一场精度的“交响乐”:以低噪声技术协调电源和信号完整性

2023-07-13 18:31:13 来源:德州仪器

2004 年夏天,一次标准超声波检查显示 Steve Schnier 夫妇即将迎来一对双胞胎。但在几周后进行的另一次超声波检查中,他们惊奇地发现这次显示的是三胞胎。Steve 作为德州仪器开关稳压器事业部的系统工程师,怀疑很可能是不必要的噪声或超声波系统中的信号干扰,导致了这种异常情况。 

Steve 表示:“在我开始从事医疗成像器件和无线基础设施领域的相关工作之前,我从来没有真正意识到这一点。在这些领域中,噪声是个大问题。”现在他的三胞胎已经长大成人,正在准备考大学。 

距离 Steve 遇到超声波检查异常已经过去将近 20 年。在这些年里,技术取得了显著的进步。不过,探寻降低系统噪声并提高信号质量来实现精密信号链的方法,仍是众多行业的设计工程师面临的挑战。

 

了解噪声对系统性能的不良影响 

在复杂电力系统的运行过程中,没有噪声是理想状态,但却难以实现。噪声是所有元件均会产生的电气产物,可能有多个来源,其中包括电磁干扰 (EMI) 和热源。噪声会破坏信号,导致测量出现失真,进而导致出现误差、错误计算或错误解读,最终影响系统的准确性和可靠性。 

噪声还会使电子系统变得更易受到温度波动和电压变化等外部因素的影响。这些外部因素可以进一步放大噪声,增加额外的误差。

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在诸如医疗成像设备等敏感系统中,过多噪声会导致图像模糊或可能导致图像不准确。此外,噪声还会对测试测量设备的准确度和精度产生负面影响,导致出现不准确的结果。 


打造具有高精度的电动汽车 

噪声挑战对于设计电动汽车 (EV) 的汽车工程师或开发自主驾驶系统(精密信号对于安全和性能至关重要)的汽车工程师尤为重要。 

德州仪器应用研究实验室“基尔比实验室”电源管理研发总监 Jeff Morroni 表示:“在电动汽车中,用于实现安全或泊车功能的敏感系统容易受到过多噪声的影响,且这些系统与产生噪音的大功率组件距离很近。这正是我们的低噪声和高精度技术试图解决的问题。”7 

敏感系统需要足够稳健才能耐受由热源和物理应力产生的噪声。汽车遇到减速带时产生的应力便足以影响信号精度。噪声可影响自主驾驶系统的运行,而光检测和测距(激光雷达)系统会出现“重影”问题,即产生错误或者误导性信号或图像。同时,为电动汽车变革提供助力的锂离子电池也会变得不稳定,并在过热的情况下带来安全风险。 

在信号传输和调理链中使用的电源管理设备可以很大限度地减少失真和降低噪声,因此对于实现清晰的信号至关重要。这些电源器件还可以为时钟 IC 以及精密 ADC(模数转换器)和 DAC(数模转换器)供电,实现完整的低噪声和高精度信号链。 

降低噪声的一个更具体的好处是可以延长电动汽车的续航里程。开发人员测量电动汽车电池的电压信号越准确,电动汽车单次充电的行驶里程越长。测量精度达到毫伏(千分之一伏)的高精度电池监控器和平衡器,例如德州仪器的 BQ79718-Q1,可显著延长续航里程。 

Jeff 表示:“我们讨论的延长范围是 10% 至 15%,这个范围仅通过更准确的电压测量即可实现。这直接降低了电池成本,满足了客户的价值主张。” 


借助低噪声技术缩短设计时间并降低成本 

要更大程度地降低噪声,需要审视信号链中的每一环。半导体本身会产生噪声,影响其他元件的性能。不过,可以使用无源滤波、控制技术和其他独特的工艺技术将这种噪声“消除”。此外,低噪声 低压降稳压器 (LDO)降压转换器电压基准电源元件也有助于实现低系统噪声。 

数十年来,低噪声 LDO 凭借其易于集成以及可为高度敏感应用提供超干净超精密电源轨的优势,已成为提供低噪声电源的行业标准。例如,德州仪器的 TPS7A94 提供市面上的超低输出噪声电源、高输出电压精度和超高电源抑制比,可生成不影响系统性能的干净电源轨。 

同时,德州仪器的 TPS62913/2 系列降压转换器能够在不需要传统的 LDO 调节电压的情况下减少电源结构中的噪声。尽管它可能会比 LDO 产生的噪声稍多一点,但它可节省空间和成本、提升效率、降低功耗并减少散热问题。 

电压基准作为数据转换系统中的基础构建块,也在降低噪声方面发挥了重要作用。电压基准需要出色的稳定性才能避免为信号链引入误差。德州仪器的 REF70 超高精度电压基准树立了一个出色的低噪声基准,解锁了 ADC 的额外位并实现了精确的测量。 

Katelyn 表示:“我认为电压基准是信号链设计的基石,因为不论是 ADC 还是 DAC,其中每个元件都必须以一个电压为基准。由于大量噪声可能会导致系统测量结果超出规格范围,因此降低噪声非常重要。如果出现这种情况,您必须使整个系统离线才能进行调试和校准。如果我们能够延长校准周期,便可向客户提供更高的吞吐量和更短的停机时间,为客户真正提供价值。” 

尽管噪声是电源架构中不可避免的产物,但通过采用德州仪器的低噪声和高精度技术,工程师仍能够以较低成本设计具有较小尺寸和出色精度的系统。 

Steve 表示:“噪声对很多应用中的敏感系统有显著影响,作为三胞胎的父亲和一名工程师,我亲眼见证了这一点。在过去的 18 年里,德州仪器一直致力于发展降噪技术,但仍面临诸多挑战。我们的持续创新可帮助工程师克服这些挑战,进而大幅提升系统性能。”

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