一場精度的“交響樂”：以低噪聲技術協(xié)調(diào)電源和信號完整性

2004 年夏天，一次標準超聲波檢查顯示 Steve Schnier 夫婦即將迎來一對雙胞胎。但在幾周后進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 作為德州儀器開關穩(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)中的信號干擾，導致了這種異常情況。

Steve 表示：“在我開始從事醫(yī)療成像器件和無線基礎設施領域的相關工作之前，我從來沒有真正意識到這一點。在這些領域中，噪聲是個大問題。”現(xiàn)在他的三胞胎已經(jīng)長大成人，正在準備考大學。

距離 Steve 遇到超聲波檢查異常已經(jīng)過去將近 20 年。在這些年里，技術取得了顯著的進步。不過，探尋降低系統(tǒng)噪聲并提高信號質量來實現(xiàn)精密信號鏈的方法，仍是眾多行業(yè)的設計工程師面臨的挑戰(zhàn)。

了解噪聲對系統(tǒng)性能的不良影響

在復雜電力系統(tǒng)的運行過程中，沒有噪聲是理想狀態(tài)，但卻難以實現(xiàn)。噪聲是所有元件均會產(chǎn)生的電氣產(chǎn)物，可能有多個來源，其中包括電磁干擾 (EMI) 和熱源。噪聲會破壞信號，導致測量出現(xiàn)失真，進而導致出現(xiàn)誤差、錯誤計算或錯誤解讀，最終影響系統(tǒng)的準確性和可靠性。

噪聲還會使電子系統(tǒng)變得更易受到溫度波動和電壓變化等外部因素的影響。這些外部因素可以進一步放大噪聲，增加額外的誤差。

在諸如醫(yī)療成像設備等敏感系統(tǒng)中，過多噪聲會導致圖像模糊或可能導致圖像不準確。此外，噪聲還會對測試和測量設備的準確度和精度產(chǎn)生負面影響，導致出現(xiàn)不準確的結果。

打造具有高精度的電動汽車

噪聲挑戰(zhàn)對于設計電動汽車 (EV) 的汽車工程師或開發(fā)自主駕駛系統(tǒng)（精密信號對于安全和性能至關重要）的汽車工程師尤為重要。

德州儀器應用研究實驗室“基爾比實驗室”電源管理研發(fā)總監(jiān) Jeff Morroni 表示：“在電動汽車中，用于實現(xiàn)安全或泊車功能的敏感系統(tǒng)容易受到過多噪聲的影響，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試圖解決的問題?！?/p>

敏感系統(tǒng)需要足夠穩(wěn)健才能耐受由熱源和物理應力產(chǎn)生的噪聲。汽車遇到減速帶時產(chǎn)生的應力便足以影響信號精度。噪聲可影響自主駕駛系統(tǒng)的運行，而光檢測和測距（激光雷達）系統(tǒng)會出現(xiàn)“重影”問題，即產(chǎn)生錯誤或者誤導性信號或圖像。同時，為電動汽車變革提供助力的鋰離子電池也會變得不穩(wěn)定，并在過熱的情況下帶來安全風險。

在信號傳輸和調(diào)理鏈中使用的電源管理設備可以很大限度地減少失真和降低噪聲，因此對于實現(xiàn)清晰的信號至關重要。這些電源器件還可以為時鐘 IC 以及精密 ADC（模數(shù)轉換器）和 DAC（數(shù)模轉換器）供電，實現(xiàn)完整的低噪聲和高精度信號鏈。

降低噪聲的一個更具體的好處是可以延長電動汽車的續(xù)航里程。開發(fā)人員測量電動汽車電池的電壓信號越準確，電動汽車單次充電的行駛里程越長。測量精度達到毫伏（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，可顯著延長續(xù)航里程。

Jeff 表示：“我們討論的延長范圍是 10% 至 15%，這個范圍僅通過更準確的電壓測量即可實現(xiàn)。這直接降低了電池成本，滿足了客戶的價值主張?！?/p>

借助低噪聲技術縮短設計時間并降低成本

要更大程度地降低噪聲，需要審視信號鏈中的每一環(huán)。半導體本身會產(chǎn)生噪聲，影響其他元件的性能。不過，可以使用無源濾波、控制技術和其他獨特的工藝技術將這種噪聲“消除”。此外，低噪聲 低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、降壓轉換器和電壓基準等電源元件也有助于實現(xiàn)低系統(tǒng)噪聲。

數(shù)十年來，低噪聲 LDO 憑借其易于集成以及可為高度敏感應用提供超干凈超精密電源軌的優(yōu)勢，已成為提供低噪聲電源的行業(yè)標準。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，德州儀器的 TPS62913/2 系列降壓轉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構中的噪聲。盡管它可能會比 LDO 產(chǎn)生的噪聲稍多一點，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題。

電壓基準作為數(shù)據(jù)轉換系統(tǒng)中的基礎構建塊，也在降低噪聲方面發(fā)揮了重要作用。電壓基準需要出色的穩(wěn)定性才能避免為信號鏈引入誤差。德州儀器的 REF70 超高精度電壓基準樹立了一個出色的低噪聲基準，解鎖了 ADC 的額外位并實現(xiàn)了精確的測量。

Katelyn 表示：“我認為電壓基準是信號鏈設計的基石，因為不論是 ADC 還是 DAC，其中每個元件都必須以一個電壓為基準。由于大量噪聲可能會導致系統(tǒng)測量結果超出規(guī)格范圍，因此降低噪聲非常重要。如果出現(xiàn)這種情況，您必須使整個系統(tǒng)離線才能進行調(diào)試和校準。如果我們能夠延長校準周期，便可向客戶提供更高的吞吐量和更短的停機時間，為客戶真正提供價值?！?/p>

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

Steve 表示：“噪聲對很多應用中的敏感系統(tǒng)有顯著影響，作為三胞胎的父親和一名工程師，我親眼見證了這一點。在過去的 18 年里，德州儀器一直致力于發(fā)展降噪技術，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)，進而大幅提升系統(tǒng)性能?！?/p>