【導(dǎo)讀】近年來，隨著電動汽車的智能化和ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）的普及，傳感器的應(yīng)用越來越廣，噪聲環(huán)境也變得越來越嚴(yán)峻。傳感器的微弱環(huán)境信號需要通過運(yùn)算放大器和比較器轉(zhuǎn)換為電氣信號，才能送到微控制器（MCU）進(jìn)行計(jì)算，所以運(yùn)算放大器和比較器的作用越來越重要。
導(dǎo)讀
近年來，隨著電動汽車的智能化和ADAS（高級駕駛員輔助系統(tǒng)）的普及，傳感器的應(yīng)用越來越廣，噪聲環(huán)境也變得越來越嚴(yán)峻。傳感器的微弱環(huán)境信號需要通過運(yùn)算放大器和比較器轉(zhuǎn)換為電氣信號，才能送到微控制器（MCU）進(jìn)行計(jì)算，所以運(yùn)算放大器和比較器的作用越來越重要。
問題在于，通常在汽車開發(fā)中，很難對電路板和系統(tǒng)單體做噪聲評估，一般需要在系統(tǒng)組裝后再評估，一旦評估結(jié)果NG（不通過），就需要大規(guī)模修改，因此降噪設(shè)計(jì)一直是一個(gè)棘手的課題。
1、運(yùn)算放大器和比較器與傳感器
運(yùn)算放大器簡稱“運(yùn)放”，是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實(shí)際電路中，通常結(jié)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(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果。
比較器是將模擬電壓信號與基準(zhǔn)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(shù)字（High/Low）信號。
傳感器信號必經(jīng)運(yùn)算放大器和比較器
傳感器接收的信號要通過兩種方式傳輸?shù)組CU實(shí)現(xiàn)控制。第一種是經(jīng)運(yùn)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?shù)組CU；第二種是通過比較器設(shè)定的閾值來判斷傳感器信號的高低，然后傳輸給MCU。
車載運(yùn)算放大器應(yīng)用示例
可以看到，不同的傳感器后面都需要用運(yùn)算放大器及比較器進(jìn)行信號處理，最后傳輸給控制單元，再通過控制單元來控制車輛的各種模塊。有多少傳感器，就需要有多少運(yùn)算放大器和比較器，所以說其數(shù)量在與日俱增。
在車載應(yīng)用案例中，不同模塊會用到不同的運(yùn)算放大器或比較器。隨著ADAS和智能駕駛的發(fā)展，車輛中越來越多的場合都會用到運(yùn)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(zhuǎn)換為電信號，最終由MCU判斷信號做出動作，就要求運(yùn)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的信號是可靠和可以利用的。
運(yùn)算放大器是提高感測精度的關(guān)鍵
3、噪聲也會影響感測精度
另一個(gè)影響傳感器系統(tǒng)精度的因素是噪聲，它主要來自兩個(gè)方面，第一是EMI（電磁干擾），即IC本身產(chǎn)生的噪聲可能會干擾其他電子設(shè)備，給整個(gè)系統(tǒng)精度帶來誤差。如果IC或系統(tǒng)抗EMI性能較差，當(dāng)周圍產(chǎn)生噪聲干擾時(shí)，元器件或系統(tǒng)就可能產(chǎn)生誤動作，因此需要使用濾波器（電容器、電阻器等）和屏蔽（金屬板）來降低噪聲。第二是EMS（電磁耐受）特性，即芯片本身能夠承受多少來自外部的噪聲干擾。所以，傳感器應(yīng)用的運(yùn)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(shè)備或系統(tǒng)具有一定抵抗電磁干擾的能力，同時(shí)不能產(chǎn)生過量的電磁輻射。
電磁兼容性的內(nèi)涵
4、怎樣才能實(shí)現(xiàn)低噪聲性能？
首先，運(yùn)算放大器內(nèi)部噪聲大致可分為由工藝結(jié)構(gòu)造成的閃爍噪聲，以及由電路設(shè)計(jì)產(chǎn)生的熱噪聲。為了降低整體噪聲，通過改善工藝及電路設(shè)計(jì)，可以降低兩方面的噪聲成分，實(shí)現(xiàn)整體上的超低噪聲。
通過全面優(yōu)化電路、布局和元件尺寸等，可使抗EMI性能得到顯著提升。有三種方法：首先，通過在所需位置嵌入噪聲控制電路提高抗干擾性能；第二，在有噪聲的線路周圍設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)，改善布線干擾并調(diào)整內(nèi)部模擬內(nèi)核的阻抗；第三，著眼于寄生電容大時(shí)抗噪性能強(qiáng)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(qiáng)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(yùn)算放大器精度的參數(shù)包括輸入偏置電流、輸入失調(diào)電壓以及等效輸入噪聲電壓。通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以提高傳感器系統(tǒng)的精度。
針對上述挑戰(zhàn)，羅姆從2017年開始開發(fā)抗EMI性能非常出色的EMARMOUR™（EM——電磁輻射，ARMOUR——鎧甲）系列運(yùn)算放大器產(chǎn)品。其開發(fā)初衷是為了無需采取特別措施也可防止產(chǎn)品因噪聲干擾而誤動作。2018年，該系列的雙極型產(chǎn)品面世，共有四款，有助于減輕客戶降噪設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，在車載市場獲得了高度好評。
正因?yàn)橛辛?ldquo;鎧甲”，2020年，羅姆的運(yùn)算放大器和比較器產(chǎn)品出貨量出貨量超過了5億顆，其中工業(yè)部分占12%，車載部分高達(dá)25%。
EMARMOUR™ 品牌產(chǎn)品融合了電路設(shè)計(jì)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(xiàn)了整個(gè)噪聲頻段輸出電壓波動非常小的出色抗干擾性能，有助于解決系統(tǒng)開發(fā)過程中的噪聲干擾問題，從而減少設(shè)計(jì)工時(shí)并提高系統(tǒng)可靠性。
提高系統(tǒng)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(xiàn)超強(qiáng)抗干擾性能的CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）運(yùn)算放大器BD87581YG-C（單通道）和BD87582YFVM-C（雙通道），其偏置電流、轉(zhuǎn)換速率都比上一代雙極型產(chǎn)品有較大提高。
例如，在主機(jī)廠實(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(nèi)，普通產(chǎn)品的輸出電壓波動達(dá)±300mV以上，而新產(chǎn)品僅在±10mV以內(nèi)（普通產(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(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)快速且精準(zhǔn)的信號放大，完全不受外部噪聲的影響，有助于簡化各種異常檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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)品面臨的問題：
第一，傳感器應(yīng)用中的輸入電壓非常微弱，由于抗干擾性能低，普通運(yùn)放產(chǎn)品會受到外部噪聲影響而發(fā)生誤動作，使MCU接收到錯(cuò)誤信號導(dǎo)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，從汽車電子整體設(shè)計(jì)流程看，使用普通運(yùn)放都要對系統(tǒng)整體噪聲進(jìn)行評估，且一般是要等到DEMO板出來以后才能做整體評估，如果噪聲測試結(jié)果NG，就要花更多工時(shí)來降低噪聲，甚至要在設(shè)計(jì)前期追加對策，增加整體設(shè)計(jì)工時(shí)。EMARMOURTM 系列產(chǎn)品抗噪能力強(qiáng)，能夠有效減輕降噪設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，幫助客戶減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)工時(shí)和成本，在整體交付周期較短的設(shè)計(jì)中，也可以做到快速響應(yīng)。
第三，作為降低外部噪聲干擾的措施，普通運(yùn)放本身輸入、輸出端需要追加濾波器件，最簡單的是RC濾波，就是每個(gè)端口加電阻和電容。使用EMARMOURTM 系列產(chǎn)品無需任何濾波對策就可實(shí)現(xiàn)出色的降噪水平。簡單講，使用四通道產(chǎn)品可削減多達(dá)18個(gè)外圍元器件，有效節(jié)省客戶元器件成本及布板成本。
新系列產(chǎn)品符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用包括：EV/HEV車載逆變器、引擎控制單元、eCall（車輛緊急呼叫系統(tǒng)）、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車空調(diào)等；工業(yè)設(shè)備（FA設(shè)備）、計(jì)量儀器、測量設(shè)備、伺服系統(tǒng)、各種傳感器系統(tǒng)等對電子電路降噪要求高的各類車載和工業(yè)設(shè)備。
6、運(yùn)放和比較器提升智能駕駛附加值
意法半導(dǎo)體（ST）的運(yùn)算放大器和比較器陣容豐富，旨在利用各種車用器件提升智能駕駛的附加值。其汽車級產(chǎn)品可滿足汽車市場對超高可靠性和質(zhì)量的要求，包括：AEC-Q100和Q101、TS-16949、PPAP（生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序）可用性、Q002 EWS統(tǒng)計(jì)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(yàn)超過了AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的特定篩選和試驗(yàn)方法。
提升智能駕駛附加值的運(yùn)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(yùn)行，適用于發(fā)動機(jī)控制、變速箱模塊和安全關(guān)鍵系統(tǒng)；而且可以方便快捷地將模擬產(chǎn)品集成到信號調(diào)節(jié)、監(jiān)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(yùn)算放大器有助于增強(qiáng)信號鏈能力。針對車輛有限空間優(yōu)化的解決方案采用微型DFN、QFN、SC-70和6-Bump CSP等封裝，節(jié)省占用空間。
這些產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣泛，包括音頻緩沖、溫度測量、前照燈調(diào)平、雨水和光線傳感器、電動座椅電機(jī)電流控制、踏板角度測量、ADAS等。
以前照燈調(diào)平36V TSB572為例，來看看這款運(yùn)算放大器的功能。車輛輪胎氣壓、裝載質(zhì)量或道路條件都會使車輛俯仰角發(fā)生變化，直接影響前照燈的照射角度；隨著前照燈功率的增加，調(diào)平變得越來越重要，以防止其他駕駛員眩目。
TSB572可以調(diào)整和補(bǔ)償車輛俯仰角，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(yùn)放用作電平移位器，第二個(gè)運(yùn)放用作低通濾波器，以便向執(zhí)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(fù)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(jié)構(gòu)不同，會有以下三種情況：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(yīng)力會隨之增加；三是平衡一和二，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜。后兩種方案的成本也會相應(yīng)增加。
簡化噪聲處理的前照燈調(diào)平方案
另外，TSB572是一個(gè)40V BiCMOS制造工藝的運(yùn)算放大器，采用DFN8封裝。CMOS晶體管只有在切換狀態(tài)時(shí)才會消耗電流，因此屬于低功耗器件。而BiCMOS是在同一器件中同時(shí)結(jié)合了雙極（Bipolar）和CMOS工藝。基于這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)算放大器具有優(yōu)異的GBW/Icc能效，電源電流-性能比是市場上標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器的五分之一。此外，低輸入失調(diào)電壓和低于6µV/℃的溫度漂移有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，無需微調(diào)或校準(zhǔn)，確保在額定溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定。
通常情況下，帶寬越寬抗噪聲能力越強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)接收到噪聲信號時(shí)，可通過擴(kuò)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(biāo)）為2.5MHz，最大輸入失調(diào)電壓1.5mV。器件在容性負(fù)載時(shí)工作穩(wěn)定，相位反轉(zhuǎn)保護(hù)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(shù)。
順便說一下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(yīng)時(shí)間。當(dāng)電源電壓在2V到5V時(shí)，比較器可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作。TS3021H的微功耗低至73μA，從而具有功耗電流與響應(yīng)時(shí)間的極佳之比，滿足汽車應(yīng)用要求。
TS3021H原理圖
7、運(yùn)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(xiàn)代汽車的核心元件，車輛中的傳感器比比皆是。車輛的的動力性能、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(yùn)算放大器和比較器，可以這樣將，其數(shù)量和種類將伴隨傳感器與日俱增。
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