電子工程師在設(shè)計中面臨的難題及解決方案

EMI / 抗干擾設(shè)計

EMI 是當(dāng)今許多設(shè)計人員所面臨的一項重大挑戰(zhàn)。如果不能順利通過 EMI 測試，則將導(dǎo)致項目成本顯著增加和進度遲緩，因此高水平的工程師會在設(shè)計的早期尋求減低 EMI 的方法。因為開關(guān)穩(wěn)壓器具有高能量效率，所以越來越多人采用，對EMI 的影響也在加重。一種能有助于抑制與開關(guān)電源相關(guān)之 EMI 的簡單方式是采用一個多相擴頻時鐘。使用諸如 LTC6909 等器件至少能夠以三種方式提供幫助。首先，硅振蕩器 （例如：LTC6909） 可用于將穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率和最終的基本 EMI 頻率設(shè)定在某個敏感的頻段之外。其次，LTC6909 的多個輸出相位可用于在不同的相位對不同的穩(wěn)壓器進行開關(guān)操作，因而降低了會產(chǎn)生 EMI 的峰值開關(guān)電流。諸如 LTC6909 等產(chǎn)品所提供的第三種改善是運用擴頻調(diào)頻技術(shù) （SSFM） 將開關(guān)電流散布于時域之中。此項技術(shù)不允許輻射能量在任何接收器的頻段內(nèi)長時間地停留，從而改善了 EMI。

低噪聲電路設(shè)計

噪聲是高準確度系統(tǒng)的大敵。同時，它也是一個涉及范圍很大的話題。這里我并不打算詳細地闡述這一話題，而是就電子電路中的噪聲舉三個例子，并說明新產(chǎn)品是如何能夠有助于盡量抑制這些噪聲。如需全面了解電壓噪聲、電流噪聲、電阻器噪聲及其在放大器電路中的關(guān)系，請登錄凌力爾特公司的網(wǎng)站查閱設(shè)計要點 355 （Design Note 355）。

1. 高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路中的放大器噪聲

在模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中，假如選擇了一個具有足夠高分辨率的 ADC，則量化噪聲將不再是主導(dǎo)因素。設(shè)計人員因而可把其注意力轉(zhuǎn)移至其他的噪聲源，包括放大器噪聲、電壓基準噪聲和時鐘相位噪聲等，所有這些噪聲源均會限制總體系統(tǒng)準確度。當(dāng)選擇放大器時，頻率范圍是重要因素。在 1/f 噪聲轉(zhuǎn)折頻率以上，寬帶電壓噪聲以 nV/radic;Hz 為度量單位。帶寬越寬，則噪聲越大，因此利用無源或低噪聲有源濾波器對信號實施濾波處理是低噪聲設(shè)計的一個重要組成部分。實際上說來，放大器的噪聲設(shè)定了最小可分辨信號，而失真則決定了可以準確測量的最大信號幅度。噪聲與失真一起確定了動態(tài)范圍。所以，對于高分辨率 ADC 應(yīng)用而言，選擇一款低噪聲和低失真的 ADC 驅(qū)動器至關(guān)緊要。LTC6409 就是這樣的一個產(chǎn)品實例，該器件具有 1.1nV/√Hz 的寬帶電壓噪聲。再加上在 100MHz 的 88dB 無寄生動態(tài)范圍SFDR，可提供適合高速 14 位 ADC 的寬動態(tài)范圍驅(qū)動能力。例如：當(dāng)以一個 150Msps 的采樣速率向 14 位 LTC2262-14 提供一個 DC 耦合單端 70MHz 驅(qū)動輸入時，所產(chǎn)生的 SNR 和 SFDR 分別為 71.1dB 和 81.6dB。

2. 電壓基準噪聲

在儀表系統(tǒng)中，分辨率和準確度方面的限制因素常常是電壓基準穩(wěn)定性和噪聲。近來，有兩個因素使電壓基準噪聲變得更加重要了。第一個因素是系統(tǒng)電源電壓呈日漸降低之勢。在較低的工作電壓條件下，噪聲層變得更為明顯。第二個因素是，隨著具有高初始準確度和低漂移特性的新型基準面市、以及系統(tǒng)設(shè)計人員能夠更加容易地對系統(tǒng)因素進行校準，基準穩(wěn)定性問題已經(jīng)變得不那么棘手了。然而，噪聲是無法予以校準的。為了幫助設(shè)計人員滿足那些采用較低電源電壓系統(tǒng)的苛刻要求，凌力爾特公司推出了具無與倫比的 0.25ppm 峰至峰噪聲水平的 LT6655。LT6655 可提供 7 種輸出電壓選項 （從 1.25V 至 5V），是儀表及測試設(shè)備所需的高分辨率 ADC 和 DAC 的理想同伴芯片。該器件的寬工作溫度范圍和卓越的穩(wěn)定性使其成為汽車及其他嚴酷環(huán)境中的絕佳選擇。

3. 電機控制電流測量中的共模噪聲

用于閉環(huán) PWM控制的準確電流測量 （例如：監(jiān)視 H 橋電機所需的電流測量） 是一項極具挑戰(zhàn)性的工作。人們優(yōu)選的方法通常是采用一個與電機相串聯(lián)的并聯(lián)電阻器。當(dāng)開關(guān)斷開和閉合時，共模電壓會非常突然地從一個電平變至另一個電平，并伴隨有由于流過電機的電流發(fā)生變化所導(dǎo)致的大反饋電壓 （L di/dt），因而使情況更加復(fù)雜。應(yīng)對這種共模噪聲的方法之一是對電流測量進行同步處理，以使測量在電路實現(xiàn)穩(wěn)定之后進行。但在實際操作中這種做法會很難實施。諸如 LT1999 等新產(chǎn)品簡化了這一測量難題。LT1999 具有一個 96dB （在 DC） 和 80dB （在 100kHz） 的輸入共模抑制比。其階躍響應(yīng)為 1μs，而帶寬為 2MHz。這款器件專為嚴苛環(huán)境而設(shè)計，擁有高 ESD 耐受能力、低 EMI 敏感性和 一個 -55°C 至 150°C 的規(guī)定工作溫度范圍，從而使其非常適合于汽車及工業(yè)應(yīng)用。

放大電路

運算放大器是極為通用的單元式部件，可用于信號的放大和調(diào)理。但是，由于我們生活在現(xiàn)實世界之中，因此并不存在諸如“理想運算放大器”之類的東西。設(shè)計人員必須了解其設(shè)計目標，并選擇一款具有期望規(guī)格組合 （使其能夠滿足這些目標） 的放大器。對于很多應(yīng)用而言，一個重要的發(fā)展趨勢就是“以更少組件處理更多工作”。在電子系統(tǒng)中，這通常意味著比先前產(chǎn)品更快的速度、更高的準確度和更低的功耗。LTC6252 / 3 / 4、LTC624 / 5 / 6 和 LTC6255 / 6 / 7 系列運算放大器提供了一種新的速度-功率效率水平，并保持了低噪聲和高準確度。這些產(chǎn)品運用了一種先進的 SiGe 工藝，以實現(xiàn)以下的優(yōu)異性能：LTC6252 具有 20MHz GBW 和僅 3.5mA 的消耗電流，LTC6246 擁有 180MHz 帶寬且消耗電流僅為 1mA，而 LTC6255 則具備 6.5MHz GBW 和區(qū)區(qū) 65μA 的消耗電流。這些產(chǎn)品還可提供纖巧型封裝，并在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)擁有絕佳的 AC 和 DC 規(guī)格指標，從而使設(shè)計人員能夠以低功耗來實現(xiàn)優(yōu)越的性能。