問(wèn)題在于，通常在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中，很難對電路板和系統單體做噪聲評估，一般需要在系統組裝后再評估，一旦評估結果NG（不通過(guò)），就需要大規模修改，因此降噪設計一直是一個(gè)棘手的課題。

 

1、運算放大器和比較器與傳感器

 

運算放大器簡(jiǎn)稱(chēng)“運放”，是具有很高放大倍數的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結合反饋網(wǎng)絡(luò )共同組成某種功能模塊。它是一種帶有特殊耦合電路及反饋的放大器。其輸出信號可以是輸入信號加、減或微分、積分等數學(xué)運算結果。

 

比較器是將模擬電壓信號與基準電壓進(jìn)行比較的電路，可以對傳感器的輸出信號等進(jìn)行閾值判斷，輸出數字（High/Low）信號。

 

傳感器信號必經(jīng)運算放大器和比較器

 

傳感器接收的信號要通過(guò)兩種方式傳輸到MCU實(shí)現控制。第一種是經(jīng)運算放大器把傳感器的小信號放大，變成MCU等可識別的電壓電平并傳輸到MCU；第二種是通過(guò)比較器設定的閾值來(lái)判斷傳感器信號的高低，然后傳輸給MCU。

 

車(chē)載運算放大器應用示例

 

可以看到，不同的傳感器后面都需要用運算放大器及比較器進(jìn)行信號處理，最后傳輸給控制單元，再通過(guò)控制單元來(lái)控制車(chē)輛的各種模塊。有多少傳感器，就需要有多少運算放大器和比較器，所以說(shuō)其數量在與日俱增。

 

在車(chē)載應用案例中，不同模塊會(huì )用到不同的運算放大器或比較器。隨著(zhù)ADAS和智能駕駛的發(fā)展，車(chē)輛中越來(lái)越多的場(chǎng)合都會(huì )用到運放或比較器。

 

2、高精度、低誤差才好用

 

既然傳感器是將微弱環(huán)境變化信號轉換為電信號，最終由MCU判斷信號做出動(dòng)作，就要求運算放大器和比較器一定要高精度和低誤差，以保證放大或比較出來(lái)的信號是可靠和可以利用的。

 

運算放大器是提高感測精度的關(guān)鍵

 

3、噪聲也會(huì )影響感測精度

 

另一個(gè)影響傳感器系統精度的因素是噪聲，它主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面，第一是EMI（電磁干擾），即IC本身產(chǎn)生的噪聲可能會(huì )干擾其他電子設備，給整個(gè)系統精度帶來(lái)誤差。如果IC或系統抗EMI性能較差，當周?chē)a(chǎn)生噪聲干擾時(shí)，元器件或系統就可能產(chǎn)生誤動(dòng)作，因此需要使用濾波器（電容器、電阻器等）和屏蔽（金屬板）來(lái)降低噪聲。第二是EMS（電磁耐受）特性，即芯片本身能夠承受多少來(lái)自外部的噪聲干擾。所以，傳感器應用的運算放大器必須具有低噪聲和抗干擾性能。

 

噪聲相關(guān)定義

 

EMC（電磁兼容性）是指電子設備或系統具有一定抵抗電磁干擾的能力，同時(shí)不能產(chǎn)生過(guò)量的電磁輻射。

 

電磁兼容性的內涵

 

4、怎樣才能實(shí)現低噪聲性能？

 

首先，運算放大器內部噪聲大致可分為由工藝結構造成的閃爍噪聲，以及由電路設計產(chǎn)生的熱噪聲。為了降低整體噪聲，通過(guò)改善工藝及電路設計，可以降低兩方面的噪聲成分，實(shí)現整體上的超低噪聲。

 

通過(guò)全面優(yōu)化電路、布局和元件尺寸等，可使抗EMI性能得到顯著(zhù)提升。有三種方法：首先，通過(guò)在所需位置嵌入噪聲控制電路提高抗干擾性能；第二，在有噪聲的線(xiàn)路周?chē)O置屏蔽結構，改善布線(xiàn)干擾并調整內部模擬內核的阻抗；第三，著(zhù)眼于寄生電容大時(shí)抗噪性能強的事實(shí)，選擇更合適寄生電容的工藝和元件尺寸。這三點(diǎn)都做好了，整個(gè)芯片的抗噪能力就非常強了。

 

全面優(yōu)化整體噪聲

 

5、從解決電磁輻射入手消除噪聲

 

影響運算放大器精度的參數包括輸入偏置電流、輸入失調電壓以及等效輸入噪聲電壓。通過(guò)優(yōu)化這些參數，可以提高傳感器系統的精度。

 

針對上述挑戰，羅姆從2017年開(kāi)始開(kāi)發(fā)抗EMI性能非常出色的EMARMOUR™（EM——電磁輻射，ARMOUR——鎧甲）系列運算放大器產(chǎn)品。其開(kāi)發(fā)初衷是為了無(wú)需采取特別措施也可防止產(chǎn)品因噪聲干擾而誤動(dòng)作。2018年，該系列的雙極型產(chǎn)品面世，共有四款，有助于減輕客戶(hù)降噪設計負擔，在車(chē)載市場(chǎng)獲得了高度好評。

 

正因為有了“鎧甲”，2020年，羅姆的運算放大器和比較器產(chǎn)品出貨量出貨量超過(guò)了5億顆，其中工業(yè)部分占12%，車(chē)載部分高達25%。

 

EMARMOUR™ 品牌產(chǎn)品融合了電路設計技術(shù)、布局技術(shù)、工藝技術(shù)優(yōu)勢，針對ISO 11452-2國際抗擾度評估測試，實(shí)現了整個(gè)噪聲頻段輸出電壓波動(dòng)非常小的出色抗干擾性能，有助于解決系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中的噪聲干擾問(wèn)題，從而減少設計工時(shí)并提高系統可靠性。

 

提高系統可靠性

 

羅姆推出的在國際通行的4種抗擾度評估測試中均實(shí)現超強抗干擾性能的CMOS（互補金屬氧化物半導體）運算放大器BD87581YG-C（單通道）和BD87582YFVM-C（雙通道），其偏置電流、轉換速率都比上一代雙極型產(chǎn)品有較大提高。

 

例如，在主機廠(chǎng)實(shí)施的電子輻射抗擾度測試ISO 11452-2中，在整個(gè)噪聲頻段內，普通產(chǎn)品的輸出電壓波動(dòng)達±300mV以上，而新產(chǎn)品僅在±10mV以?xún)龋ㄆ胀óa(chǎn)品的1/30）。因此，將新產(chǎn)品配置在傳感器等部件后端時(shí)，利用CMOS元件結構可實(shí)現快速且精準的信號放大，完全不受外部噪聲的影響，有助于簡(jiǎn)化各種異常檢測系統的設計，提高其可靠性。

 

新產(chǎn)品在以下三個(gè)方面解決了普通產(chǎn)品面臨的問(wèn)題：

 

第一，傳感器應用中的輸入電壓非常微弱，由于抗干擾性能低，普通運放產(chǎn)品會(huì )受到外部噪聲影響而發(fā)生誤動(dòng)作，使MCU接收到錯誤信號導致工作異常。使用抗EMI性能出色的EMARMOURTM 系列產(chǎn)品不容易受外部噪聲干擾。

 

避免外部噪聲干擾

 

第二，從汽車(chē)電子整體設計流程看，使用普通運放都要對系統整體噪聲進(jìn)行評估，且一般是要等到DEMO板出來(lái)以后才能做整體評估，如果噪聲測試結果NG，就要花更多工時(shí)來(lái)降低噪聲，甚至要在設計前期追加對策，增加整體設計工時(shí)。EMARMOURTM 系列產(chǎn)品抗噪能力強，能夠有效減輕降噪設計負擔，幫助客戶(hù)減少系統設計工時(shí)和成本，在整體交付周期較短的設計中，也可以做到快速響應。

 

第三，作為降低外部噪聲干擾的措施，普通運放本身輸入、輸出端需要追加濾波器件，最簡(jiǎn)單的是RC濾波，就是每個(gè)端口加電阻和電容。使用EMARMOURTM 系列產(chǎn)品無(wú)需任何濾波對策就可實(shí)現出色的降噪水平。簡(jiǎn)單講，使用四通道產(chǎn)品可削減多達18個(gè)外圍元器件，有效節省客戶(hù)元器件成本及布板成本。

 

新系列產(chǎn)品符合AEC-Q100標準，其應用包括：EV/HEV車(chē)載逆變器、引擎控制單元、eCall（車(chē)輛緊急呼叫系統）、汽車(chē)導航系統、汽車(chē)空調等；工業(yè)設備（FA設備）、計量?jì)x器、測量設備、伺服系統、各種傳感器系統等對電子電路降噪要求高的各類(lèi)車(chē)載和工業(yè)設備。

 

6、運放和比較器提升智能駕駛附加值

 

意法半導體（ST）的運算放大器和比較器陣容豐富，旨在利用各種車(chē)用器件提升智能駕駛的附加值。其汽車(chē)級產(chǎn)品可滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)對超高可靠性和質(zhì)量的要求，包括：AEC-Q100和Q101、TS-16949、PPAP（生產(chǎn)件批準程序）可用性、Q002 EWS統計量產(chǎn)分析指南（SYA）和器件平均測試（PAT）指南等。后端（封裝和測試）階段100%熱試驗超過(guò)了AEC-Q100標準的特定篩選和試驗方法。

 

提升智能駕駛附加值的運放和比較器

 

這些產(chǎn)品可在-40至150℃的極端溫度范圍安全運行，適用于發(fā)動(dòng)機控制、變速箱模塊和安全關(guān)鍵系統；而且可以方便快捷地將模擬產(chǎn)品集成到信號調節、監控和控制解決方案中。作為微控制器和模擬傳感器的完美配套芯片，其運算放大器有助于增強信號鏈能力。針對車(chē)輛有限空間優(yōu)化的解決方案采用微型DFN、QFN、SC-70和6-Bump CSP等封裝，節省占用空間。

 

這些產(chǎn)品應用范圍廣泛，包括音頻緩沖、溫度測量、前照燈調平、雨水和光線(xiàn)傳感器、電動(dòng)座椅電機電流控制、踏板角度測量、ADAS等。

 

以前照燈調平36V TSB572為例，來(lái)看看這款運算放大器的功能。車(chē)輛輪胎氣壓、裝載質(zhì)量或道路條件都會(huì )使車(chē)輛俯仰角發(fā)生變化，直接影響前照燈的照射角度；隨著(zhù)前照燈功率的增加，調平變得越來(lái)越重要，以防止其他駕駛員眩目。

 

TSB572可以調整和補償車(chē)輛俯仰角，利用ECU提供的與所需前照燈角度成比例的PWM信號，第一個(gè)運放用作電平移位器，第二個(gè)運放用作低通濾波器，以便向執行器提供與蓄電池電壓成比例的控制電壓信號。其特點(diǎn)是不需要使用拋負載（load dump）箝位，采用軌對軌輸入/輸出級（輸入和輸出電壓擺幅非常接近），不需要電荷泵電路。電荷泵有其自身缺點(diǎn)，電路結構不同，會(huì )有以下三種情況：一是使用耐壓較低的電容，缺點(diǎn)是紋波噪聲大；如果要降低紋波噪聲，就要使用高耐壓電容，電容的電壓應力會(huì )隨之增加；三是平衡一和二，缺點(diǎn)是電路復雜。后兩種方案的成本也會(huì )相應增加。

 

簡(jiǎn)化噪聲處理的前照燈調平方案

 

另外，TSB572是一個(gè)40V BiCMOS制造工藝的運算放大器，采用DFN8封裝。CMOS晶體管只有在切換狀態(tài)時(shí)才會(huì )消耗電流，因此屬于低功耗器件。而B(niǎo)iCMOS是在同一器件中同時(shí)結合了雙極（Bipolar）和CMOS工藝?；谶@項技術(shù)的運算放大器具有優(yōu)異的GBW/Icc能效，電源電流-性能比是市場(chǎng)上標準運算放大器的五分之一。此外，低輸入失調電壓和低于6µV/℃的溫度漂移有助于簡(jiǎn)化系統設計，無(wú)需微調或校準，確保在額定溫度范圍內性能穩定。

 

通常情況下，帶寬越寬抗噪聲能力越強。當系統接收到噪聲信號時(shí)，可通過(guò)擴展帶寬把噪聲能量平均到整個(gè)帶寬上，從而降低單位帶寬上的噪聲能量。TSB572配備軌對軌輸入輸出，增益帶寬積（GBW，評價(jià)放大器性能的指標）為2.5MHz，最大輸入失調電壓1.5mV。器件在容性負載時(shí)工作穩定，相位反轉保護功能優(yōu)異。4.0V至36V的寬電源電壓可以使用各種電源獲得額定參數。

 

順便說(shuō)一下ST的比較器。軌對軌輸入1.8V高速比較器TS3021H也是-40至150℃寬溫范圍，傳播延遲38ns，具有高速響應時(shí)間。當電源電壓在2V到5V時(shí)，比較器可以在很寬的溫度范圍內工作。TS3021H的微功耗低至73μA，從而具有功耗電流與響應時(shí)間的極佳之比，滿(mǎn)足汽車(chē)應用要求。

 

TS3021H原理圖

 

7、運算放大器和比較器助力傳感器智能

 

時(shí)下，傳感器已成為現代汽車(chē)的核心元件，車(chē)輛中的傳感器比比皆是。車(chē)輛的的動(dòng)力性能、操控性能、安全性能和舒適性能等各個(gè)方面的改進(jìn)和提高，都將依賴(lài)于各種傳感器。而讓傳感器變得更加智能，真正發(fā)揮作用還要靠其后端的運算放大器和比較器，可以這樣將，其數量和種類(lèi)將伴隨傳感器與日俱增。