Imec demonstreert low-power phase-locked loop voor radar in auto’s en industrie

Imec presenteert een nieuwe digitaal gekalibreerde ladingspomp (CP) phase-locked loop (PLL) die hoogwaardige frequentie-gemoduleerde continue golfsignalen (FMCW) kan genereren voor mmWave-radars bij een laag stroomverbruik. Dit is een bouwsteen voor toekomstige korteafstandsauto- en industriële (bijvoorbeeld on-cobot sensing) radartoepassingen.

FMCW mmWave-gebaseerde radarsensoren worden steeds populairder voor meerdere automobiel-, gezondheidszorg- en industriële toepassingen. FMCW-radars zenden een sinusvormige golf uit waarvan de frequentie lineair toeneemt in de tijd, een sweep die ‘chirp’ wordt genoemd. Nadat het signaal door het object is gereflecteerd, wordt het opgepikt door de ontvanger en gemengd met het originele chirp-signaal, waarna de afstand van het object wordt bepaald en de snelheid kan worden geëxtraheerd. De kwaliteit van het radarsignaal hangt grotendeels af van de prestaties van de PLL die wordt gebruikt om het chirp-signaal te genereren.

Volgens imec genereert hun nieuwe PLL zeer lineaire chirp-signalen van hoge kwaliteit rond 16 GHz met een chirp-bandbreedte van 1,5 GHz. Het bereikt chirp-snelheden tot 12 µs met een fout van 41 kHzrms in frequentiemodulatie (rms-FM-fout). De PLL maakt opstarten mogelijk in minder dan 1 µs en heeft een resettijd tussen chirps van 1 µs. De chirp-generator werkt in duty-cycled-modus – waarbij N chirps in één burst worden gesynthetiseerd voordat hij wordt uitgeschakeld – wat energiebesparingen oplevert. De PLL verbruikt bijvoorbeeld 9,2 mW en 1,48 mW bij gebruik in respectievelijk 50 procent en 1 procent duty-cycle modus. Na de power-down-modus blijft de rms-FM-fout van de eerste piep onder de 41 kHz.

De duty cycle-prestaties werden mogelijk gemaakt door gebruik te maken van een op ladingpomp (CP) gebaseerde PLL-architectuur, gefabriceerd in 28nm CMOS-technologie en uitgebreid met een fase-offset-compensatie tijd-naar-digitaal-omzetter (POC-DTC) om snelle zelfkalibratie mogelijk te maken .

Deze parameters maken de PLL geschikt voor autoradartoepassingen met een bereik tot enkele tientallen meters. “Toepassingen zijn onder meer radarsensoren in de cabine om de aanwezigheid, bewegingen en het welzijn van bestuurder en passagiers te monitoren, maar ook sensoren buiten de cabine voor parkeerhulp of voertuigdetectie”, zegt programmamanager Ilja Ocket. “Onze PLL opent ook deuren naar robotica-radartoepassingen – denk aan on-cobot-radarsensoren om de veiligheid en efficiëntie van mens-robot-interactie in industriële omgevingen te verbeteren – en naar radarsensoren die op kleine bewegende objecten of voertuigen zoals drones zijn gemonteerd. De PLL kan ook worden gebruikt voor up-conversie naar mmWave-radarsignalen met andere draaggolffrequenties, bijvoorbeeld 80 GHz.”