【導讀】近年來，隨著電動汽車的智能化和ADAS（高級駕駛員輔助系統）的普及，傳感器的應用越來越廣，噪聲環境也變得越來越嚴峻。傳感器的微弱環境信號需要通過運算放大器和比較器轉換為電氣信號，才能送到微控制器（MCU）進行計算，所以運算放大器和比較器的作用越來越重要。
導讀
近年來，隨著電動汽車的智能化和ADAS（高級駕駛員輔助系統）的普及，傳感器的應用越來越廣，噪聲環境也變得越來越嚴峻。傳感器的微弱環境信號需要通過運算放大器和比較器轉換為電氣信號，才能送到微控制器（MCU）進行計算，所以運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），就需要大規模修改，因此降噪設計一直是一個棘手的課題。
1、運算放大器和比較器與傳感器
運算放大器簡稱“運放”，是具有很高放大倍數的電路單元。在實際電路中，通常結合反饋網絡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、積分等數學運算結果。
比較器是將模擬電壓信號與基準電壓進行比較的電路，可以對傳感器的輸出信號等進行閾值判斷，輸出數字（High/Low）信號。
傳感器信號必經運算放大器和比較器
傳感器接收的信號要通過兩種方式傳輸到MCU實現控制。第一種是經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；第二種是通過比較器設定的閾值來判斷傳感器信號的高低，然后傳輸給MCU。
車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，就需要有多少運算放大器和比較器，所以說其數量在與日俱增。
在車載應用案例中，不同模塊會用到不同的運算放大器或比較器。隨著ADAS和智能駕駛的發展，車輛中越來越多的場合都會用到運放或比較器。
2、高精度、低誤差才好用
既然傳感器是將微弱環境變化信號轉換為電信號，最終由MCU判斷信號做出動作，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鍵
3、噪聲也會影響感測精度
另一個影響傳感器系統精度的因素是噪聲，它主要來自兩個方面，第一是EMI（電磁干擾），即IC本身產生的噪聲可能會干擾其他電子設備，給整個系統精度帶來誤差。如果IC或系統抗EMI性能較差，當周圍產生噪聲干擾時，元器件或系統就可能產生誤動作，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，傳感器應用的運算放大器必須具有低噪聲和抗干擾性能。
噪聲相關定義
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，同時不能產生過量的電磁輻射。
電磁兼容性的內涵
4、怎樣才能實現低噪聲性能？
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，以及由電路設計產生的熱噪聲。為了降低整體噪聲，通過改善工藝及電路設計，可以降低兩方面的噪聲成分，實現整體上的超低噪聲。
通過全面優化電路、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置屏蔽結構，改善布線干擾并調整內部模擬內核的阻抗；第三，著眼于寄生電容大時抗噪性能強的事實，選擇更合適寄生電容的工藝和元件尺寸。這三點都做好了，整個芯片的抗噪能力就非常強了。
全面優化整體噪聲
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。通過優化這些參數，可以提高傳感器系統的精度。
針對上述挑戰，羅姆從2017年開始開發抗EMI性能非常出色的EMARMOUR™（EM——電磁輻射，ARMOUR——鎧甲）系列運算放大器產品。其開發初衷是為了無需采取特別措施也可防止產品因噪聲干擾而誤動作。2018年，該系列的雙極型產品面世，共有四款，有助于減輕客戶降噪設計負擔，在車載市場獲得了高度好評。
正因為有了“鎧甲”，2020年，羅姆的運算放大器和比較器產品出貨量出貨量超過了5億顆，其中工業部分占12%，車載部分高達25%。
EMARMOUR™ 品牌產品融合了電路設計技術、布局技術、工藝技術優勢，針對ISO 11452-2國際抗擾度評估測試，實現了整個噪聲頻段輸出電壓波動非常小的出色抗干擾性能，有助于解決系統開發過程中的噪聲干擾問題，從而減少設計工時并提高系統可靠性。
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品有較大提高。
例如，在主機廠實施的電子輻射抗擾度測試ISO 11452-2中，在整個噪聲頻段內，普通產品的輸出電壓波動達±300mV以上，而新產品僅在±10mV以內（普通產品的1/30）。因此，將新產品配置在傳感器等部件后端時，利用CMOS元件結構可實現快速且精準的信號放大，完全不受外部噪聲的影響，有助于簡化各種異常檢測系統的設計，提高其可靠性。
新產品在以下三個方面解決了普通產品面臨的問題：
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，普通運放產品會受到外部噪聲影響而發生誤動作，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，從汽車電子整體設計流程看，使用普通運放都要對系統整體噪聲進行評估，且一般是要等到DEMO板出來以后才能做整體評估，如果噪聲測試結果NG，就要花更多工時來降低噪聲，甚至要在設計前期追加對策，增加整體設計工時。EMARMOURTM 系列產品抗噪能力強，能夠有效減輕降噪設計負擔，幫助客戶減少系統設計工時和成本，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，最簡單的是RC濾波，就是每個端口加電阻和電容。使用EMARMOURTM 系列產品無需任何濾波對策就可實現出色的降噪水平。簡單講，使用四通道產品可削減多達18個外圍元器件，有效節省客戶元器件成本及布板成本。
新系列產品符合AEC-Q100標準，其應用包括：EV/HEV車載逆變器、引擎控制單元、eCall（車輛緊急呼叫系統）、汽車導航系統、汽車空調等；工業設備（FA設備）、計量儀器、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車載和工業設備。
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，旨在利用各種車用器件提升智能駕駛的附加值。其汽車級產品可滿足汽車市場對超高可靠性和質量的要求，包括：AEC-Q100和Q101、TS-16949、PPAP（生產件批準程序）可用性、Q002 EWS統計量產分析指南（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
這些產品可在-40至150℃的極端溫度范圍安全運行，適用于發動機控制、變速箱模塊和安全關鍵系統；而且可以方便快捷地將模擬產品集成到信號調節、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。針對車輛有限空間優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、雨水和光線傳感器、電動座椅電機電流控制、踏板角度測量、ADAS等。
以前照燈調平36V TSB572為例，來看看這款運算放大器的功能。車輛輪胎氣壓、裝載質量或道路條件都會使車輛俯仰角發生變化，直接影響前照燈的照射角度；隨著前照燈功率的增加，調平變得越來越重要，以防止其他駕駛員眩目。
TSB572可以調整和補償車輛俯仰角，利用ECU提供的與所需前照燈角度成比例的PWM信號，第一個運放用作電平移位器，第二個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，電路結構不同，會有以下三種情況：一是使用耐壓較低的電容，缺點是紋波噪聲大；如果要降低紋波噪聲，就要使用高耐壓電容，電容的電壓應力會隨之增加；三是平衡一和二，缺點是電路復雜。后兩種方案的成本也會相應增加。
簡化噪聲處理的前照燈調平方案
另外，TSB572是一個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時才會消耗電流，因此屬于低功耗器件。而BiCMOS是在同一器件中同時結合了雙極（Bipolar）和CMOS工藝。基于這項技術的運算放大器具有優異的GBW/Icc能效，電源電流-性能比是市場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化系統設計，無需微調或校準，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，可通過擴展帶寬把噪聲能量平均到整個帶寬上，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。器件在容性負載時工作穩定，相位反轉保護功能優異。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，具有高速響應時間。當電源電壓在2V到5V時，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間的極佳之比，滿足汽車應用要求。
TS3021H原理圖
7、運算放大器和比較器助力傳感器智能
時下，傳感器已成為現代汽車的核心元件，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方面的改進和提高，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，其數量和種類將伴隨傳感器與日俱增。
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