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AFE5401-EP 四通道雷達(dá)基帶接收模擬前端(AFE)產(chǎn)品文檔總結(jié)

科技綠洲 ? 2025-10-23 11:26 ? 次閱讀
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AFE5401-EP 是一款模擬前端 (AFE),面向集成度至關(guān)重要的應(yīng)用。該器件包括四個(gè)通道,每個(gè)通道包括一個(gè)低噪聲放大器 (LNA)、一個(gè)可編程均衡器 (EQ)、一個(gè)可編程增益放大器 (PGA) 和一個(gè)抗混疊濾波器,然后是一個(gè)高速 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC),每通道 25MSPS。

四個(gè)差分輸入對(duì)中的每一個(gè)都由一個(gè)LNA放大,然后是一個(gè)PGA,其可編程增益范圍為0dB至30dB。每個(gè)通道的PGA和ADC之間還集成了一個(gè)抗混疊低通濾波器(LPF)。
*附件:afe5401-ep.pdf

每個(gè)LNA、PGA和抗混疊濾波器輸出都是差分的(限制為2VPP)??够殳B濾波器驅(qū)動(dòng)片內(nèi)12位25MSPS ADC。四個(gè)ADC輸出在12位并行CMOS輸出總線上復(fù)用。

該器件采用 9mm × 9mm VQFN-64 封裝,額定溫度范圍為 –40°C 至 +125°C。

特性

  • 集成模擬前端包括:
    • 四通道 LNA、均衡器、PGA、抗混疊濾波器和 ADC
  • PGA增益為30dB的輸入?yún)⒖荚肼暎?
    • 2.9nV/√ Hz,15dB LNA增益
    • 2.0nV/√ Hz,18dB LNA增益,HIGH_POW_LNA模式
  • 跨通道同時(shí)采樣
  • 可編程LNA增益:12dB、15dB、16.5dB和18dB
  • 可編程均衡器模式
  • 內(nèi)置診斷模式
  • 溫度傳感器
  • 可編程增益放大器 (PGA):
    • 0dB至30dB,步長(zhǎng)為3dB
  • 可編程、三階、抗混疊濾波器:
    • 7MHz、8MHz、10.5MHz和12MHz
  • 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC):
    • 四通道,12位,每通道25MSPS
    • 基準(zhǔn)電壓源無(wú)需外部去耦
  • 并行 CMOS 輸出
  • 每通道64 mW總內(nèi)核功率,每通道25MSPS
  • 電源:1.8V 和 3.3V
  • 封裝:9mm × 9mm VQFN-64
  • 器件溫度:–40°C 至 125°C 環(huán)境工作溫度范圍
  • 支持國(guó)防、航空航天和醫(yī)療應(yīng)用
    • 受控基線
    • 一個(gè)裝配和測(cè)試站點(diǎn)
    • 一個(gè)制造現(xiàn)場(chǎng)
    • 延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期
    • 產(chǎn)品可追溯性
    • VID V62/25601

參數(shù)

image.png

一、產(chǎn)品概述

AFE5401-EP 是德州儀器推出的 高集成度四通道模擬前端(AFE) ,核心優(yōu)勢(shì)為低噪聲、高線性度與全信號(hào)鏈集成,專為汽車?yán)走_(dá)基帶接收、數(shù)據(jù)采集、聲吶(SONAR)等高精度信號(hào)處理場(chǎng)景設(shè)計(jì),同時(shí)支持國(guó)防、航空航天及醫(yī)療等高可靠性領(lǐng)域需求。該器件采用 9mm×9mm 64 引腳 VQFN(RGC 封裝),支持 - 40°C 至 + 125°C 工業(yè)級(jí)工作溫度,每通道集成完整信號(hào)鏈,可大幅簡(jiǎn)化多通道雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

二、核心參數(shù)與性能

參數(shù)規(guī)格備注
通道配置4 路主通道(含 LNA/PGA/AAF/ADC)、4 路輔助通道(直接 ADC 輸入, bypass 前端)主通道適配雷達(dá)基帶信號(hào),輔助通道可采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)(如電池電壓、溫度)
信號(hào)鏈性能低噪聲放大器(LNA):增益 12dB/15dB/16.5dB/18dB 可編程,輸入噪聲 2.0nV/√Hz(HIGH_POW_LNA 模式);可編程增益放大器(PGA):0dB-30dB(3dB 步進(jìn));三階橢圓抗混疊濾波器(AAF):4 檔截止頻率(7MHz/8MHz/10.5MHz/12MHz)高增益低噪聲適配微弱雷達(dá)基帶信號(hào)(通常 mV 級(jí)),抗混疊濾波抑制高頻噪聲
ADC 性能12 位分辨率、25MSPS / 通道采樣率、總諧波失真(THD)-65dBc(3MHz 輸入)、無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)66dBc(默認(rèn)模式)/74dBc(HPL_EN 模式)高線性度保障雷達(dá)信號(hào)相位與幅度精度
電源與功耗模擬電源(AVDD3:3V-3.6V;AVDD18:1.7V-1.9V)、數(shù)字電源(DVDD18:1.7V-1.9V)、驅(qū)動(dòng)電源(DRVDD:1.7V-3.6V);每通道核心功耗 64mW(25MSPS)低功耗設(shè)計(jì)適配汽車電子等功率敏感場(chǎng)景
輸入輸出主通道差分輸入(最大 2VPP)、輔助通道差分輸入(2VPP)、12 位并行 CMOS 輸出(支持 1x/2x/3x/4x 序列化)并行輸出配合序列化功能,靈活適配不同數(shù)據(jù)速率需求
可靠性特性單一裝配 / 制造站點(diǎn)、延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期、完整可追溯性、符合 VID V62/25601 標(biāo)準(zhǔn)滿足高可靠性領(lǐng)域?qū)?yīng)鏈與質(zhì)量的嚴(yán)苛要求

三、硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵信息

1. 封裝與引腳

  • 封裝類型 :64 引腳 VQFN(RGC),尺寸 9mm×9mm,暴露熱焊盤(內(nèi)部連接 AVSS)需接地以保障散熱(熱阻 RθJA=24.9°C/W,RθJC=0.5°C/W),焊接面積≥7mm×7mm。
  • 關(guān)鍵引腳功能
    • 模擬輸入:IN1P/IN1M 至 IN4P/IN4M(4 路主通道差分輸入)、IN1P_AUX/IN1M_AUX 至 IN4P_AUX/IN4M_AUX(4 路輔助通道差分輸入)、VCM(共模電壓輸出,輔助通道偏置)。
    • 電源:AVDD3(3V 模擬電源)、AVDD18(1.8V 模擬電源)、DVDD18(1.8V 數(shù)字電源)、DRVDD(輸出驅(qū)動(dòng)電源)、AVSS/DVSS/DRVSS(對(duì)應(yīng)地)。
    • 時(shí)鐘與同步:CLKINP/CLKINM(差分時(shí)鐘輸入,支持單端 CMOS 時(shí)鐘)、DSYNC1/DSYNC2(數(shù)據(jù)同步時(shí)鐘)、TRIG(同步觸發(fā)輸入)、DCLK(數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘)。
    • 數(shù)據(jù)與控制:D [11:0](12 位并行數(shù)據(jù)輸出)、D_GPO [1:0](通用輸出)、SPI 接口(SEN/SCLK/SDATA/SDOUT,配置寄存器)、RESET(硬件復(fù)位,高有效)、STBY(待機(jī)控制)。

2. 電源與信號(hào)設(shè)計(jì)要求

  • 電源設(shè)計(jì)
    • 供電序列:無(wú)嚴(yán)格時(shí)序要求,但推薦先加 AVDD18/DVDD18,再加 AVDD3 與 DRVDD,避免電壓沖擊。
    • 去耦設(shè)計(jì):所有電源引腳需就近布置 0.1μF 陶瓷電容 + 1μF 鉭電容,AVDD3 與 AVDD18 需額外搭配低噪聲 LDO(如 TPS7A4700),降低電源噪聲串?dāng)_。
  • 信號(hào)設(shè)計(jì)
    • 模擬輸入:主通道需差分布線,阻抗匹配(50Ω),長(zhǎng)度匹配誤差 < 5mil;輔助通道可單端輸入(需將負(fù)端接地),但建議差分以提升抗干擾能力。
    • 時(shí)鐘輸入:差分時(shí)鐘(LVPECL/LVDS/ 正弦波)需 AC 耦合,單端時(shí)鐘(CMOS)需將 CLKINM 接地;時(shí)鐘占空比 40%-60%,抖動(dòng) < 10ps,避免采樣相位誤差。

四、核心功能與配置

1. 全集成信號(hào)鏈

  • 低噪聲放大與增益控制
    • LNA:4 檔增益可編程,支持 HIGH_POW_LNA 模式(噪聲降至 2.0nV/√Hz,功耗略增),適配不同強(qiáng)度雷達(dá)信號(hào);輸入阻抗 1kΩ(可配置為 10kΩ),無(wú)需額外匹配網(wǎng)絡(luò)。
    • PGA:3dB 步進(jìn)增益調(diào)節(jié),配合 LNA 實(shí)現(xiàn) 12dB-48dB 總增益,可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)調(diào)整,避免 ADC 飽和。
  • 抗混疊與濾波 :三階橢圓濾波器(AAF)支持 4 檔截止頻率,可根據(jù)雷達(dá)帶寬(如 77GHz 雷達(dá)基帶帶寬通常 < 10MHz)選擇,抑制 ADC 采樣產(chǎn)生的混疊噪聲,衰減 40dB@2.25× 截止頻率。

2. 靈活數(shù)據(jù)接口與同步

  • 數(shù)據(jù)序列化輸出 :支持 1x/2x/3x/4x 序列化模式,輸出時(shí)鐘(DCLK)頻率隨序列化倍數(shù)自動(dòng)調(diào)整(如 4x 序列化時(shí) DCLK=100MHz@25MSPS),減少引腳數(shù)量,適配 FPGA/DSP 高速接口。
  • 多芯片同步 :通過(guò) TRIG 引腳觸發(fā) DSYNC1/DSYNC2 同步信號(hào),可實(shí)現(xiàn)多片 AFE5401-EP 時(shí)鐘與數(shù)據(jù)對(duì)齊,擴(kuò)展通道數(shù)(如 8 通道 / 12 通道雷達(dá)系統(tǒng)),同步誤差 < 1ns。

3. 高可靠性與診斷功能

  • 故障監(jiān)測(cè) :內(nèi)置溫度傳感器(精度 ±2°C)、參考電壓自檢、時(shí)鐘完整性檢測(cè),可通過(guò) HEADER_MODE 讀取溫度、均值、噪聲等診斷數(shù)據(jù),便于系統(tǒng)故障排查。
  • 電源管理 :支持待機(jī)模式(STBY,功耗 15mW)、全局掉電模式(GLOBAL_PDN,功耗 5mW),可根據(jù)雷達(dá)工作周期(如間歇探測(cè))動(dòng)態(tài)調(diào)整功耗,適配汽車節(jié)能需求。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)與布局

1. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

  • 汽車毫米波雷達(dá)(如 77GHz 前向雷達(dá)) :4 路主通道接收雷達(dá)基帶 I/Q 信號(hào),LNA 增益設(shè) 15dB、PGA 設(shè) 12dB、AAF 截止頻率 8MHz,ADC 采樣率 25MSPS,通過(guò) SPI 配置寄存器,數(shù)據(jù)經(jīng) 4x 序列化后傳輸至 FPGA,SFDR 74dBc(HPL_EN 模式)保障目標(biāo)距離與速度計(jì)算精度。
  • 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) :4 路主通道采集傳感器信號(hào)(如振動(dòng)、壓力),輔助通道采集系統(tǒng)電池電壓與溫度,利用 DECIMATE_4 模式(采樣率降至 6.25MSPS)降低數(shù)據(jù)量,適配低帶寬傳輸場(chǎng)景。

2. PCB 布局準(zhǔn)則

  • 分區(qū)設(shè)計(jì) :模擬區(qū)(主通道輸入、電源)、數(shù)字區(qū)(數(shù)據(jù)輸出、SPI 接口)、時(shí)鐘區(qū)(CLKINP/CLKINM)嚴(yán)格分離,模擬地 / 數(shù)字地 / 時(shí)鐘地僅在器件熱焊盤處單點(diǎn)連接;數(shù)字信號(hào)線(如 D [11:0]、SCLK)遠(yuǎn)離模擬輸入線,間距≥2mm。
  • 布線要求
    • 模擬輸入線:差分對(duì)布線,阻抗 50Ω,長(zhǎng)度 < 10cm,避免過(guò)孔;主通道與輔助通道輸入線分開(kāi)布線,減少串?dāng)_。
    • 時(shí)鐘線:差分時(shí)鐘線長(zhǎng)度匹配誤差 < 2mil,單端時(shí)鐘線靠近地平面,長(zhǎng)度 < 5cm;DSYNC1/DSYNC2 線需與數(shù)據(jù)輸出線長(zhǎng)度匹配,避免同步誤差。
  • 熱設(shè)計(jì) :暴露熱焊盤通過(guò)至少 8 個(gè)過(guò)孔(0.3mm 孔徑)連接至地平面,熱焊盤周圍預(yù)留 1mm 散熱銅皮,避免高溫導(dǎo)致性能退化。
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