智能汽车传感器的如何降噪 |科普文

导读



近年来，随着电动汽车的智能化和ADAS（高级驾驶员辅助系统）的普及，传感器的应用越来越广，噪声环境也变得越来越严峻。传感器的微弱环境信号需要通过运算放大器和比较器转换为电气信号，才能送到微控制器（MCU）进行计算，所以运算放大器和比较器的作用越来越重要。

问题在于，通常在汽车开发中，很难对电路板和系统单体做噪声评估，一般需要在系统组装后再评估，一旦评估结果NG（不通过），就需要大规模修改，因此降噪设计一直是一个棘手的课题。

1  运算放大器和比较器与传感器

运算放大器简称“运放”，是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算结果。

比较器是将模拟电压信号与基准电压进行比较的电路，可以对传感器的输出信号等进行阈值判断，输出数字（High/Low）信号。


传感器信号必经运算放大器和比较器

传感器接收的信号要通过两种方式传输到MCU实现控制。第一种是经运算放大器把传感器的小信号放大，变成MCU等可识别的电压电平并传输到MCU；第二种是通过比较器设定的阈值来判断传感器信号的高低，然后传输给MCU。


车载运算放大器应用示例

可以看到，不同的传感器后面都需要用运算放大器及比较器进行信号处理，最后传输给控制单元，再通过控制单元来控制车辆的各种模块。有多少传感器，就需要有多少运算放大器和比较器，所以说其数量在与日俱增。

在车载应用案例中，不同模块会用到不同的运算放大器或比较器。随着ADAS和智能驾驶的发展，车辆中越来越多的场合都会用到运放或比较器。

2  高精度、低误差才好用

既然传感器是将微弱环境变化信号转换为电信号，最终由MCU判断信号做出动作，就要求运算放大器和比较器一定要高精度和低误差，以保证放大或比较出来的信号是可靠和可以利用的。


运算放大器是提高感测精度的关键

3  噪声也会影响感测精度

另一个影响传感器系统精度的因素是噪声，它主要来自两个方面，第一是EMI（电磁干扰），即IC本身产生的噪声可能会干扰其他电子设备，给整个系统精度带来误差。如果IC或系统抗EMI性能较差，当周围产生噪声干扰时，元器件或系统就可能产生误动作，因此需要使用滤波器（电容器、电阻器等）和屏蔽（金属板）来降低噪声。第二是EMS（电磁耐受）特性，即芯片本身能够承受多少来自外部的噪声干扰。所以，传感器应用的运算放大器必须具有低噪声和抗干扰性能。


噪声相关定义

EMC（电磁兼容性）是指电子设备或系统具有一定抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射。


电磁兼容性的内涵

4  怎样才能实现低噪声性能？

首先，运算放大器内部噪声大致可分为由工艺结构造成的闪烁噪声，以及由电路设计产生的热噪声。为了降低整体噪声，通过改善工艺及电路设计，可以降低两方面的噪声成分，实现整体上的超低噪声。

通过全面优化电路、布局和元件尺寸等，可使抗EMI性能得到显著提升。有三种方法：首先，通过在所需位置嵌入噪声控制电路提高抗干扰性能；第二，在有噪声的线路周围设置屏蔽结构，改善布线干扰并调整内部模拟内核的阻抗；第三，着眼于寄生电容大时抗噪性能强的事实，选择更合适寄生电容的工艺和元件尺寸。这三点都做好了，整个芯片的抗噪能力就非常强了。


全面优化整体噪声

5  从解决电磁辐射入手消除噪声

影响运算放大器精度的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。通过优化这些参数，可以提高传感器系统的精度。

针对上述挑战，罗姆从2017年开始开发抗EMI性能非常出色的EMARMOUR™（EM——电磁辐射，ARMOUR——铠甲）系列运算放大器产品。其开发初衷是为了无需采取特别措施也可防止产品因噪声干扰而误动作。2018年，该系列的双极型产品面世，共有四款，有助于减轻客户降噪设计负担，在车载市场获得了高度好评。

正因为有了“铠甲”，2020年，罗姆的运算放大器和比较器产品出货量出货量超过了5亿颗，其中工业部分占12%，车载部分高达25%。

EMARMOUR™ 品牌产品融合了电路设计技术、布局技术、工艺技术优势，针对ISO 11452-2国际抗扰度评估测试，实现了整个噪声频段输出电压波动非常小的出色抗干扰性能，有助于解决系统开发过程中的噪声干扰问题，从而减少设计工时并提高系统可靠性。


提高系统可靠性

罗姆推出的在国际通行的4种抗扰度评估测试中均实现超强抗干扰性能的CMOS（互补金属氧化物半导体）运算放大器BD87581YG-C（单通道）和BD87582YFVM-C（双通道），其偏置电流、转换速率都比上一代双极型产品有较大提高。

例如，在主机厂实施的电子辐射抗扰度测试ISO 11452-2中，在整个噪声频段内，普通产品的输出电压波动达±300mV以上，而新产品仅在±10mV以内（普通产品的1/30）。因此，将新产品配置在传感器等部件后端时，利用CMOS元件结构可实现快速且精准的信号放大，完全不受外部噪声的影响，有助于简化各种异常检测系统的设计，提高其可靠性。

新产品在以下三个方面解决了普通产品面临的问题：

第一，传感器应用中的输入电压非常微弱，由于抗干扰性能低，普通运放产品会受到外部噪声影响而发生误动作，使MCU接收到错误信号导致工作异常。使用抗EMI性能出色的EMARMOURTM 系列产品不容易受外部噪声干扰。


避免外部噪声干扰

第二，从汽车电子整体设计流程看，使用普通运放都要对系统整体噪声进行评估，且一般是要等到DEMO板出来以后才能做整体评估，如果噪声测试结果NG，就要花更多工时来降低噪声，甚至要在设计前期追加对策，增加整体设计工时。EMARMOURTM 系列产品抗噪能力强，能够有效减轻降噪设计负担，帮助客户减少系统设计工时和成本，在整体交付周期较短的设计中，也可以做到快速响应。

第三，作为降低外部噪声干扰的措施，普通运放本身输入、输出端需要追加滤波器件，最简单的是RC滤波，就是每个端口加电阻和电容。使用EMARMOURTM 系列产品无需任何滤波对策就可实现出色的降噪水平。简单讲，使用四通道产品可削减多达18个外围元器件，有效节省客户元器件成本及布板成本。

新系列产品符合AEC-Q100标准，其应用包括：EV/HEV车载逆变器、引擎控制单元、eCall（车辆紧急呼叫系统）、汽车导航系统、汽车空调等；工业设备（FA设备）、计量仪器、测量设备、伺服系统、各种传感器系统等对电子电路降噪要求高的各类车载和工业设备。

6  运放和比较器提升智能驾驶附加值

意法半导体（ST）的运算放大器和比较器阵容丰富，旨在利用各种车用器件提升智能驾驶的附加值。其汽车级产品可满足汽车市场对超高可靠性和质量的要求，包括：AEC-Q100和Q101、TS-16949、PPAP（生产件批准程序）可用性、Q002 EWS统计量产分析指南（SYA）和器件平均测试（PAT）指南等。后端（封装和测试）阶段100%热试验超过了AEC-Q100标准的特定筛选和试验方法。


提升智能驾驶附加值的运放和比较器

这些产品可在-40至150℃的极端温度范围安全运行，适用于发动机控制、变速箱模块和安全关键系统；而且可以方便快捷地将模拟产品集成到信号调节、监控和控制解决方案中。作为微控制器和模拟传感器的完美配套芯片，其运算放大器有助于增强信号链能力。针对车辆有限空间优化的解决方案采用微型DFN、QFN、SC-70和6-Bump CSP等封装，节省占用空间。

这些产品应用范围广泛，包括音频缓冲、温度测量、前照灯调平、雨水和光线传感器、电动座椅电机电流控制、踏板角度测量、ADAS等。

以前照灯调平36V TSB572为例，来看看这款运算放大器的功能。车辆轮胎气压、装载质量或道路条件都会使车辆俯仰角发生变化，直接影响前照灯的照射角度；随着前照灯功率的增加，调平变得越来越重要，以防止其他驾驶员眩目。

TSB572可以调整和补偿车辆俯仰角，利用ECU提供的与所需前照灯角度成比例的PWM信号，第一个运放用作电平移位器，第二个运放用作低通滤波器，以便向执行器提供与蓄电池电压成比例的控制电压信号。其特点是不需要使用抛负载（load dump）箝位，采用轨对轨输入/输出级（输入和输出电压摆幅非常接近），不需要电荷泵电路。电荷泵有其自身缺点，电路结构不同，会有以下三种情况：一是使用耐压较低的电容，缺点是纹波噪声大；如果要降低纹波噪声，就要使用高耐压电容，电容的电压应力会随之增加；三是平衡一和二，缺点是电路复杂。后两种方案的成本也会相应增加。


简化噪声处理的前照灯调平方案

另外，TSB572是一个40V BiCMOS制造工艺的运算放大器，采用DFN8封装。CMOS晶体管只有在切换状态时才会消耗电流，因此属于低功耗器件。而BiCMOS是在同一器件中同时结合了双极（Bipolar）和CMOS工艺。基于这项技术的运算放大器具有优异的GBW/Icc能效，电源电流-性能比是市场上标准运算放大器的五分之一。此外，低输入失调电压和低于6µV/℃的温度漂移有助于简化系统设计，无需微调或校准，确保在额定温度范围内性能稳定。

通常情况下，带宽越宽抗噪声能力越强。当系统接收到噪声信号时，可通过扩展带宽把噪声能量平均到整个带宽上，从而降低单位带宽上的噪声能量。TSB572配备轨对轨输入输出，增益带宽积（GBW，评价放大器性能的指标）为2.5MHz，最大输入失调电压1.5mV。器件在容性负载时工作稳定，相位反转保护功能优异。4.0V至36V的宽电源电压可以使用各种电源获得额定参数。

顺便说一下ST的比较器。轨对轨输入1.8V高速比较器TS3021H也是-40至150℃宽温范围，传播延迟38ns，具有高速响应时间。当电源电压在2V到5V时，比较器可以在很宽的温度范围内工作。TS3021H的微功耗低至73μA，从而具有功耗电流与响应时间的极佳之比，满足汽车应用要求。


TS3021H原理图

7  运算放大器和比较器助力传感器智能

时下，传感器已成为现代汽车的核心元件，车辆中的传感器比比皆是。车辆的的动力性能、操控性能、安全性能和舒适性能等各个方面的改进和提高，都将依赖于各种传感器。而让传感器变得更加智能，真正发挥作用还要靠其后端的运算放大器和比较器，可以这样将，其数量和种类将伴随传感器与日俱增。