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

2004 年夏天，一次標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(guān)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(dǎo)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(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的相關(guān)工作之前，我從來沒有真正意識到這一點。在這些領(lǐng)域中，噪聲是個大問題?！爆F(xiàn)在他的三胞胎已經(jīng)長大成人，正在準(zhǔn)備考大學(xué)。 

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(shù)取得了顯著的進(jìn)步。不過，探尋降低系統(tǒng)噪聲并提高信號質(zhì)量來實現(xiàn)精密信號鏈的方法，仍是眾多行業(yè)的設(shè)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(fù)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(dǎo)致測量出現(xiàn)失真，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)誤差、錯誤計算或錯誤解讀，最終影響系統(tǒng)的準(zhǔn)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(jìn)一步放大噪聲，增加額外的誤差。

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

打造具有高精度的電動汽車 

噪聲挑戰(zhàn)對于設(shè)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(guān)重要）的汽車工程師尤為重要。 

德州儀器應(yīng)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(shù)試圖解決的問題。” 

敏感系統(tǒng)需要足夠穩(wěn)健才能耐受由熱源和物理應(yīng)力產(chǎn)生的噪聲。汽車遇到減速帶時產(chǎn)生的應(yīng)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(dá)）系統(tǒng)會出現(xiàn)“重影”問題，即產(chǎn)生錯誤或者誤導(dǎo)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(fēng)險。 

在信號傳輸和調(diào)理鏈中使用的電源管理設(shè)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(guān)重要。這些電源器件還可以為時鐘 IC 以及精密 ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和 DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhǔn)確，電動汽車單次充電的行駛里程越長。測量精度達(dá)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(zhǔn)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?！?nbsp;

借助低噪聲技術(shù)縮短設(shè)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(dǎo)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(shù)和其他獨特的工藝技術(shù)將這種噪聲“消除”。此外，低噪聲 低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)、降壓轉(zhuǎn)換器和電壓基準(zhǔn)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的基礎(chǔ)構(gòu)建塊，也在降低噪聲方面發(fā)揮了重要作用。電壓基準(zhǔn)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(zhǔn)樹立了一個出色的低噪聲基準(zhǔn)，解鎖了 ADC 的額外位并實現(xiàn)了精確的測量。 

Katelyn 表示：“我認(rèn)為電壓基準(zhǔn)是信號鏈設(shè)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(zhǔn)。由于大量噪聲可能會導(dǎo)致系統(tǒng)測量結(jié)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(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)。如果我們能夠延長校準(zhǔn)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?！?nbsp;

盡管噪聲是電源架構(gòu)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(shù)，工程師仍能夠以較低成本設(shè)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(yīng)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(shù)，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(jìn)而大幅提升系統(tǒng)性能?！?nbsp;

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關(guān)于德州儀器（TI） 

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，致力于設(shè)計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實用，創(chuàng)造一個更美好的世界。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上，使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠，從而實現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。