隨著全球物聯網的發展以及汽車電子智能化的普及,傳感器的應用范圍變得越來越廣。從信號鏈的角度來講,傳感器、運算放大器和比較器是相伴而生的,傳感器負責前端環境信號的采集,而運算放大器和比較器則用來將信號進行轉換。

 
圖 | 運算放大器和比較器的作用


具體來講,傳感器接采集的信號有兩種方式可以傳輸到MCU進行控制,一種是通過運算放大器把傳感器的小信號進行放大,###終傳輸到MCU;另一種是通過比較器設定的閾值來判斷傳感器信號的高低,然后再傳輸給MCU。運算放大器和比較器,作為信號的中間使者,要做到的就是準確傳遞的工作,這也就要求其具有低誤差、高精度的特性。


那么,又有哪些因素或者說參數,將影響運算放大器和比較器的精度呢?它們包括輸入偏置電流、輸入失調電壓,以及等效輸入噪聲電壓,這些都是運算放大器自身的參數。通過優化這些參數,我們可以使傳感器系統的精度得到提高。


我們說,噪聲會影響傳感器系統的精度,這個噪聲主要包括兩方面,一個是EMI(電磁干擾)特性,即IC本身產生的噪聲,另一個是EMS(電磁耐受)特性,即外部的噪聲對于芯片的干擾,有可能造成芯片的誤動作。站在傳感器系統的角度,我們不希望有誤差或者是誤動作的發生,這就要求運算放大器具有低噪聲和抗干擾性能。


 圖 | 阻礙傳感器系統精度提高的噪聲及其評估標準


針對噪音的這兩方面問題,羅姆分別開發出了低噪聲的運算放大器,以及抗EMS性能非常出色的運算放大器?赡苣銜幸蓡,為何不能將EMI和EMS性能同時在一款芯片內進行優化?事實上,這是未來要攻克的一個課題,因為這兩種性能所用的工藝是截然不同的,只有解決了工藝問題才能解鎖該挑戰。


羅姆在運算放大器抗噪領域的成就


在2020年度的運算放大器和比較器產品的出貨實績中可以看到,羅姆年出貨量超過了5億枚,其中工業部分占12%,車載部分占25%。而未來在汽車領域,隨著踏板位置、節氣門位置、油位、風門位置、溫度、氣壓等各種精密傳感器的增加,運算放大器和比較器的時常需求也會與日俱增。


 
圖 | 羅姆運算放大器和比較器的出貨實績


為了應對EMS性能的挑戰,羅姆在2017年左右推出了LMR1802產品系列。從圖中的紅色曲線可以看出,在整個平面范圍內,從10Hz-10kHz頻率范圍,它的指標都是###低的,相比以往產品以及普通產品,整體的性能都是非常好的,能夠實現傳感器對于高精度的要求。


為了應對EMI性能的挑戰,羅姆從2017年開始開發EMARMOUR™系列,該系列的產品具有非常出色的抗干擾性能,有助于減輕降噪設計負擔,在車載和工業設備市場獲得了高度好評。


什么是EMARMOUR™?


“EMARMOUR”是羅姆產品的品牌名,EM是電磁輻射的縮寫,ARMOUR是鎧甲的意思。意為羅姆開發的運算放大器,如同身披鎧甲一樣,免受外部噪聲干擾。


 圖 | EMARMOUR™品牌示意


該品牌產品融合了羅姆的“電路設計技術”、“布局技術”、“工藝技術”優勢開發而成,僅用于在ISO 11452-2國際抗擾度評估測試中,在整個噪聲頻段輸出電壓波動都非常小的抗干擾性能出色的產品。例如,在汽車制造商實施的“電子輻射抗擾度測試 ISO 11452-2”中,普通產品的輸出電壓在整個噪聲頻段內波動達到±300mV以上,而羅姆新產品的輸出電壓波動僅在±10mV以內(僅為普通產品的1/30)。因此,將新產品配置在傳感器等部件的后段時,利用CMOS元件結構可實現快速且精準的信號放大而完全不受外部噪聲的影響,在包括以各種異常檢測系統為首的廣泛應用中,非常有助于減少設計工時并提高系統的可靠性。


EMARMOUR™產品陣容有哪些?有何特點?


2018年羅姆推出了EMARMOURTM系列雙極型產品,共有四款。本次發布會上,羅姆又推出了CMOS類型的運算放大器——BD87581YG-C以及BD87582YFVM-C,對應一通道和兩通道的產品,其偏置電流、轉換速率都比上一代的雙極型產品有較大提高。這兩款產品都已于今年5月份開始量產。

 
圖 | 車載用EMARMOUR™運算放大器和比較器系列的產品陣容


值得一提的是,BD8758xYx-C系列運算放大器在4種國際抗干擾度測試中均實現非常出色的抗干擾性能。這個抗干擾度測試包括了 “電子輻射抗擾度測試 ISO 11452-2”、“BCI測試 ISO 11452-4”、“近距離輻射抗擾度測試 ISO 11452-9”、“DPI測試 IEC 62132-4”4種國際通行的抗擾度評估測試。為何要強調這一點呢?這是因為普通的抗EMI性能出色的運算放大器,一般僅做“DPI測試”,通過采取濾波器對策,僅在特定頻段具有較強的抗噪能力。而羅姆為了其運放在應用產品中不采取特別的對策,也不會發生誤動作,通過了4種國際抗干擾度測試。


此外,這款符合AEC-Q100標準的軌對軌輸入輸出的高速CMOS運算放大器BD8758xYx-C系列擁有兩大主要特點。###點,抗EMI性能非常出色,可減輕降噪設計負擔。第二點,配備了高精度仿真模型——“ROHM Real Model”的SPICE模型,這個模型相比傳統的SPICE模型,###大的優勢就是仿真值與實際IC的值完全一致,它的使用可防止實際試制后返工。


EMARMOUR™產品將給客戶帶來怎樣的體驗?


EMARMOUR™產品在客戶體驗方面的特性主要體現在三點。

 
圖 | EMARMOUR™產品無需任何濾波對策


###點,就是上面一直在強調的抗EMI性能出色。


第二點,使用普通的運算放大器,從整體設計流程來看,特別是汽車電子的流程來看,在設計新產品時,都要對系統整體的噪聲進行評估。普通產品在設計的初期階段是很難做噪聲設計的,噪聲設計一般是要等到DEMO板出來以后,再進行整體評估,這個時候可能會導致噪聲測試結果NG。這樣就要花更多的工時來減低噪聲,甚###要在設計前期追加對策,增加了整體設計工時。使用EMARMOURTM系列產品,由于出廠時抗噪能力強,能夠有效減輕降噪設計負擔,從而可以幫助客戶減少系統設計工時和設計成本,在整體交付周期較短的設計中,也可以做到快速響應。


第三點,作為降低外部噪聲干擾的措施,普通運放本身輸入、輸出端需要追加濾波器件,###簡單的就是RC濾波,就是每一個端口要加電阻和電容。使用羅姆的EMARMOURTM系列產品,無需任何濾波對策就可以實現出色的降噪水平。簡單地來比較一下,使用四通道產品時,可削減多達18個外圍元器件,有效節省客戶元器件成本以及布板面積成本。


當然除了以上三點,還有前面提到的SPICE模型的優勢等,不再贅述。


結語


在汽車電氣化的今天,各類電子器件都在比拼可靠性,這也導致我們的半導體廠商們不得不在這方面苦下功夫,從而更早地占領汽車電子這塊高地,顯然,羅姆在這一塊是走在前列的。