全面改變汽車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)的模擬前端電路AD8283剖析

在美國(guó)，交通事故死亡率近年來(lái)呈持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，2010年比2009年降低3%，達(dá)到1949年以來(lái)的新低。事故死亡率的降低，美國(guó)交通部門的分析認(rèn)為是得益于汽車安全技術(shù)的廣泛應(yīng)用，特別是近年來(lái)逐漸興起的主動(dòng)安全技術(shù)，例如汽車前端防碰撞預(yù)警系統(tǒng)、變道輔助系統(tǒng)等，而這也是當(dāng)今汽車安全的發(fā)展方向。

上述的主動(dòng)安全應(yīng)用中，雷達(dá)技術(shù)成為關(guān)鍵要素。近年來(lái)，汽車?yán)走_(dá)技術(shù)持續(xù)成為技術(shù)媒體們關(guān)注的熱門電子技術(shù)，盡管該項(xiàng)技術(shù)在汽車中的應(yīng)用至少可以追溯到十幾年前，但直到今天雷達(dá)技術(shù)無(wú)論從應(yīng)用廣度還是從應(yīng)用深度來(lái)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(yīng)用上。事實(shí)上，雷達(dá)技術(shù)在汽車安全應(yīng)用上大有可為：包括車道變換輔助、側(cè)面防碰撞檢測(cè)、自適應(yīng)巡航控制、司機(jī)盲點(diǎn)檢測(cè)、剎車輔助/防撞緩沖系統(tǒng)、路口交通警報(bào)，等等。

圖1：雷達(dá)技術(shù)在汽車主動(dòng)安全中有廣泛應(yīng)用

全面改變雷達(dá)設(shè)計(jì)的模擬前端電路

然而，當(dāng)前的大多數(shù)汽車?yán)走_(dá)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(lái)重要安全保障的雷達(dá)技術(shù)局限在高端汽車中。ADI公司推出的AD8283將汽車?yán)走_(dá)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?yán)走_(dá)的尺寸和成本。低成本、高性能的AD8283有望將雷達(dá)主動(dòng)安全技術(shù)應(yīng)用到更多中低端汽車中。

圖2：AD8283大大縮小傳統(tǒng)雷達(dá)模擬前端電路

對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和OEM廠商來(lái)說(shuō)，AD8283具有三大優(yōu)勢(shì)。首先是尺寸，它實(shí)現(xiàn)了將許多分立器件在10mmx10mm的封裝中集成,這點(diǎn)非常重要，因?yàn)槔走_(dá)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(shè)計(jì)的；第二是易用性，AD8283為用戶提供用戶可編程的靈活設(shè)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(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，加速新系統(tǒng)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廠商將能在更多的型號(hào)上為更多的應(yīng)用提供雷達(dá)系統(tǒng)，這將給更多的駕駛員帶更安全的駕駛體驗(yàn)。

六通道AD8283讓雷達(dá)系統(tǒng)可以接收更多數(shù)量的發(fā)射信號(hào)并進(jìn)行解碼，以進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和分類。這使得定位時(shí)間更加充裕，從而改善雷達(dá)解析目標(biāo)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(shì)，每通道功耗僅為170mW。該款新器件已經(jīng)通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證，可在-40℃至105℃汽車應(yīng)用溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

信號(hào)鏈路解析

AD8283內(nèi)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(duì)于傳統(tǒng)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足雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)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(shì)化解了這些一直讓工程師頭疼的問(wèn)題。這些性能指標(biāo)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(xì)剖析AD8283內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)以及如何實(shí)現(xiàn)這些性能要求。

LNA位于信號(hào)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(duì)后續(xù)PGA、AAF電路的噪聲輸入。為實(shí)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(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)SPI端口進(jìn)行編程選擇。輸出級(jí)的低值反饋電阻和電流驅(qū)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(zhǔn)噪聲。由于使用了完全差分的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和負(fù)反饋使二階失真最小。差分信號(hào)實(shí)現(xiàn)了每個(gè)輸出端較小的信號(hào)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(fù)輸入端的阻抗，這樣可以有效抑制共模噪聲。

AD8283內(nèi)部集成的可編程放大器實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用的極大靈活性，設(shè)計(jì)工程師可以通過(guò)SPI接口輕松實(shí)現(xiàn)放大器編程設(shè)置：可通過(guò)SPI端口以6dB步長(zhǎng)在16dB至34dB范圍內(nèi)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(shè)置對(duì)于汽車應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵，因?yàn)榻鉀Q方案能夠根據(jù)距離的長(zhǎng)短自動(dòng)調(diào)整雷達(dá)傳感器的特性，例如必須防止系統(tǒng)過(guò)載，以及避免返回信號(hào)的幅度會(huì)非常高而必須予以衰減。

AD8283內(nèi)部集成的抗混疊濾波器實(shí)現(xiàn)了信號(hào)進(jìn)入ADC之前的帶阻濾波，從而避免信號(hào)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(xiàn)三階橢圓濾波器，使截止頻率之外的信號(hào)可以快速滾降。該濾波器利用了片上微調(diào)功能來(lái)修正電容值從而設(shè)定期望的截止頻率。這種微調(diào)方法降低了因?yàn)殡娮韬碗娙莸臉?biāo)準(zhǔn)IC工藝公差導(dǎo)致的截止頻率變動(dòng)。芯片本身默認(rèn)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(diào)整為該頻率的0.8、0.9、1、1.1、1.2或1.3倍。通常微調(diào)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(shè)置。該功能可以通過(guò)SPI接口開(kāi)啟或關(guān)閉。在系統(tǒng)上電以及重新編程設(shè)定濾波器截止頻率或者ADC采樣率后，必須完成對(duì)濾波器的微調(diào)初始化。建議在系統(tǒng)空閑時(shí)可以間隙性執(zhí)行微調(diào)動(dòng)作，以補(bǔ)償溫度漂移。

對(duì)于所有的傳感器應(yīng)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，能充分滿足絕大部分汽車?yán)走_(dá)的要求，信噪比(SNR)達(dá)67dB，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)達(dá)68dB。在充分滿足應(yīng)用要求條件下，AD8283內(nèi)部?jī)H集成了單個(gè)ADC電路，并在ADC前集成了一個(gè)復(fù)用器電路，從而避免了每個(gè)通道都采用一個(gè)獨(dú)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(fù)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AD8283的汽車?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)建議

AD8283的主要應(yīng)用是高速斜坡頻率調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)（HSR-FMCW），這也是當(dāng)前汽車?yán)走_(dá)廣泛應(yīng)用的一種技術(shù)。圖3是簡(jiǎn)化的FMCW雷達(dá)的系統(tǒng)框圖，基于AD8283的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)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(dá)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(fù)雜，缺少靈活性，而且成本高，因此存在很多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。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)單配置即可滿足各個(gè)FMCW雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師的需求。

使用ADF4158實(shí)現(xiàn)的FMCW雷達(dá)系統(tǒng)具有完全獨(dú)立于VCO線性度的高度線性的斜坡特性，因而能提高雷達(dá)分辨率、降低成本以及與系統(tǒng)校準(zhǔn)有關(guān)的復(fù)雜性。對(duì)于那些成本敏感的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，ADF4158的成本優(yōu)勢(shì)同樣吸引人，基于可靠的BiCMOS工藝技術(shù)的ADF4158實(shí)現(xiàn)成本只有同類器件的三分之一。

同樣，對(duì)于DSP配套選擇，設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)用程序代碼庫(kù)，可以大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本加快產(chǎn)品面市。因此與高性價(jià)比的AD8283組合將能實(shí)現(xiàn)更具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)，將進(jìn)一步幫助廠商將雷達(dá)主動(dòng)安全技術(shù)在更廣泛的中低檔汽車中實(shí)現(xiàn)。

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

本文小結(jié)：

隨著被動(dòng)和主動(dòng)安全系統(tǒng)開(kāi)始與汽車中的其它電子系統(tǒng)融合，如通信和高級(jí)駕駛員輔助等，汽車正變得越來(lái)越自主、越來(lái)越智能。借助雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，反應(yīng)速度遠(yuǎn)比駕駛員更快的電子系統(tǒng)將能接管控制權(quán)，降低事故的發(fā)生頻率和嚴(yán)重程度。在高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)領(lǐng)域，采用雷達(dá)技術(shù)的系統(tǒng)變得越來(lái)越普遍，自適應(yīng)巡航控制、盲點(diǎn)檢測(cè)、兩側(cè)來(lái)車警告等都是當(dāng)今已經(jīng)投入應(yīng)用的系統(tǒng)，可以用來(lái)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(yù)和控制汽車，避免危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

ADI公司作為MEMS、RF、放大器、轉(zhuǎn)換器和DSP領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，可為實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)提供領(lǐng)先的技術(shù)。當(dāng)前廠商所面臨的挑戰(zhàn)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(zhàn)。