系統(tǒng)，將進一步幫助廠商將雷達主動安全技術在更廣泛的中低檔汽車中實現(xiàn)。
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：
隨著被動和主動安全系統(tǒng)開始與汽車中的其它電子系統(tǒng)融合，如通信和高級駕駛員輔助等，汽車正變得越來越自主、越來越智能。借助雷達檢測技術的應用，反應速度遠比駕駛員更快的電子系統(tǒng)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(tǒng)領域，采用雷達技術的系統(tǒng)變得越來越普遍，自適應巡航控制、盲點檢測、兩側來車警告等都是當今已經投入應用的系統(tǒng)，可以用來提醒或幫助駕駛員控制汽車。某些情況下，這些系統(tǒng)甚至能干預和控制汽車，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領域的領導者，可為實現(xiàn)這樣的系統(tǒng)提供領先的技術。當前廠商所面臨的挑戰(zhàn)在于，如何以最低的成本使產品具有最小的尺寸、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)界領先技術幫助汽車制造商以低成本、更小的尺寸和更短的開發(fā)時間克服了這些挑戰(zhàn)。
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