用运算放大器将传感器连接系统的其余部分
作者：Stefan Klein，应用和技术解决方案中心现场应用工程师，ROHM Semiconductor Europe
 
许多行业对测量和控制仪表或管理小信号的传感技术要求越来越高。需要运算放大器将传感器连接到系统的其余部分。
然而，今天的系统具有更高的组件密度，导致噪声级增加。安装防噪声措施以防止管理小信号的设备出现故障是一项重大挑战。由于很难验证抗噪特性的设计，设计、装配和评估的周期通常会重复多次。
 
运算放大器
运算放大器将微弱的传感器信号输出放大到A/D转换器以识别电压水平。微控制器（MCU）根据运算放大器（和比较器）的输出信号控制电路。在电压放大过程中，重点是运算放大器本身的噪声规格。当外部噪声耦合到传感器输出或运算放大器的信号路径上时，如果运算放大器的抗扰度不够高，则噪声会被直接放大（图1）。因此，MCU可能出现错误识别或故障，从而导致系统故障。
 

图1：运算放大器的EMI抗扰度影响系统运行
 
随着PCB密度的增加，运算放大器更容易受到周围电气系统外部噪声的影响。因此，有一种趋势是电子元件具有更高的抗噪性，特别是对于要求高可靠性的电子控制单元（ECU）或逆变器。
 
噪声对策
对于噪声对策而言，重要的是电子元件不会干扰设备的其他部件，并保持其原始性能，即使其他设备会干扰它们。这两种特性在对抗噪声时应兼容，它们被称为EMC（电磁兼容性）。EMC可分为EMI和EMS。EMI（电磁干扰）表示含有半导体的电子设备发出的电磁波对其他部件或设备的影响程度。EMS（电磁磁化率）是外部电磁波（噪声）受外部影响程度的指标。
在采取噪声应对措施时，必须考虑布线的所有组件、电阻、电容和电感，不仅是运算放大器本身，还包括连接到运算放大器的电源和接地迹线。高性能模拟器的开发最近有所进展，但它们仍然不能涵盖详细的特性，包括每个过程特有的寄生电容和电感。抗噪强度最终取决于设计师的知识、经验和直觉。这些因素使得EMC兼容设计更加困难。
为了防止运算放大器在不采取特殊措施的情况下发生故障，ROHM开发了“EMARMOUR^TM”系列运算放大器，该系列运算放大器提高了抗噪性。EMARMOUR^TM产品采用ROHM的垂直集成系统，并在整个噪声频带内以最小的输出电压波动实现抗噪性，这已得到国际噪声评估测试的证实。
2017年，ROHM开发了双极运算放大器，非常适合在恶劣环境中使用汽车传感器的汽车电气系统，如汽车动力传动系和发动机控制单元。现在，ROHM已经将同样的技术应用于CMOS运算放大器，进一步提高了抗噪性。作为EMARMOUR^TM系列运算放大器BD8758xY的一部分开发，新型号在四项国际噪声评估测试（ISO 11452-2无线电波发射测试、ISO 11452-4大电流注入测试、ISO 11452-9近距离天线抗扰度测试和IEC 62132-4直接射频功率注入测试）中取得了改进的性能在RoHC室内进行（图2）。在ISO 11452-2无线电波发射测试中，传统产品的输出电压可以在整个噪声频带上波动±300mV或更高，而ROHM的最新产品实现了噪声抗扰性，将变化限制在±10mV以下。
 

图2：新型CMOS运算放大器BD8758xY四项国际噪声测试评估结果
 
实现高抗电磁干扰模拟IC
在EMARMOUR^TM系列中实现高EMI抗扰度需要集成三种特定的模拟技术：电路设计、布局和工艺技术（图3）。
 

图3：实现高EMI抗扰度模拟IC所需的三种技术
 
首先，在电路设计技术中，RF-IA（射频阻抗调节器）已被开发为抗噪声电路。寄生R、C和L甚至存在于从IC引脚到芯片的布线中。随着频率的增加，存在一个谐振点，其中寄生C和L相互抵消，从而产生最小阻抗（谐振频率）。
由于这种谐振使运算放大器更容易受到外部噪声的影响，因此抗噪性往往会降低。但是，如果安装了滤波电路，运算放大器的原始特性可能会受到干扰。
ROHM的新型RF-IA电路，用于对抗噪声。该电路允许进行最佳阻抗调整，以防止出现噪声峰值，如高频范围内的谐振，如EMC噪声，同时保留运算放大器的原始特性。通过将RF-IA与仅对高频噪声（如EMC噪声）工作的功能结合在一起，可提高抗噪性，并根据需要在整个频带上衰减该功能。
接下来，在版图技术方面，对集成电路内部的芯片版图进行了全面审查。为了提高抗噪性，在受噪声影响的噪声迹线周围扩展屏蔽，同时检查接线之间的干扰。从连接到内部模拟核心的布线阻抗到每一条布线线路，已对布局进行了详细审查。
为了提高抗噪性，运算放大器必须能够抵抗晶体管元件级的噪声。较大的寄生电容会导致较高的抗噪性，ROHM选择了工艺和元件尺寸，以便获得最佳寄生电容。
ROHM采用自己的集成生产系统，从产品规划到电路设计、布局、试用产品评估和测试开发。在密切合作下，在开发过程中对电路设计和元件布局进行了细化，而在制造过程中对寄生电容和元件形状进行了细化。通过在每个过程中重复细致的审查，并优化整合改进措施，ROHM将这三项技术结合起来，开发出具有更好EMI抗扰性的运算放大器。
 
EMARMOUR^TM系列的优势
使用EMARMOUR^TM系列产品可显著减少噪声对策所需的设计资源和时间（图4）。通常，PCB设计按照功能设计、EMC兼容设计、系统组装、系统评估和噪声评估的顺序进行。然而，很难验证噪声设计。即使系统评估结果可接受，噪声评估也可能因运算放大器中的抗扰度不足而失败。这导致重复需要抑制噪声级的设计阶段。
例如，如果在噪声频率范围为200 MHz至1000 MHz的测试中，噪声峰值出现在350 MHz处，则可以添加RC滤波器作为外部电路来抑制峰值，可能使用金属板屏蔽整个IC。然而，即使可以使用外部部件抑制350mhz处的噪声峰值，新峰值也可能出现在完全不同的频带中，例如900 MHz处。因此，可能需要多次重复设计、装配和评估周期。
 

图4：EMARMOUR^TM系列优点：可显著减少噪声对策所需的设计资源
 
使用具有高抗噪性的运算放大器（如EMARMOUR^TM系列）极大地促进了EMC兼容设计。如果噪声评估第一次通过，则无需重新设计。
此外，可以减少用于对抗噪声的外围组件。如果使用通用运算放大器且噪声评估失败，则有必要提高噪声抗扰度，例如，通过在输入和输出中实现RC滤波器。通过使用EMARMOUR^TM系列元件，可以消除用于抵消噪声的RC滤波器，并且可以消除多达18个部件（当使用4通道运算放大器时）。
 
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