德州儀器以低噪聲技術(shù)協(xié)調(diào)電源和信號(hào)完整性

2004 年夏天，一次標(biāo)準(zhǔn)超聲波檢查顯示 Steve Schnier 夫婦即將迎來(lái)一對(duì)雙胞胎。但在幾周后進(jìn)行的另一次超聲波檢查中，他們驚奇地發(fā)現(xiàn)這次顯示的是三胞胎。

Steve 作為德州儀器開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器事業(yè)部的系統(tǒng)工程師，懷疑很可能是不必要的噪聲或超聲波系統(tǒng)中的信號(hào)干擾，導(dǎo)致了這種異常情況。

Steve 表示：“在我開(kāi)始從事醫(yī)療成像器件和無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的相關(guān)工作之前，我從來(lái)沒(méi)有真正意識(shí)到這一點(diǎn)。在這些領(lǐng)域中，噪聲是個(gè)大問(wèn)題?！爆F(xiàn)在他的三胞胎已經(jīng)長(zhǎng)大成人，正在準(zhǔn)備考大學(xué)。

距離 Steve 遇到超聲波檢查異常已經(jīng)過(guò)去將近 20 年。在這些年里，技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步。不過(guò)，探尋降低系統(tǒng)噪聲并提高信號(hào)質(zhì)量來(lái)實(shí)現(xiàn)精密信號(hào)鏈的方法，仍是眾多行業(yè)的設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)。

了解噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的不良影響

在復(fù)雜電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有噪聲是理想狀態(tài)，但卻難以實(shí)現(xiàn)。噪聲是所有元件均會(huì)產(chǎn)生的電氣產(chǎn)物，可能有多個(gè)來(lái)源，其中包括電磁干擾 (EMI)和熱源。噪聲會(huì)破壞信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)失真，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差、錯(cuò)誤計(jì)算或錯(cuò)誤解讀，最終影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。

噪聲還會(huì)使電子系統(tǒng)變得更易受到溫度波動(dòng)和電壓變化等外部因素的影響。這些外部因素可以進(jìn)一步放大噪聲，增加額外的誤差。

在諸如醫(yī)療成像設(shè)備等敏感系統(tǒng)中，過(guò)多噪聲會(huì)導(dǎo)致圖像模糊或可能導(dǎo)致圖像不準(zhǔn)確。此外，噪聲還會(huì)對(duì)測(cè)試和測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確度和精度產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致出現(xiàn)不準(zhǔn)確的結(jié)果。

打造具有高精度的電動(dòng)汽車

噪聲挑戰(zhàn)對(duì)于設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車 (EV)的汽車工程師或開(kāi)發(fā)自主駕駛系統(tǒng)（精密信號(hào)對(duì)于安全和性能至關(guān)重要）的汽車工程師尤為重要。

德州儀器應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室 “基爾比實(shí)驗(yàn)室” 電源管理研發(fā)總監(jiān) Jeff Morroni 表示：“在電動(dòng)汽車中，用于實(shí)現(xiàn)安全或泊車功能的敏感系統(tǒng)容易受到過(guò)多噪聲的影響，且這些系統(tǒng)與產(chǎn)生噪音的大功率組件距離很近。這正是我們的低噪聲和高精度技術(shù)試圖解決的問(wèn)題。

敏感系統(tǒng)需要足夠穩(wěn)健才能耐受由熱源和物理應(yīng)力產(chǎn)生的噪聲。汽車遇到減速帶時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力便足以影響信號(hào)精度。噪聲可影響自主駕駛系統(tǒng)的運(yùn)行，而光檢測(cè)和測(cè)距（激光雷達(dá)）系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)“重影”問(wèn)題，即產(chǎn)生錯(cuò)誤或者誤導(dǎo)性信號(hào)或圖像。同時(shí)，為電動(dòng)汽車變革提供助力的鋰離子電池也會(huì)變得不穩(wěn)定，并在過(guò)熱的情況下帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。

在信號(hào)傳輸和調(diào)理鏈中使用的電源管理設(shè)備可以很大限度地減少失真和降低噪聲，因此對(duì)于實(shí)現(xiàn)清晰的信號(hào)至關(guān)重要。這些電源器件還可以為時(shí)鐘 IC 以及精密 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）供電，實(shí)現(xiàn)完整的低噪聲和高精度信號(hào)鏈。

降低噪聲的一個(gè)更具體的好處是可以延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。開(kāi)發(fā)人員測(cè)量電動(dòng)汽車電池的電壓信號(hào)越準(zhǔn)確，電動(dòng)汽車單次充電的行駛里程越長(zhǎng)。測(cè)量精度達(dá)到毫伏（千分之一伏）的高精度電池監(jiān)控器和平衡器，例如德州儀器的 BQ79718-Q1，可顯著延長(zhǎng)續(xù)航里程。

Jeff 表示：“我們討論的延長(zhǎng)范圍是 10% 至 15%，這個(gè)范圍僅通過(guò)更準(zhǔn)確的電壓測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)。這直接降低了電池成本，滿足了客戶的價(jià)值主張。”

借助低噪聲技術(shù)縮短設(shè)計(jì)時(shí)間并降低成本

要更大程度地降低噪聲，需要審視信號(hào)鏈中的每一環(huán)。半導(dǎo)體本身會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響其他元件的性能。不過(guò)，可以使用無(wú)源濾波、控制技術(shù)和其他獨(dú)特的工藝技術(shù)將這種噪聲 “消除”。此外，低噪聲低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、降壓轉(zhuǎn)換器和電壓基準(zhǔn)等電源元件也有助于實(shí)現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲。

數(shù)十年來(lái)，低噪聲 LDO 憑借其易于集成以及可為高度敏感應(yīng)用提供超干凈超精密電源軌的優(yōu)勢(shì)，已成為提供低噪聲電源的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。例如，德州儀器的 TPS7A94 提供市面上的超低輸出噪聲電源、高輸出電壓精度和超高電源抑制比，可生成不影響系統(tǒng)性能的干凈電源軌。

同時(shí)，德州儀器的 TPS62913/2 系列降壓轉(zhuǎn)換器能夠在不需要傳統(tǒng)的 LDO 調(diào)節(jié)電壓的情況下減少電源結(jié)構(gòu)中的噪聲。盡管它可能會(huì)比 LDO 產(chǎn)生的噪聲稍多一點(diǎn)，但它可節(jié)省空間和成本、提升效率、降低功耗并減少散熱問(wèn)題。

電壓基準(zhǔn)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的基礎(chǔ)構(gòu)建塊，也在降低噪聲方面發(fā)揮了重要作用。電壓基準(zhǔn)需要出色的穩(wěn)定性才能避免為信號(hào)鏈引入誤差。德州儀器的 REF70超高精度電壓基準(zhǔn)樹(shù)立了一個(gè)出色的低噪聲基準(zhǔn)，解鎖了 ADC 的額外位并實(shí)現(xiàn)了精確的測(cè)量。

Katelyn 表示：“我認(rèn)為電壓基準(zhǔn)是信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的基石，因?yàn)椴徽撌?ADC 還是 DAC，其中每個(gè)元件都必須以一個(gè)電壓為基準(zhǔn)。由于大量噪聲可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果超出規(guī)格范圍，因此降低噪聲非常重要。如果出現(xiàn)這種情況，您必須使整個(gè)系統(tǒng)離線才能進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)。如果我們能夠延長(zhǎng)校準(zhǔn)周期，便可向客戶提供更高的吞吐量和更短的停機(jī)時(shí)間，為客戶真正提供價(jià)值。”

盡管噪聲是電源架構(gòu)中不可避免的產(chǎn)物，但通過(guò)采用德州儀器的低噪聲和高精度技術(shù)，工程師仍能夠以較低成本設(shè)計(jì)具有較小尺寸和出色精度的系統(tǒng)。

Steve 表示：“噪聲對(duì)很多應(yīng)用中的敏感系統(tǒng)有顯著影響，作為三胞胎的父親和一名工程師，我親眼見(jiàn)證了這一點(diǎn)。在過(guò)去的 18 年里，德州儀器一直致力于發(fā)展降噪技術(shù)，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。我們的持續(xù)創(chuàng)新可幫助工程師克服這些挑戰(zhàn)，進(jìn)而大幅提升系統(tǒng)性能。”