作为沟通模拟和数字的桥梁,信号链的整体质量决定了数据传输的准确性,决定了在数字世界处理所需的基础。
而针对信号链来说,第一步就是信号放大器和比较器,他们的精度及处理速度,决定了之后模数转换、处理的整体性能。
“随着物联网的普及,传感器的数量越来越多,将传感器微弱的电信号进行检测并放大的运放和比较器的作用变得越来越重要。”罗姆上海技术中心的FAE朱莎勤表示。
噪声的影响
噪声是模拟电路设计的一个核心问题,它会直接影响能从测量中提取的信息量,以及获得所需信息的经济成本。而对于放大器来说,不仅会放大所要的信号,也会放大噪声,从而严重影响之后的电路系统。
影响噪声的因素很多,朱莎勤列举了三个重要参数,包括输入偏置电流,输入失调电压,以及等效输入噪声电压。其中输入偏置电流输入偏置电流会在输入端产生额外的失调压降,从而导致输出端的失调误差;输入失调电压则可简单理解为运放的直流电压误差,在高倍率放大时可能导致信号偏移;等效输入噪声电压则指的是交流电压误差,在高倍率放大时,信号分量可能掩埋在噪声中而无法检测。
另外一部分噪声则是同电磁学相关,包括EMI和EMS两方面考量。其中EMI是指IC内部产生的噪声,而EMS则是指IC对于外部噪声的抗干扰性。
罗姆正在针对电路设计、工艺及封装以及版图布局等方方面面,改善产品的各种噪声指数。
罗姆推出超强抗干扰性能的运放和比较器
资料显示,2020年罗姆共出货5亿颗运算放大器和比较器,其中汽车和工业占三分之一左右。朱莎勤表示,随着车用传感器的数量增多,每个数据链路上都需要高性能的运放或比较器,强烈的市场需求也让罗姆不断开发所对应的新品。
EMARMOUR系列BD8758xYx-C,具有超低本体超低噪声和抗EMI双重优势。
针对本体超低噪声改进,罗姆采用了CMOS工艺取代了传统的双极工艺,因此实现了更低的输入偏置电流、以及更低的功耗。此外,通过改善工艺以及电路设计,降低了闪烁噪声、热噪声等。同时增加了晶体管的尺寸,减少了器件波动影响。并且优化电路设计降低了输入失调电压。
罗姆产品噪声指标
通过一系列改善,全新BD8758xYx-C产品家族可以实现一系列高性能的指标,包括:低等效输入噪声电压2.9nV/√Hz(@1kHz)、7.8nV/√Hz(@10Hz);低失调电压950μV、450μV、150μV以及低输入偏置电流0.5pA(Ta=25℃)
抗EMI性能出色则是该系列的又一大特色。朱莎勤解释道,EMARMOUR的意思为身披铠甲(ARMOUR),免受外部噪声干扰(ElectroMagnetic noise)。该名称为罗姆注册商标,仅用于在国际抗扰度评估测试中输出电压波动非常小的抗干扰性能出色的产品。
朱莎勤表示,汽车和工业应用中的电磁环境比较复杂,抗电磁干扰特性一定要达标,因此从设计流程来看,在设计新产品开始时就需要引入噪声评估。但是对于一般没有针对抗EMI进行优化的产品来说,初期很难评估,只能等Demo板开发出来之后再进行测试,这有可能导致噪声超标,还需要返工或者增加额外的补救手段。选择EMARMOURTM等有较强抗噪能力的产品,则可以极大减少用户在EMI对策上的设计时间,同时无需额外的CR滤波,减少周边元件的使用。
针对抗噪特性,罗姆同样通过了电路、布局以及工艺和元件结构三方面进行改进。针对电路,罗姆开发了噪声控制电路RF-IA(高频阻抗调整功能),有效抑制了高频干扰。而在布局上,罗姆在有噪声线路周边设置了屏蔽结构,同时改善布局干扰并调整内部模拟内核的阻抗。针对工艺和元件结构,加大了寄生电容,从而实现了更强的抗干扰性。
EMARMOUR产品通过了包括“电子辐射抗扰度测试 ISO 11452-2”、“BCI测试 ISO 11452-4”、“近距离辐射抗扰度测试 ISO 11452-9”、“DPI测试 IEC 62132-4”四项国际通行的抗扰度评估测试。朱莎勤介绍道,普通的抗EMI运算放大器一般仅做“DPI测试”,通过采取滤波器对策,仅在特定频段具有较强的抗噪能力。而罗姆希望简化工程师针对EMC的设计,同时也确保产品更加稳定,因此通过了四项测试以实现更好的抗干扰性。
四种测试及罗姆的产品指标
除此之外,针对用户仿真,罗姆提供了高精度的仿真模型——“ROHM Real Model”SPICE模型。相比传统的SPICE模型,最大的优势就是仿真值与实际IC的值完全一致,用户可以准确进行在线仿真与设计评估。
如下表所示,罗姆此次已经率先量产了1通道及2通道产品,4通道产品正在开发中。目前新产品月产能为100万个(样品价格 300日元/件,不含税)。该系列支持汽车电子产品可靠性标准“AEC-Q100”,实现了高可靠性,用户可以放心地替换有噪声干扰问题的现有产品。