Conjunto de chips de transceptor de radar FMCW de 24 GHz integrado de alto rendimiento para aplicaciones de sensores automotrices e industriales

El ADF5904 es un MMIC de conversión descendente de receptor de 4 canales y 24 GHz altamente integrado con la mejor combinación de la industria de bajo nivel de ruido, alta linealidad y bajo consumo de energía. El convertidor descendente del receptor multicanal integrado ADF5904 logra una figura de ruido de 10 dB que es 3 dB mejor que los dispositivos de la competencia. Si bien utiliza un 50 % menos de energía, se ensambla en un paquete de plástico LFCSP pequeño y rentable de 5 mm × 5 mm. Cada uno de los cuatro canales de recepción en el chip del dispositivo utiliza una conexión simple de un solo extremo a cuatro antenas individuales, lo que simplifica el diseño de la línea de transmisión de RF y el diseño de PCB, y reduce el tamaño de la placa. El convertidor descendente del receptor amplifica y traduce simultáneamente cuatro señales de recepción de 24 GHz directamente para producir una señal de banda base de alta amplitud y alta calidad o una señal de frecuencia más baja que se conecta fácilmente a convertidores de analógico a digital de 4 canales ADI o terminales frontales analógicos (AFE). El ADF5904 también proporciona un sensor de temperatura integrado que elimina la necesidad de componentes de detección discretos que, de lo contrario, pueden requerir tiempo y recursos adicionales para calibrar durante el ensamblaje y la prueba del sistema.

El ADF5904 está diseñado para receptores multicanal, aplicaciones de alta frecuencia que utilizan formación de haz digital, como radar ADAS automotriz, sensores de radar de microondas y entornos de sistemas de radar industrial donde la eficiencia energética se está convirtiendo en una consideración de diseño a nivel de sistema más importante. El receptor ADF5904 de 24 GHz permite estas y otras aplicaciones de sensor al ofrecer la mejor sensibilidad de receptor de su clase mientras usa menos potencia general que las tecnologías RF IC de la competencia.

Características clave

• Cuatro canales de recepción, ganancia de canal del receptor: 22 dB
• Figura de ruido: 10 dB, P1dB: –10 dBm
• Consumo de energía: 0,5 mW (los cuatro canales encendidos)
• Rango de entrada LO: –8 dBm a +5 dBm
• Aislamiento de receptor a FI: 30 dB
• Ancho de banda de señal RF: 250 MHz
• Sensor de temperatura en chip con salida analógica: ±5°

Detalles técnicos

El ADF5904 es un receptor MMIC de 4 canales y 24 GHz en el que los cuatro canales de RF se reducen en frecuencia a señales de banda base diferencial, que luego pueden conducir directamente a un ADC multicanal especializado para digitalizar las señales entrantes del receptor analógico. Estas señales digitales se pueden interrogar utilizando transformadas rápidas de Fourier (FFT) y otros algoritmos de software de detección de radar sofisticados que se ejecutan en un microprocesador del sistema para permitir la detección de objetivos que aparecen frente al sistema de sensor de radar y permitir el cálculo de la velocidad del objetivo, la distancia y posición.

El ADF5904 reduce las señales del receptor utilizando la señal de entrada del oscilador local o la fuente LO que se genera en el IC complementario del transmisor, llamado ADF5901. Todas las entradas de RF del ADF5904 son entradas sencillas de terminación única y están conectadas internamente a los balunes integrados que se utilizan para convertir las señales del receptor en señales diferenciales, logrando una amplificación de mayor rendimiento y un procesamiento de conversión descendente. Las conexiones de interfaz de RF de extremo único facilitan considerablemente la tarea de diseño de PCB al diseñar las conexiones de puerto de RF del IC a las antenas de placa de circuito impreso (PCB) donde solo se requieren trazas de línea de PCB de 50 Ω sin la necesidad de componentes pasivos coincidentes externos, ahorrando una placa considerable espacio. Uno de los muchos aspectos técnicos destacados del ADF5904 es que logra un rendimiento de aislamiento de canal de receptor a receptor de clase mundial de 30 dB, incluso con este alto nivel de integración en un paquete de plástico de bajo costo. Se requiere un diseño de RF cuidadoso alrededor de los pines de entrada del receptor para mantener este excelente rendimiento de aislamiento de receptor a receptor de 30 dB.

Cada una de las cuatro rutas de señal del receptor contiene un amplificador de bajo ruido (LNA) seguido de un mezclador de bajo ruido y un amplificador de salida diferencial. Los cuatro canales comparten la señal LO generada por el chip ADF5901. La cadena del receptor en general tiene una ganancia fija de 22 dB con un P1dB de -10 dBm, y el diseño de bajo nivel de ruido produce una cifra de ruido de 10 dB para la cadena de la señal del receptor, al mismo tiempo que logra una cifra de consumo de energía muy baja de 550 mW incluso con los cuatro canales del receptor se encienden juntos y se alimentan de un solo suministro de 3,3 V. Con el ciclo de trabajo de encendido del sistema, el consumo general de energía se puede reducir aún más y los canales del receptor no utilizados se pueden apagar individualmente para permitir un mayor consumo de energía y ahorros de gestión térmica. El ADF5904 contiene un sensor de temperatura en el chip, que está conectado como un voltaje analógico al pin de prueba A y permite monitorear la temperatura del sistema. El ADF5904 ofrece un control simple sobre un SPI de 4 hilos con el pin DOUT que permite la lectura de los registros para verificar la operación de escritura correcta en los registros de control de chips.

ADF5901, 2 canales, MMIC de transmisión de 24 GHz

El ADF5901 es un transmisor MMIC de 24 GHz con VCO de 24 GHz en chip que abarca la banda ISM de 250 MHz de 24 GHz a 24,25 GHz conectado a dos transmisores PA que pueden entregar una potencia de salida de 8 dBm, una salida LO para controlar el receptor MMIC ADF5904, y salidas auxiliares diferenciales para permitir el control de bucle cerrado con el PLL de generación de rampa ADF4159. Cuando se combinan, el conjunto de chips completa una cadena de señales de RF para un sistema de radar ISM de 24 GHz.

El VCO en el chip que impulsa las salidas del transmisor de la pieza está calibrado en frecuencia y potencia para garantizar el funcionamiento dentro de la banda ISM y mantener los niveles óptimos de potencia del VCO para garantizar un rendimiento de ruido de fase superior de –108 dBc/Hz a 1 MHz de compensación. La parte también contiene circuitos de calibración de potencia de salida del transmisor para calibrar la potencia de salida del transmisor para garantizar que la potencia permanezca dentro de los límites de nivel de potencia permitidos. Los circuitos de calibración funcionan desde un reloj de referencia externo suministrado a la pieza en REF_EN alfiler; el mismo reloj de referencia se puede compartir con la entrada de referencia en el ADF4159 PLL.

Para adaptarse a la calibración de potencia, hay detectores de potencia en el chip en las salidas del transmisor para medir la potencia en los pines de salida del transmisor. Los detectores de potencia se utilizan como parte del motor de calibración para controlar la potencia de salida. La calibración de la potencia de salida es precisa sobre la temperatura y el suministro.

La calibración de frecuencia del VCO se realiza utilizando los contadores divisores R (referencia) y N (RF) en el chip, que se utilizan para comparar la señal de RF dividida con una señal de frecuencia conocida del reloj de referencia.

Este bloque contador N también se puede utilizar para alimentar la MU_AFUERA pin para permitir el funcionamiento del chip en sistemas discriminadores de frecuencia de bucle abierto. Esto requiere circuitos de monitoreo externos adicionales para medir la frecuencia VCO dividida y un convertidor DAC para ajustar el V_MELODÍA pin de la pieza para asegurarse de que está funcionando dentro de la banda ISM. Además, las variaciones de temperatura deben tenerse en cuenta al utilizar este método de circuito abierto para garantizar que la frecuencia no se desvíe fuera de la banda ISM. Todo ello requerirá la intervención del DSP para realizar la calibración. El sistema de circuito cerrado que utiliza el ADF4159 elimina esta carga de trabajo adicional del DSP porque el PLL de circuito cerrado garantiza que la frecuencia sea correcta y no tenga efectos de variación de temperatura o tensión de alimentación, lo que hace que este dispositivo sea más robusto y fácil de usar.

Las dos salidas del transmisor en el ADF5901 se controlan individualmente para permitir la operación de antena virtual y MIMO del sensor de radar.

Las salidas del transmisor y LO en el ADF5901 son salidas de un solo extremo para facilitar la interfaz de RF a la pieza y reducir la tarea de diseño de PCB con solo 50 Ω de trazas de PCB requeridas.

La salida LO del ADF5901 proporciona una potencia de salida fija, que se utiliza para impulsar la entrada LO del chip receptor ADF5904. El nivel de potencia es suficiente para permitirle controlar múltiples partes del receptor ADF5904 con la necesidad de componentes externos para permitir sistemas escalables con un mayor número de canales de receptor.

Las salidas auxiliares diferenciales permiten dividir por dos o dividir por cuatro salidas de la frecuencia fundamental del VCO. Por lo tanto, hay disponibles salidas de 12 GHz o 6 GHz, lo que permite utilizar los PLL de generación de rampa ADF4158 o ADF4159 en la ruta de retroalimentación para bloquear el VCO ADF5901 y generar las rampas de modulación FMCW altamente lineales requeridas.

Además, el ADF5901 contiene un sensor de temperatura en el chip que permite una salida analógica en el pin ATEST. Alternativamente, la señal del sensor se puede digitalizar utilizando un ADC de 8 bits en el chip, con la lectura de la palabra digital resultante en el D_AFUERA pin digital El d_AFUERA pin también se puede usar para leer los registros para verificar la operación de escritura correcta en los registros de control del chip. Cuando la pieza está apagada, un solo suministro de 3,3 V extrae 700 mW al 100 % del ciclo de trabajo, con ciclo de trabajo en el sistema, lo que reduce el consumo general de energía.

ADF4159: PLL de generación de rampa FMCW N fraccional de 13 GHz

El ADF4159 PLL ofrece el mejor rendimiento de ruido de fase de su clase (FOM de ruido de fase normalizado de -224 dBc/Hz) con esquemas de modulación de rampa flexibles para operación FMCW. Con una frecuencia máxima de PFD de 110 MHz, la parte admite conceptos de rampa lenta (1 ms a 10 ms) y rampa rápida (20 ms a 1 ms). Con una frecuencia máxima de entrada de RF de 13 GHz, el ADF4159 permite una fácil interfaz con las salidas auxiliares IC ADF5901 del transmisor para completar una generación de FMCW de circuito cerrado. El motor de generación de rampa flexible ADF4159 admite varios perfiles de rampa triangulares y de diente de sierra con desviaciones de frecuencia y tiempo flexibles. También es compatible con perfiles de rampa rápidos que minimizan el disparo por encima o por debajo en el período de retroceso de la rampa que maximiza la frecuencia de barrido del ancho de banda de RF, lo que permite una resolución de rango fino en un sistema de radar. No se requieren componentes pasivos externos para la interfaz entre el ADF5901 y el ADF5904, lo que elimina la necesidad de costosos condensadores de alta frecuencia. En las señales auxiliares entre ADF5901 y ADF4159 no se necesita condensador de acoplamiento. Los tres circuitos integrados ofrecen un excelente rendimiento de ESD y están completamente calificados según el estándar AEC-Q100 para garantizar un diseño de sensor aún más robusto.

Beneficios del sistema de radar

Las especificaciones combinadas de alto rendimiento que ofrece el conjunto de chips, como se ve en la Figura 3, son importantes cuando se usa para construir un actuador de sensor de radar donde cada dB en la sensibilidad mejorada del receptor y el rango de detección son importantes. Muchos sistemas de radar basados ​​en circuitos integrados tienen un transmisor (ruido de fase) y un receptor limitados por el ruido, lo que da como resultado relaciones señal-ruido (SNR) generales del receptor limitadas. Esto generalmente da como resultado una limitación del sistema de radar para detectar objetos u objetivos más pequeños en presencia o cerca de objetos más grandes. En las aplicaciones prácticas de radar, existen escenarios de blanco ocupado o desordenado, incluido el desorden en el suelo, que aumentan acumulativamente el ruido de fase del sistema y pueden desensibilizar el receptor del radar.

El ruido del sistema más alto enmascara u oculta objetivos pequeños y evita la detección, lo que potencialmente puede causar un problema de seguridad del sensor. Por ejemplo, si se usa en una aplicación de detección automotriz, donde se requiere una mejor detección de objetivos pequeños en presencia de objetivos grandes (como un niño o un poste pequeño) en presencia de un objetivo muy grande, como una pared reflectante o un vehículo estacionado oscureciendo a un niño.

La combinación de rendimiento y potencia que ofrece la excelente figura de bajo ruido del ADF5904 (3 dB mejor que la competencia) junto con los circuitos integrados complementarios, los chips del transmisor ADF5901 y el PLL ADF4159, el ruido de fase de alto rendimiento, la potencia de salida y la capacidad de rampa de alta velocidad, este dispositivo ofrece un rendimiento de piso de ruido más bajo para el sensor. Se puede lograr una mayor SNR del sistema receptor y ofrece una detección más fiable y confiable con una estimación de parámetros resultante más rápida. El alto rendimiento del conjunto de chips integrado brinda al diseñador del sistema de radar una mejora de al menos 2 veces en la sensibilidad y hasta 1,5 veces mejor rango de detección con un consumo de energía general mucho más bajo, lo que resulta en un rendimiento más sólido y consistente de un sensor de tamaño pequeño que es fácil de usar. diseño.