探索BGT60ATR24C 60 GHz雷达传感器：特性、应用与设计要点

在当今科技飞速发展的时代，雷达传感器在众多领域发挥着至关重要的作用。BGT60ATR24C作为一款60 GHz雷达传感器，以其卓越的性能和丰富的功能，成为了众多工程师关注的焦点。本文将深入探讨BGT60ATR24C的特性、应用场景以及设计过程中的关键要点。

文件下载：Infineon Technologies BGT60ATR24C XENSIV 60GHz车用雷达MMIC.pdf

一、产品概述

BGT60ATR24C是一款专为FMCW（Frequency Modulated Continuous Wave）操作设计的60 GHz雷达传感器，具备4 GHz的带宽，拥有2个发射通道（TX）和4个接收通道（RX）。它通过数字接口实现芯片配置和雷达数据采集，同时优化了功率模式，以实现低功耗运行。此外，芯片还集成了状态机，可实现独立运行。

（一）核心功能

该传感器的核心功能是通过两个发射通道之一发射频率调制连续波（FMCW）信号，并通过四个接收通道接收目标物体的回波信号。每个接收通道包括基带滤波、可变增益放大器（VGA）和模数转换器（ADC），数字化后的输出存储在FIFO中，数据随后传输到外部主机、微控制器单元（MCU）或应用处理器（AP）进行雷达信号处理。

（二）潜在应用

BGT60ATR24C的潜在应用十分广泛，主要包括以下几个方面：

1. 手势感应雷达前端：可用于实现非接触式的手势识别功能，为人机交互带来更加便捷的体验。
2. 高分辨率FMCW雷达：能够提供高精度的距离和速度测量，适用于汽车雷达、工业检测等领域。
3. 短程感应操作：在近距离检测场景中发挥作用，如智能家居中的人体检测、自动门控制等。
4. 雷达罩后隐藏感应应用：可以在雷达罩的保护下实现可靠的感应功能，增强了传感器的适用性和稳定性。

二、产品特性分析

（一）硬件架构

BGT60ATR24C的硬件架构设计精巧，集成了多个关键模块：

1. 集成LDO：从1.8 V转换到1.5 V，为数字域供电，确保了电源的稳定性和高效性。
2. 60 GHz RF前端：覆盖58.0至62.0 GHz的频率范围，具备两个发射通道和四个接收通道，提供了强大的信号发射和接收能力。
3. 基带链：由高通滤波器、低噪声可变增益放大器（VGA）和抗混叠滤波器组成，有效处理接收到的信号，提高了信号的质量和可靠性。
4. ADC通道：四个12位分辨率、最高4 MSps采样率的ADC通道，能够准确地对接收的中频信号进行采样，为后续的信号处理提供了精确的数据。
5. 集成RF - PLL、定时器、计数器和FSM：可在独立模式下运行一组帧，无需与AP进行频繁通信，仅需首次触发和原始数据传输，大大提高了系统的自主性和运行效率。
6. 全双工FIFO结构：作为数据缓冲区，容量为196 kbit（8192字×24位），确保了数据的高效存储和传输。
7. LFSR测试模式生成器：用于数据传输检查，提高了系统的可靠性和稳定性。
8. 传感器ADC：8至10位的传感器ADC，可用于功率和温度测量，为系统的监测和控制提供了重要的信息。
9. 标准SPI模式：用于配置和状态寄存器的读取访问，方便了工程师对芯片的配置和调试。
10. 专用功率模式：可有效降低功耗，延长设备的续航时间。
11. 外部80 MHz参考振荡器：作为系统时钟源，为芯片的稳定运行提供了精确的时钟信号。
12. BITE（Built - in Test Equipment）：用于生产过程中的EOL测试，验证RF性能，确保了产品的质量和一致性。
13. ChipID块：提供数字代码版本、RF块版本和RF配置信息，方便了产品的管理和维护。
14. BiCMOS英飞凌工艺技术：确保了芯片的高性能和可靠性。
15. eWLB封装：具有良好的散热性能和电气性能，提高了芯片的稳定性和适用性。

（二）引脚定义与功能

BGT60ATR24C的引脚定义清晰，不同的引脚承担着不同的功能，主要分为IO引脚和电源引脚：

1. IO引脚：包括SPI通信引脚（CS_N、SPI_CLK、DI、DO等）、发射和接收通道引脚（TX1、TX2、RX1 - RX4）以及复位引脚（DIO3）等，实现了芯片与外部设备的通信和控制。
2. 电源引脚：为不同的模块提供电源，如VDDD为数字域供电，VDDA为ADC供电，VDDRF为RF模块供电等，确保了各个模块的正常运行。

（三）寄存器配置

芯片通过一系列寄存器进行配置和控制，这些寄存器包括MAIN寄存器、ADC0寄存器、PACR1和PACR2寄存器等。不同的寄存器负责不同的功能，例如MAIN寄存器控制芯片的顶层行为，ADC0寄存器设置ADC的参数，PACR1和PACR2寄存器设置PLL的参数等。工程师可以根据具体的应用需求对这些寄存器进行配置，以实现芯片的最佳性能。

三、性能参数

（一）绝对最大额定值

在使用BGT60ATR24C时，需要注意其绝对最大额定值，包括电源电压、RF输入功率、结温、存储温度等参数。超过这些额定值可能会导致设备永久性损坏，因此在设计过程中必须严格遵守。

（二）功能范围

芯片的功能范围规定了其正常工作的条件，如电源电压范围、温度范围、频率范围等。在这些范围内，芯片能够稳定地工作，提供准确的测量结果。

（三）电流消耗

不同的工作模式下，芯片的电流消耗不同。例如，在深度睡眠模式下，电流消耗极低，仅为0.03 - 5.10 mA；而在活动模式下，电流消耗相对较高，为201 - 336 mA。工程师可以根据实际应用需求选择合适的工作模式，以平衡功耗和性能。

（四）ESD鲁棒性

芯片具有一定的ESD（Electrostatic Discharge）鲁棒性，能够承受一定程度的静电放电而不损坏。具体的ESD鲁棒性参数包括HBM（Human Body Model）和CDM（Charge Device Model），在设计过程中需要采取相应的ESD防护措施，以确保芯片的可靠性。

（五）热阻

芯片的热阻参数反映了其散热性能，通过合理的散热设计，可以确保芯片在工作过程中保持稳定的温度，提高芯片的可靠性和性能。

四、调制与功率模式

（一）形状和帧

BGT60ATR24C支持两种基本的调制形状：三角形形状和锯齿形形状。形状通过PLLx[0..7]寄存器进行设置和启用，每个形状可以重复多次形成形状组，多个形状组组成帧。帧的长度和重复次数可以通过相关寄存器进行配置，以满足不同应用的需求。

（二）通道集

每个通道集可以重复多次，重复因子通过REPCx寄存器进行设置。通道集包括用于上升啁啾和下降啁啾的设置，以及用于空闲和深度睡眠模式的设置。通道集的配置可以根据具体的应用场景进行调整，以实现最优的性能。

（三）功率模式

芯片支持多种功率模式，包括活动模式、空闲模式、深度睡眠模式和深度睡眠连续模式等。不同的功率模式下，芯片的功耗和功能不同。例如，在活动模式下，芯片的所有功能正常运行，但功耗较高；而在深度睡眠模式下，大部分模块关闭，功耗极低。工程师可以根据实际应用需求选择合适的功率模式，以实现功耗的优化。

五、数据组织与SPI接口

（一）数据头

主FSM能够生成数据头，并将其附加到实际的雷达原始数据上。数据头包括同步字、帧计数器、形状组计数器、采样点数和传感器ADC输出数据等信息，方便了数据的识别和处理。

（二）FIFO和数据流

芯片的内存基于FIFO，支持四种不同的数据流模式，从MADC到FIFO的数据传输可以根据具体的应用需求进行选择。FIFO的读取通过SPI模块进行，读取速率受到SPI时钟频率的限制。

（三）SPI接口

芯片支持两种不同的SPI模式：正常SPI和Quad - SPI。在不同的SPI模式下，引脚的连接和功能有所不同。SPI接口的时钟频率最高可达50 MHz，为了满足更高的SPI时钟频率要求，芯片还提供了高速模式，通过设置SFCTL: MISO_HS_RD寄存器可以切换到高速模式。

六、PLL域功能规范

（一）PLL接口和时钟分布

PLL负责生成58 GHz至62 GHz范围内的高性能频率啁啾，外部80 MHz参考时钟信号直接提供给PLL的模拟部分，然后通过独立的路径分配到PLL的参考时钟缓冲器和STS接口。PLL的时钟可以通过PACR1.OSCCLKEN寄存器进行门控，以实现功耗的优化。

（二）PLL参数和规格

PLL的目标参数包括参考频率、输出频率范围、连续FM啁啾带宽、啁啾斜率、频率斜坡线性度误差、频率斜坡建立时间和PLL单边带相位噪声等。这些参数的设置和优化对于芯片的性能至关重要，工程师需要根据具体的应用需求进行合理的调整。

七、模拟 - RF域功能规范

（一）RF前端

RF前端实现了雷达功能的所有特性，包括发射和接收通道的功能。发射通道的输出功率、功率控制动态范围、相位差等参数，以及接收通道的转换增益、噪声系数、1 - dB压缩点等参数都有相应的规格要求。此外，芯片还集成了温度传感器和TX峰值检测器，用于监测温度和输出功率。

（二）基带放大器和滤波器

基带放大器和滤波器用于调整中频信号，以满足系统要求。基带块由四个通道组成，每个通道包括高通滤波器、可变增益放大器（VGA）和抗混叠滤波器。高通滤波器可以去除RX混频器输出的直流偏移，并抑制近距离反射信号；VGA可以提供可选择的电压增益，最大增益可达60 dB；抗混叠滤波器用于防止信号混叠，确保信号的质量。

八、MADC和SADC域功能规范

（一）MADC

MADC模块由四个差分SAR ADC组成，用于将基带的四个差分IF输出信号转换为数字信号。MADC的电源电压要求、规格参数、时序图和转换率等都有详细的规定。在使用MADC时，需要注意电源滤波、启动校准和采样时间等问题，以确保ADC的性能和准确性。

（二）SADC

SADC是一个单通道单端8位SAR ADC，可用于监测温度输出和发射通道的功率检测器输出。SADC的转换数据可以通过SADC寄存器进行读取，并可以添加到MADC数据帧的头部。SADC的分辨率可以通过过采样提高到10位，转换时间和公式可以根据相关寄存器的设置进行计算。

九、增强功能

（一）芯片ID读取

通过特定的步骤可以读取芯片的ID，包括启用EFUSE块、启动感测操作、等待EFUSE_READY信号、读取设备ID和禁用EFUSE块等步骤。芯片ID的读取可以用于产品的管理和追踪。

（二）数据测试模式

芯片内置了线性反馈移位寄存器（LFSR），可以生成伪随机位M序列，用于填充FIFO。这一功能可以用于开发和测试从FIFO到应用处理器内存的完整数据管道，包括固件和驱动程序。

（三）CW模式

在连续波（CW）模式下，芯片提供恒定的输出频率。启用CW模式需要进行一系列的步骤，包括硬件或软件复位、设置相关寄存器、启用时钟和设置频率等。CW模式可以用于测试芯片的功耗和性能。

（四）IRQ输出

芯片提供一个中断引脚输出（IRQ），用于监测FIFO的填充水平。IRQ信号的高低状态根据FIFO的填充状态和CS_N信号进行变化，方便了系统的控制和管理。

十、设计要点与注意事项

（一）电源设计

在设计过程中，需要注意电源的稳定性和滤波。使用低ESR旁路电容器对电源进行滤波，以去除电压纹波。同时，不同模块的电源引脚需要正确连接，确保各个模块的正常运行。

（二）ESD防护

由于芯片具有一定的ESD鲁棒性，但在实际应用中仍需要采取相应的ESD防护措施，如使用ESD保护器件、合理的PCB布局等，以防止静电放电对芯片造成损坏。

（三）SPI通信

SPI通信的时钟频率和时序需要根据芯片的规格进行设置，确保数据的准确传输。在高速SPI通信时，需要注意信号的反射和干扰问题，可以通过合理的PCB布线和终端匹配来解决。

（四）温度管理

芯片的性能和可靠性受到温度的影响，因此需要进行合理的温度管理。可以通过散热片、风扇等散热设备来降低芯片的温度，确保芯片在正常的温度范围内工作。

（五）寄存器配置

正确配置芯片的寄存器是实现芯片功能的关键。在配置寄存器时，需要仔细阅读数据手册，了解每个寄存器的功能和设置方法，确保寄存器的配置符合实际应用的需求。

十一、总结

BGT60ATR24C 60 GHz雷达传感器以其丰富的功能、高性能和低功耗等优点，在众多领域具有广阔的应用前景。工程师在设计过程中，需要深入了解芯片的特性和参数，合理配置寄存器，优化电源设计和通信接口，采取有效的防护措施，以确保芯片的性能和可靠性。同时，不断探索和创新，将该传感器应用到更多的实际场景中，为科技的发展做出贡献。你在使用BGT60ATR24C的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。