【導讀】ADAS、車(chē)身電子裝置、動(dòng)力總成等汽車(chē)系統需要用到 精密數據轉換器。對于每個(gè)數據轉換器，在測量汽車(chē)信 號時(shí)，通常都需要一個(gè)精確的基準電壓 (VREF) 以便誤 差盡可能低。許多數據轉換器可以合并內部基準，但在 CMOS 技術(shù)中很難找到一個(gè)內部基準電壓能夠達到雙 極工藝的高精度、低溫漂和低噪聲。這在 MCU 的數字 處理中更為復雜，由于存在各種固有的時(shí)鐘噪聲，內部 基準往往會(huì )有噪聲。因此，通常需要使用外部基準電壓 來(lái)進(jìn)行更精確的測量。
引言
ADAS、車(chē)身電子裝置、動(dòng)力總成等汽車(chē)系統需要用到 精密數據轉換器。對于每個(gè)數據轉換器，在測量汽車(chē)信 號時(shí)，通常都需要一個(gè)精確的基準電壓 (VREF) 以便誤 差盡可能低。許多數據轉換器可以合并內部基準，但在 CMOS 技術(shù)中很難找到一個(gè)內部基準電壓能夠達到雙 極工藝的高精度、低溫漂和低噪聲。這在 MCU 的數字 處理中更為復雜，由于存在各種固有的時(shí)鐘噪聲，內部 基準往往會(huì )有噪聲。因此，通常需要使用外部基準電壓 來(lái)進(jìn)行更精確的測量。
圖 1. 簡(jiǎn)化的 ADAS 前置攝像頭示意圖
用于監控 1% 1V 電壓軌的基準電壓
在汽車(chē)高級駕駛輔助系統 (ADAS) 中，監控 MCU/DSP/FPGA 中使用的電壓軌非常重要。通過(guò) ADC 和電壓監控器組合來(lái)獨立監控電壓軌，確保電壓 軌不會(huì )超過(guò)可能導致欠壓或過(guò)壓事件（可能損壞 MCU/DSP/FPGA）的某個(gè)電壓。通常，這些 ADC 在 微控制器 (MCU) 內部，用于確保電壓軌正常工作。在 MCU 上連接一個(gè)外部 VREF 以保證精度，并確保內部 ADC 有一個(gè)冗余的基準電壓以保證穩健性，這種情況 并不罕見(jiàn)。通過(guò)添加一個(gè)外部 VREF，有可能得到一個(gè) 精確的 ADC，不需要校準就可以監控 1% 1V 電壓軌。
圖 2. 帶 MCU 的 REF3430-Q1
為了確保系統符合誤差規格，務(wù)必要對信號鏈進(jìn)行表征 以了解電壓軌誤差，這一點(diǎn)非常重要。電壓軌誤差日趨 嚴格，因為允許的總誤差一直在減小，從而可以打造出 一個(gè)更優(yōu)化的系統。表征 MCU 中的信號鏈誤差時(shí)會(huì )存 在一個(gè)問(wèn)題，即內部基準電壓通常不會(huì )像外部電壓基準 那樣全面而深入地表征，而且往往缺乏最差值上限。因 此，很難計算出系統最壞情況下的誤差。使用外部基準 電壓可解決這一難題，如圖 2 中的 REF3430-Q1 所 示。
表 1. 典型的內核電壓軌監控
表 1 所示為關(guān)于電壓軌監控要求的一個(gè)示例，該要求 為通過(guò)微型計算機監控 ADAS 系統中精密 MCU 的 1V 電壓軌。由于某些電壓電源軌嚴格要求限制在一定的電 壓范圍內，我們希望確保信號鏈系統的總誤差小于 1%，這樣就可以測量偏差，在本例中偏差為 10mV。
對于 1V 直流測量，可以通過(guò)一個(gè)外部基準電壓來(lái)計算 總誤差?？赏ㄟ^(guò)兩種方法來(lái)計算系統誤差：一種是最壞 情況法，另一種則是和的平方根 (RSS)法。誤差計算之 間的主要區別在于如何組合一個(gè)系統的各個(gè)誤差。在基 于最壞情況的誤差計算中，所有誤差都是它們最壞情況 的疊加，結果趨于保守，雖能確保每個(gè)器件都正常工 作，但主要缺點(diǎn)是要考慮到 6 個(gè)以上 Σ 的事件，這會(huì ) 使系統成本增加。最壞情況法的一種常見(jiàn)替代方法是基 于統計公差分析的 RSS 法。之所以使用 RSS，是因為 它提供了一個(gè)更實(shí)際的、基于分布的可接受限值。而在 本例中，我們使用 RSS 是因為它能夠更真實(shí)地表示誤 差。
表 2. REF3430-Q1 3V 規格
VREF 基準計算的總誤差是初始精度、溫度系數等所有 誤差的總和。為了計算總誤差，所有誤差都應采用通用 單位，如方程式 1 中的 ppm（百萬(wàn)分率）。通過(guò)校準 可以進(jìn)一步減小 VREF 總誤差，因為校準可以消除初 始精度和溫度系數等靜態(tài)誤差。本例中省略了焊接漂 移、負載調節、線(xiàn)路調節等誤差，但可以將這些誤差一 并加入，從而計算出 VREF 總誤差的更準確值。方程 式 1 所示為如何使用 RSS 法合并所有這些誤差。
表 3. 內部 MCU ADC 示例
選擇 ADC 時(shí)，找到一個(gè)誤差盡可能小的 ADC 非常重 要。本例使用了符合表 3 中所示規格的內部 MCU ADC。這種情況下的 ADC 總誤差也稱(chēng)為總體未調誤 差，它的計算方法類(lèi)似于使用 RSS 法計算 VREF 總誤 差。
進(jìn)行誤差計算時(shí)，ADC 的誤差是獨立的，但基準電壓 的誤差與 ADC 模擬輸入信號成正比。方程式 2 中計算 的 VREF 總誤差只有在模擬輸入信號為滿(mǎn)刻度時(shí)才有 效。在本例中，由于模擬輸入為 1V，而不是滿(mǎn)刻度電 壓，只有 VREF 總誤差的一小部分影響到模擬輸入， 這可在方程式 3 中看到。
在 ADC 規格下，使用方程式 4 將 VREF 總誤差轉換為 LSB，如此一來(lái)，使用方程式 5 中的 RSS 法可以合并 VREF 和 ADC。
表 4. 總誤差
表 4 總結了系統的最終誤差，因為外部基準電壓可以 幫助表征誤差以確保滿(mǎn)足最小精度。在實(shí)踐中，測量值 將比 RSS 總誤差更精確，但該誤差可以為實(shí)現改進(jìn)提 供一個(gè)基準。主要誤差來(lái)自 ADC，因此選擇更精確的 ADC 即可輕松減小系統的 ADC 誤差。還有一些技術(shù) 可用于改善基準電壓誤差，例如使用更高的外部基準電 壓。在表 5 中，有一些備選基準電壓器件可幫助減小 這種誤差或節省電力。
表 5. 備選器件建議
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