【摘 要】
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随着汽车的普及,人们对行驶过程中的安全性能需求日益增长,车载雷达得以广泛使用。24 GHz频段毫米波雷达因其成本低、易于集成和易于实现的优点被广泛应用于车载雷达的短距离探测。本文基于55 nm CMOS工艺,设计了一款应用于改版24 GHz双模式毫米波雷达收发机的中频信号处理芯片,包括低噪声模拟基带（ABB）和低功耗Sigma-Delta模数转换器（ADC）两个部分。主要研究工作与成果如下:（一）
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随着汽车的普及,人们对行驶过程中的安全性能需求日益增长,车载雷达得以广泛使用。24 GHz频段毫米波雷达因其成本低、易于集成和易于实现的优点被广泛应用于车载雷达的短距离探测。本文基于55 nm CMOS工艺,设计了一款应用于改版24 GHz双模式毫米波雷达收发机的中频信号处理芯片,包括低噪声模拟基带（ABB）和低功耗Sigma-Delta模数转换器（ADC）两个部分。主要研究工作与成果如下:（一）分析了雷达在FMCW模式和Doppler模式下探测速度与距离的数学原理。列出了第一版雷达芯片中频信号处理电路的测试结果,提出了改版24 GHz雷达的系统结构并对其进行链路预算。结合接收前端与发射前端的指标和毫米波在传输过程中的路径损耗等条件,计算出改版雷达系统中ABB和ADC的各项性能指标。（二）设计了一款低噪声模拟基带电路,包括低通滤波器和直流失调消除环路两部分。采用两级级联Tow-Thomas二阶节构成低通滤波器,其中电阻为可编程阵列结构使得其可同时作为可变增益放大器。提出了电流注入式直流失调消除方案,可以在不损失10 Hz～555 k Hz极低频中频信号能量的前提下对直流失调偏差进行校准,且避免了在片内使用很大面积的电容。为了获得极低中频信号频率处的低噪声性能,一方面将运算放大器的输入对管和DCOC的电流源管采用低频闪烁噪声更小的NPN管,另一方面对第一级运算放大器采用了斩波调制技术,通过两级斩波器的作用实现了信号和输入端噪声在频域上的分离,低频处噪声被推至高频处。单路版图面积为956μm×292μm,在2.5V电源电压TT工艺角40℃条件下后仿真结果表明:瞬态增益范围覆盖0～70 d B,-3d B带宽大于600 k Hz;FMCW模式下和Doppler模式下的噪声系数都低于30 d B;输入差分信号两端直流失调量为200 m V时,输出残余失调量仅为5 m V;三个差模环路与一个共模环路相位裕度充足,单路模拟基带功耗为14 m W。（三）由于不涉及数字滤波器,故本文设计了一款低功耗Sigma-Delta调制器。该调制器采用单环四阶前馈式结构,为了节省功耗,积分器为连续时间型。前馈型结构降低了对后级运算放大器的性能要求,明显节省了功耗;相应地,求和电路采用电阻型无源结构。同时,单比特量化器输出结果仅为低电平或高电平,可以直接采用比较器实现,节省了功耗也避免了多比特反馈DAC单元失配对系统性能的恶化。单路核心版图面积为343μm×253μm,在1.2 V电源电压TT工艺角40℃条件下后仿真结果表明:当采样时钟频率为40 MHz且与输入信号频率符合相干采样关系时,Sigma-Delta调制器在600 k Hz的带宽范围内获得了11.3 bit的有效位数、69.8 d B的信噪失真比和75.9 d B的无杂散动态范围;且在5个工艺角和40℃、-40℃和120℃三个温度下获得的信噪失真比均大于55 d B,功耗均小于1.5 m W。（四）对本文设计的改版24 GHz雷达芯片中模拟基带和Sigma-Delta调制器进行级联仿真验证,级联整体可以获得9.8 bit的有效位数和61 d B的信噪失真比。并且还给出了对两个模块各自进行独立测试的方案准备。
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