자동차 및 산업용 센서 애플리케이션 위한 고성능 집적 24 GHz FMCW 레이더 트랜시버 칩셋
  • 2016-06-30
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글|존 모리세이(John Morrissey) & 패트릭 월시(Patrick Walsh), 아나로그디바이스


ADF5904 - 4채널,24 GHz 수신기 다운컨버터 MMIC

ADF5904는 업계 최고 수준의 저잡음 성능, 높은 선형성 및 낮은 전력 소모의 조합을 갖춘 고도로 집적된 4채널 24 GHz 수신기 다운컨버터 MMIC(monolithic microwave integrated circuit, 모놀리식 마이크로파 집적 회로)다. 집적된 다중채널 수신기 다운컨버터 ADF5904는 경쟁제품 대비 3 dB가 뛰어난 10 dB의 잡음 지수(noise figure)를 달성한다.

이 다운컨버터는 전력 소비 50 %를 절감하면서도 작고 비용효율적인 5 mm × 5 mm 크기의 LFCSP 플라스틱 패키지에서 조립이 이뤄진다. 부품 내부의 4개로 구성된 온칩(on-chip) 수신 채널은 각각 간단한 싱글 엔드(single-ended) 연결을 사용해 4개의 개별 안테나에 연결한다. 이렇게 하면 RF 전송선로(transmission line) 설계와 PCB 레이아웃이 간소화되고 보드 크기가 줄어든다.

이때 수신기 다운컨버터는 4개의 24 GHz 수신 신호를 동시에 직접 증폭 및 변환 처리해 ADI의 4채널 ADC 혹은 아날로그 프론트 엔드(analog front ends, AFE)에 쉽게 연결할 수 있는 고품질의 고진폭 베이스밴드(baseband) 혹은 보다 저주파의 신호를 생성한다. 아울러 ADF5904는 개별 센싱 소자가 필요 없는 통합 온도 센서를 제공하므로 시스템을 조립하고 테스트할 때 보정에 소요되는 불필요한 추가 시간 및 리소스(resources)를 아낄 수 있다.

ADF5904는 다중 채널 수신기 및 고주파 애플리케이션용으로 설계되며, 이러한 디지털 빔 포밍(beam forming)을 사용하는 애플리케이션으로는 오토모티브 ADAS 레이더, 마이크로파 레이더 센서, 산업 레이더 시스템 환경이 있다. 이 애플리케이션의 경우, 에너지 효율이 시스템 수준의 설계 고려사항에서 특히 중요한 요소다. ADF5904 24 GHz 수신기는 경쟁 RF 기술 대비 전체적인 전력 소비는 줄이면서도 동급 최고 수준의 수신 감도를 제공해 다양한 센서 애플리케이션을 가능케 한다.

주요 사양
· 4개의 수신 채널, 수신기 채널 이득: 22 dB
· 잡음 지수: 10 dB, P1dB: -10 dBm
· 전력 소비: 0.5 mW(4채널 전체에 전원이 공급될 때)
· LO 입력 범위: -8 dBm ~ +5 dBm
· 수신기-IF 격리도: 30 dB
· RF 신호 대역폭: 250 MHz
· 아날로그 출력을 갖춘 온칩(on-chip) 온도 센서: ±5 °C


세부 기술 정보

ADF5904는 4채널, 24 GHz 수신기 MMIC로 여기에서 4개의 RF 채널 신호가 차동 기저대역으로 주파수 하향변환되며, 이후 수신되는 아날로그 수신기 신호를 디지털화해 특수 다중채널 ADC를 직접 구동할 수 있다. 이 디지털 신호들은 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, FFT) 및 시스템 마이크로프로세서 상에서 작동하는 다른 정교한 레이더 탐지 소프트웨어 알고리즘을 사용해 정보를 얻게 되어 레이더 센서 시스템 앞에 나타난 타깃들을 탐지하고 타깃의 속도, 거리 및 위치를 계산할 수 있게 한다.

ADF5904는 국부 오실레이터(local oscillator, LO) 입력 신호 혹은 ADF5901로 알려진 송신기 컴패니언(transmitter companion) IC 상에서 생성되는 LO 소스를 사용해 수신기 신호를 하향변환한다. ADF5904 상의 모든 RF 입력은 간단한 싱글 엔드(single-ended) 입력이며, 이 때 모든 입력들은 수신기 신호를 더 높은 성능의 증폭과 하향변환 처리(downconversion processing)를 달성하는 차동 신호(differential signal)로 변환하는데 사용되는 통합 발룬(balun)에 내부적으로 연결된다.

이 싱글 엔드 RF 인터페이스 연결은 외부 매칭 수동 소자를 필요로 하지 않고 50 Ω PCB line만 요구되어 PCB(printed circuit board) 안테나에 연결되는 IC의 RF 포트 연결 설계 시 PCB 설계 과제를 상당히 용이하게 해주고, 상당한 보드 공간을 절약해준다. ADF5904의 수많은 기술적 주요 특징 중 하나는 저가의 플라스틱 패키지 기판에서 이렇게 높은 집적 수준에서조차 30 dB에 달하는 세계적인 수준의 Rx-Rx(수신기 대 수신기) 채널 격리 성능을 달성한다는 것이다. 이 우수한 30 dB의 Rx-Rx(수신기 대 수신기) 격리 성능을 유지하기 위해서는 수신기 입력 핀 주위의 정교한 RF 레이아웃이 요구된다.

4개의 수신기 신호 경로는 각각 저잡음 증폭기(low noise amplifier; LNA)를 포함하고, 이어서 저잡음 믹서 및 차동 출력 증폭기를 포함한다. 이 4개의 채널은 ADF5901 칩으로부터 생성되는 LO 신호를 공유한다. 전체 수신기 체인은 -10 dBm의 P1dB와 더불어 22 dB의 고정 이득을 가지며 저잡음 설계를 통해 수신기 신호 체인에 10 dB의 잡음 지수를 산출한다. 이때 단일 3.3 V 전원 공급을 통해 4개 수신기 채널 전체가 동시에 구동되면서도 550 mW의 낮은 전력 소비 지수를 달성한다.

시스템의 파워-온 듀티 사이클(power-on duty cycle)을 통해 전체 소비 전력을 더 절감할 수 있으며 사용되지 않는 수신기 채널들은 개별적으로 전원이 차단되도록(powered down) 해 소비 전력 및 열 관리를 훨씬 더 절약할 수 있다. ADF5904는 온칩(on-chip) 온도 센서를 포함하는데 이는 ATEST 핀에 아날로그 전압으로 연결되어 시스템 온도 모니터링이 가능해진다. ADF5904는 DOUT 핀을 포함한 4선 SPI(4-wire SPI)의 간단한 제어를 제공하고, 칩 제어 레지스터에 대한 올바른 기록 동작을 확인하는 레지스터의 리드백(readback)을 허용한다.


ADF5901-2채널 24 GHz 송신 MMIC

ADF5901은 24 GHz부터 24.25 GHz까지 250 MHz ISM 대역에 걸친 온칩(on-chip) 24 GHz VCO를 갖춘 24 GHz 송신기 MMIC다. 이는 8 dBm의 출력 전력을 전달할 수 있는 두 개의 송신기 PA, 수신기 MMIC인 ADF5904를 구동하기 위한 LO 출력, 그리고 차동 보조 출력에 연결되어 ADF4159의 램프 발생기(ramp generator) PLL과 함께 폐루프 제어를 허용한다. 이 모두를 통합하면, 이 칩셋(chipset)은 24 GHz ISM 레이더 시스템용 RF 신호 체인을 완성시킨다.

해당 부품의 송신기 출력을 구동하는 이 온칩 VCO는 주파수 및 전력 보정을 통해 ISM 대역 내 가동을 보장하고 1 MHz 오프셋(offset) 상에서 -108 dBc/Hz의 우월한 위상 잡음(phase noise) 성능을 보장하는 적정 전력수준을 유지한다. 이 부품은 또한 전력이 허용된 전력 수준 한도 내에 머물도록 보장하기 위해 송신기 출력 전력을 보정하는 송신기 출력 전력 보정회로를 포함한다.

이 보정 회로는 REFIN 핀 상의 부품으로 공급된 외부 레퍼런스 클럭(external reference clock)을 통해 작동하며, 이와 동일한 레퍼런스 클럭은 ADF4159 PLL 상의 레퍼런스 입력과도 공유될 수 있다.

전력 보정을 수용하기 위해 송신기 출력 상에 온칩 전력 탐지기(power detector)를 배치해 송신기 출럭 핀에서 전력을 측정한다. 이 전력 탐지기는 보정 엔진의 일부로 사용되며 출력 전력을 제어한다. 이때 출력 전력 보정은 온도 및 전원에 대해 정확하다.

VCO 주파수 보정은 온칩 R(Reference) 및 분할된 RF 신호를 레퍼런스 클럭으로부터 나온 알려진 주파수 신호와 비교하기 위해 사용되는 N(RF) 분주 카운터(divider counter)를 사용해 이뤄진다.

또한 이 N 카운터 블록은 개루프 주파수 판별 시스템(open-loop frequency discriminator system)에서 칩의 동작이 가능하도록 MUOUT 핀에 신호를 공급하는데 사용될 수도 있다. 그리고 나면 이는 분할된 VCO 주파수를 측정하기 위한 추가 외부 모니터링 회로 및 ISM 대역 내에서 작동을 보장하는 부품의 VTUNE 핀을 조정하기 위해 DAC 컨버터를 필요로 한다. 또한 이런 개루프 방식 사용 시 주파수가 ISM 대역 밖으로 벗어나지 않도록 온도 변화가 반드시 고려되어야만 한다.

이 전부가 보정을 수행하기 위해 DSP의 개입을 필요로 한다. 반면, ADF4159를 사용하는 폐루프 시스템은 이런 추가 DSP 작업의 필요를 없애주는데 이는 폐루프 PLL이 주파수의 정확성을 보장하고 온도 및 공급 전압 변화로 인한 영향을 받지 않기 때문이다. 따라서 이런 기기는 더 견고하며 쉽게 사용 가능하다.

ADF5901 상의 두 송신기 출력은 개별적으로 제어되어 가상 안테나 및 레이더 센서의 MIMO 동작을 가능하게 한다.
ADF5901 상의 송신기 및 LO 출력은 싱글 엔드 출력으로 부품에 RF 인터페이스를 용이하게 하고, 50 Ω PCB line만을 요구하는 PCB 설계 과제를 줄여준다.

ADF5901 상의 LO 출력은 고정 출력 전력을 제공하며 이는 ADF5904 수신기 칩 상의 LO 입력을 구동하는데 사용된다. 이 전력 수준은 더 많은 수신기 채널 수를 가진 확장 가능한 시스템을 구동할 수 있는 외부 소자를 필요로 하는 여러 ADF5904 수신기 부품을 구동시키기에 충분하다.

차동 보조 출력(differential auxiliary output)은 기본 VCO 주파수로부터 둘 혹은 넷으로 나누어진 출력을 허용한다. 따라서 12 GHz 혹은 6 GHz 출력이 사용가능하며 이를 통해 ADF4158 혹은 ADF4159 램프 발생기 PLL이 피드백 경로에서 사용돼 ADF5901 VCO를 고정(lock)시키고 모듈레이션 램프가 요구되는 높은 선형성의 FMCW를 생성할 수 있다.

아울러 ADF5901은 ATEST 핀 상의 아날로그 출력을 허용하는 온칩 온도 센서를 포함한다. 교대로 센서 신호는 온칩 8비트 ADC를 사용해 디지털화할 수도 있으며 그 결과로 나오는 디지털 워드(word) 리드백(readback)은 DOUT 디지털 핀 상에 나타난다. 이 DOUT 핀은 칩의 제어 레지스터에 올바른 기록 동작(write operation)을 확인하기 위해 레지스터를 리드백(readback)하는데 사용가능하다. 부품의 전원이 꺼졌을 때, 단일 3.3 V 전원은 100 % 듀티 사이클(duty cycle)에서 700 mW를 인출(withdraw)해 전체 전력 소비를 절감시켜준다.


ADF4159-13 GHz 분수분주형(Fractional-N) FMCW 램프 발생기 PLL

ADF4159 PLL은 FMCW 동작을 위한 유연한 램프 변조 방식(modulation scheme)과 함께 동급 최고의 위상 잡음 성능(-224 dBc/Hz의 표준화 위상 잡음 FOM)을 제공한다. 이 부품은 최대 110 MHz의 PFD 주파수로 1~10 ms의 저속 램프 및 20~1 ms의 고속 램프 콘셉트를 모두 지원한다. ADF4159는 13 GHz의 최대 RF 입력 주파수를 통해 송신기 집적 회로(IC) ADF5901의 보조 출력에 대한 쉬운 인터페이스를 가능하게 해 폐루프(closed-loop) FMCW 발생을 완성시킨다. ADF4159의 유연한 램프 발생기 엔진은 유연한 시간 및 주파수 편차를 가진 다양한 삼각형(triangular) 및 톱니형(sawtooth) 램프 프로파일(profile)을 지원한다.

이는 또한 램프의 귀선 기간(retrace period) 동안 오버슈트(overshoot) 및 언더슈트(undershoot)를 최소화시켜주는 고속 램프 프로파일(profile)을 지원하며, 이때 오버슈트 및 언더슈트는 레이더 시스템에서 미세 범위 해상도를 허용하는 RF 대역폭의 스위프(sweep) 주파수를 최대화한다. 또한 ADF5901과 ADF5904 사이의 인터페이스를 위해 어떠한 외부 수동 소자도 필요하지 않으므로 고가의 고주파 커패시터(capacitor)가 필요 없어진다.

ADF5901과 ADF4159 사이의 보조 신호(auxiliary signal) 상에서는 커플링 커패시터(coupling capacitor)가 필요 없다. 세 개의 IC는 모두 뛰어난 ESD(electrostatic discharge) 성능을 제공하고 AEC-Q100 기준을 완전히 충족해 더욱 견고한 센서 설계를 보장해준다.

레이더 시스템의 혜택

이 칩셋이 제공하는 통합된 고성능 사양들은 그림 3에서 볼 수 있듯이 향상된 수신기 감도(receiver sensitivity) 및 탐지 범위에서 모든 데시벨(dB)이 중요한 경우, 레이더 센서 액츄에이터(actuator)의 구축 시 중요하다. 많은 IC 기반 레이더 시스템은 송신기(위상 잡음) 및 잡음이 제한된 수신기로 결과적으로 제한된 전체 수신기 SNR(signal-to-noise ratio)를 갖게 된다.

이는 일반적으로 작은 물체나 더 큰 물체 가까이 있는 타깃에 대한 레이더 시스템의 탐지 능력 한계로 나타난다. 실용적인 레이더 애플리케이션에서는 분주하거나 어수선할 때에도 지상 교란을 포함한 타깃 시나리오가 존재한다. 이 모든 상황은 점층적으로 시스템 위상 잡음을 증가시키고 레이더 수신기를 둔감하게 만든다.

더 높은 시스템 잡음은 작은 타깃의 마스킹이나 탐지를 막으며, 이는 잠재적으로 센서 안전 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어 오토모티브 탐지 애플리케이션에서 사용된다면 어린이를 가리는 벽이나 주차된 차량과 같이 큰 타깃 존재 하에 어린이나 작은 기둥과 같은 더욱 작은 표적을 탐지할 수 있는 보다 나은 성능이 요구된다.

경쟁제품보다 3 dB 뛰어난 ADF5904의 우수한 저잡음 지수가 제공하는 성능 및 전력은 컴패니언(companion) IC, 송신기 ADF5901 칩, ADF4159 PLL, 고성능 위상 잡음, 출력 전력 및 고속 램핑 역량과 결합돼 센서에 더 낮은 잡음 플로어 성능을 제공한다. 더 높은 수신기 시스템 SNR은 더 빠른 결과 매개 변수 측정(resulting parameter estimation)과 함께 안정적이고 신뢰할 수 있는 탐지를 제공한다.

집적 칩셋의 높은 성능은 레이더 시스템 설계자들에게 최소한 두 배 향상된 민감도 및 훨씬 낮은 전체 전력 소비와 더불어 최대 1.5배 개선된 탐지 범위를 제공하며, 이는 쉽게 설계 가능한 작은 크기의 센서로부터 보다 견고하고 일관된 성능으로 나타난다. 

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