全面改变汽车雷达设计的模拟前端电路AD8283剖析

在美国，交通事故死亡率近年来呈持续下降态势，2010年比2009年降低3%，达到1949年以来的新低。事故死亡率的降低，美国交通部门的分析认为是得益于汽车安全技术的广泛应用，特别是近年来逐渐兴起的主动安全技术，例如汽车前端防碰撞预警系统、变道辅助系统等，而这也是当今汽车安全的发展方向。

  

     上述的主动安全应用中，雷达技术成为关键要素。近年来，汽车雷达技术持续成为技术媒体们关注的热门电子技术，尽管该项技术在汽车中的应用至少可以追溯到十几年前，但直到今天雷达技术无论从应用广度还是从应用深度来讲，依然十分有限，依然还是一些中高端汽车的“专利”，并更多地停留在停车辅助应用上。事实上，雷达技术在汽车安全应用上大有可为：包括车道变换辅助、侧面防碰撞检测、自适应巡航控制、司机盲点检测、刹车辅助/防撞缓冲系统、路口交通警报，等等。

  



  

图1：雷达技术在汽车主动安全中有广泛应用

  

全面改变雷达设计的模拟前端电路

  

     然而，当前的大多数汽车雷达系统集成度都比较低，占用了较大的空间，而且成本高昂，从而将可为更多司乘人员带来重要安全保障的雷达技术局限在高端汽车中。ADI公司推出的AD8283将汽车雷达接收器模拟前端（AFE）集成到一块小小的芯片中，大大提高了集成度，降低了汽车雷达的尺寸和成本。低成本、高性能的AD8283有望将雷达主动安全技术应用到更多中低端汽车中。



  

图2：AD8283大大缩小传统雷达模拟前端电路

  

     对于雷达系统设计人员和OEM厂商来说，AD8283具有三大优势。首先是尺寸，它实现了将许多分立器件在10mmx10mm的封装中集成,这点非常重要，因为雷达传感器模块必须适合安装在汽车中的狭小区域，例如减震器后方,这些区域并不是为了容纳此类电子装置而设计的；第二是易用性，AD8283为用户提供用户可编程的灵活设置（下文将详述可编程功能），以便用户能够提高不同工作条件下的性能，更加轻松地进行系统开发，加速新系统的上市；第三是成本，这款产品的价位低于分立器件，与分立器件方案相比成本可以下降50%以上，因此OEM厂商将能在更多的型号上为更多的应用提供雷达系统，这将给更多的驾驶员带更安全的驾驶体验。

  

     六通道AD8283让雷达系统可以接收更多数量的发射信号并进行解码，以进行目标识别和分类。这使得定位时间更加充裕，从而改善雷达解析目标近似尺寸的能力。该新款模拟前端芯片还具有低功耗的优势，每通道功耗仅为170mW。该款新器件已经通过AEC-Q100认证，可在-40℃至105℃汽车应用温度范围内稳定工作。

  

信号链路解析

  

     AD8283内部集成了低噪声放大器（LNA）、可编程增益放大器（PGA）、抗混叠滤波器（AAF）、ADC，对于传统的分立解决方案来说，要让所有这些器件组成的电路满足雷达系统的关键性能指标要求具有非常大的挑战，但该芯片的单芯片集成的优势化解了这些一直让工程师头疼的问题。这些性能指标包括LNA噪声、PGA增益范围、AAF截止特性以及ADC采样率和分辨率。下面将详细剖析AD8283内部电路结构以及如何实现这些性能要求。



     LNA位于信号通路的前端，因此良好的噪声性能依赖于超低噪声的LNA，可以有效降低对后续PGA、AAF电路的噪声输入。为实现良好的输入阻抗匹配，AD8283提供了200Ω或200kΩ的可选输入阻抗，设计工程师可以通过SPI端口进行编程选择。输出级的低值反馈电阻和电流驱动能力使得LNA在34dB的通道增益时能获得低于3.5nV/√Hz的输出基准噪声。由于使用了完全差分的拓扑结构和负反馈使二阶失真最小。差分信号实现了每个输出端较小的信号摆幅，进一步降低了三阶失真。为获得最佳的噪声性能，建议注意匹配正负输入端的阻抗，这样可以有效抑制共模噪声。

  

     AD8283内部集成的可编程放大器实现了应用的极大灵活性，设计工程师可以通过SPI接口轻松实现放大器编程设置：可通过SPI端口以6dB步长在16dB至34dB范围内进行增益编程；在最大增益下，折合到输入端的电压噪声小于3.5nV/rtHz。AD8283灵活的放大器设置对于汽车应用来说非常关键，因为解决方案能够根据距离的长短自动调整雷达传感器的特性，例如必须防止系统过载，以及避免返回信号的幅度会非常高而必须予以衰减。

  

     AD8283内部集成的抗混叠滤波器实现了信号进入ADC之前的带阻滤波，从而避免信号混叠。该滤波器组合利用了极点和零点滤波来实现三阶椭圆滤波器，使截止频率之外的信号可以快速滚降。该滤波器利用了片上微调功能来修正电容值从而设定期望的截止频率。这种微调方法降低了因为电阻和电容的标准IC工艺公差导致的截止频率变动。芯片本身默认的-3dB低通滤波器的截止频率是ADC采样时钟频率的1/3或1/4，通过SPI接口可以调整为该频率的0.8、0.9、1、1.1、1.2或1.3倍。通常微调功能是处于关闭状态，以避免在关键时刻改变电容设置。该功能可以通过SPI接口开启或关闭。在系统上电以及重新编程设定滤波器截止频率或者ADC采样率后，必须完成对滤波器的微调初始化。建议在系统空闲时可以间隙性执行微调动作，以补偿温度漂移。

  

     对于所有的传感器应用来说，ADC技术都常关键。AD8283利用了ADI在该领域的业界领先技术，集成了12位、80MSPS（每秒百万采样）ADC，能充分满足绝大部分汽车雷达的要求，信噪比(SNR)达67dB，无杂散动态范围(SFDR)达68dB。在充分满足应用要求条件下，AD8283内部仅集成了单个ADC电路，并在ADC前集成了一个复用器电路，从而避免了每个通道都采用一个独立的ADC，从而有效地降低芯片的成本。在每次完成ADC采样后，复用器自动在激活的通道间切换扫描，每个通道接通保持时间为一个时钟周期，切换与ADC采样同步，确保切换时间与通道建立时间不会与ADC采样发生冲突。

  

基于AD8283的汽车雷达设计建议

  

     AD8283的主要应用是高速斜坡频率调制连续波雷达（HSR-FMCW），这也是当前汽车雷达广泛应用的一种技术。图3是简化的FMCW雷达的系统框图，基于AD8283的汽车雷达系统通常需要利用DSP、PLL等关键电路，ADI公司为此提供了关键的配套器件。

  

     FMCW雷达系统要求非常高的射频性能，而目前高度依赖压控振荡器（VCO）线性度的方法非常复杂，缺少灵活性，而且成本高，因此存在很多设计挑战。ADI于去年推出业界领先的ADF4158 PLL器件为此提供了良好的选择，ADF4158是一个特性丰富的6.1GHz可编程器件，只需经过简单配置即可满足各个FMCW雷达系统设计工程师的需求。

  

     使用ADF4158实现的FMCW雷达系统具有完全独立于VCO线性度的高度线性的斜坡特性，因而能提高雷达分辨率、降低成本以及与系统校准有关的复杂性。对于那些成本敏感的设计来说，ADF4158的成本优势同样吸引人，基于可靠的BiCMOS工艺技术的ADF4158实现成本只有同类器件的三分之一。

  

     同样，对于DSP配套选择，设计工程师可以选择ADI非常成熟、低成本的ADSP BF531，该处理器在业界已经有广泛的应用，ADI可以提供低价格的配套开发套件以及大量的应用程序代码库，可以大大降低系统设计成本加快产品面市。因此与高性价比的AD8283组合将能实现更具成本竞争优势的汽车雷达系统，将进一步帮助厂商将雷达主动安全技术在更广泛的中低档汽车中实现。

  

  



图4：除了AD8283，ADI还提供了兼具成本和性能优势的PLL和DSP器件

  

本文小结：

  

     随着被动和主动安全系统开始与汽车中的其它电子系统融合，如通信和高级驾驶员辅助等，汽车正变得越来越自主、越来越智能。借助雷达检测技术的应用，反应速度远比驾驶员更快的电子系统将能接管控制权，降低事故的发生频率和严重程度。在高级驾驶员辅助系统领域，采用雷达技术的系统变得越来越普遍，自适应巡航控制、盲点检测、两侧来车警告等都是当今已经投入应用的系统，可以用来提醒或帮助驾驶员控制汽车。某些情况下，这些系统甚至能干预和控制汽车，避免危险情况的发生。

  

     ADI公司作为MEMS、RF、放大器、转换器和DSP领域的领导者，可为实现这样的系统提供领先的技术。当前厂商所面临的挑战在于，如何以最低的成本使产品具有最小的尺寸、最高的可靠性、可在更高和更低温度工作条件下的鲁棒性及易于配置等特性，ADI公司推出的AD8283以及ADF4158等业界领先技术帮助汽车制造商以低成本、更小的尺寸和更短的开发时间克服了这些挑战。