如何提高模擬傳感器和信號性能

決定如何提高性能是一項標準設(shè)計挑戰(zhàn)，尤其是在涉及模擬傳感器和信號通道時。三種常用的方法包括：

使用更好的組件來降低漂移、容差、偏置電流或噪聲以及更高的帶寬和更多的驅(qū)動。

采用電路拓撲結(jié)構(gòu)，如橋接或差分設(shè)計，消除部分或大部分錯誤，或控制一些導(dǎo)致錯誤的因素，如溫度。

校準傳感器或電路并使用結(jié)果來改進（通常是線性化）模擬方案中的信號或作為數(shù)據(jù)縮減期間的校正因子。

這些技術(shù)，尤其是前兩種技術(shù)，被已故的 Jim Williams 和 Bob Pease 在他們的設(shè)計和相關(guān)文章中廣泛采用。一個很好的例子，參見 Jim 1976 年的經(jīng)典EDN文章“這個 30 ppm 的比例證明模擬設(shè)計還沒有死”；盡管它已經(jīng)有將近 50 年的歷史，但它仍然有很多重要的經(jīng)驗教訓(xùn)（圖 1）。

圖 1 Jim Williams關(guān)于高精度、超穩(wěn)定稱重秤的設(shè)計和誤差最小化的EDN文章的第一頁清楚地表明，它實現(xiàn)了 30 ppm 絕對精度 （0.02%） 的性能，并且無需在場地。

還有另一種提高性能的方法：添加某種主動消除電路來消除違規(guī)行為。當然，這并不是什么新鮮事，因為它多年來一直用于各種應(yīng)用，例如降噪耳機或用于在敏感光學平臺中最小化振動的主動阻尼（圖 2）。

圖 2光學平臺的主動振動控制系統(tǒng)使用并聯(lián)或串聯(lián)的支撐彈簧和消除致動器來衰減由靜態(tài)隔離裝置消除的較大振動的殘余。資料來源：TMC/AMETEK Ultra Precision Technologies

近年來，用于提高性能的主動方法和相關(guān)電路的使用有所增加，現(xiàn)在涵蓋了以前由被動方法處理的情況。德州儀器 （TI） 最近的一篇博客“如何使用集成有源 EMI 濾波器降低 EMI 和縮小電源尺寸”展示了如何解決開關(guān)電源的噪聲問題。請注意，此任務(wù)已被簡化，因為此噪聲的關(guān)鍵屬性——它的頻率——是已知的。

當然，在許多情況下，噪聲和其他誤差源的屬性是未知的，但仍然值得嘗試使用有源方案進行衰減。這樣做聽起來可能是個好主意——而且確實可以——但動態(tài)補償和校正方案的實施很復(fù)雜，并且有許多微妙之處。與所有閉環(huán)情況一樣，某些反饋環(huán)類型和參數(shù)（例如時間常數(shù)）充其量只會導(dǎo)致微小的改進，甚至會導(dǎo)致性能下降。

再者，還有環(huán)路飽和等問題需要分析和處理，所以可以說解決方案不會爆。最后，添加傳感器和其他閉環(huán)組件會產(chǎn)生成本和空間影響，盡管這些影響可能不如使用復(fù)雜的機械減振方案嚴重。

我認為我們會看到更多這樣的先進方法，包括動態(tài)閉環(huán)補償，因為成本和功耗方面的成本和所需硬件的尺寸會下降，同時它們會顯著提高整體性能。盡管如此，如果不仔細分析它需要什么、可能產(chǎn)生什么以及可能出現(xiàn)什么問題，它就不是一種可以實施的方法。

我的一般感覺是，當面臨解決嚴重問題的挑戰(zhàn)時，這些基于傳感器的主動補償方案特別有效且可行。例如，聲學降噪耳機和系統(tǒng)就是這種情況，其目標不是完全消除外部噪音，這是無法做到的，也根本沒有必要這樣做，而只是將其衰減可能20 到 40 分貝。

相比之下，如果您使用閉環(huán)方案從非常非常好的性能變?yōu)檎嬲錾男阅埽敲磾D出最后一滴可能會成為一個挑戰(zhàn)。改進方案也可能帶來許多不利因素，其中一些是您可以預(yù)料到的，有些是您可能無法預(yù)見的。換句話說，使用取消來達到 80% 或 90% 是一回事，而從 98% 到 99.99% 則更具挑戰(zhàn)性，并且容易出現(xiàn)意外驚喜，而且成本更高。