如何面对车规级运算放大器和比较器的EMC挑战？

随着全球物联网的发展以及汽车电子智能化的普及，传感器的应用范围变得越来越广。从信号链的角度来讲，传感器、运算放大器和比较器是相伴而生的，传感器负责前端环境信号的采集，而运算放大器和比较器则用来将信号进行转换。

图 | 运算放大器和比较器的作用

具体来讲，传感器接采集的信号有两种方式可以传输到MCU进行控制，一种是通过运算放大器把传感器的小信号进行放大，最终传输到MCU；另一种是通过比较器设定的阈值来判断传感器信号的高低，然后再传输给MCU。运算放大器和比较器，作为信号的中间使者，要做到的就是准确传递的工作，这也就要求其具有低误差、高精度的特性。

那么，又有哪些因素或者说参数，将影响运算放大器和比较器的精度呢？它们包括输入偏置电流、输入失调电压，以及等效输入噪声电压，这些都是运算放大器自身的参数。通过优化这些参数，我们可以使传感器系统的精度得到提高。

我们说，噪声会影响传感器系统的精度，这个噪声主要包括两方面，一个是EMI（电磁干扰）特性，即IC本身产生的噪声，另一个是EMS（电磁耐受）特性，即外部的噪声对于芯片的干扰，有可能造成芯片的误动作。站在传感器系统的角度，我们不希望有误差或者是误动作的发生，这就要求运算放大器具有低噪声和抗干扰性能。

图 | 阻碍传感器系统精度提高的噪声及其评估标准

针对噪音的这两方面问题，罗姆分别开发出了低噪声的运算放大器，以及抗EMS性能非常出色的运算放大器。可能你会有疑问，为何不能将EMI和EMS性能同时在一款芯片内进行优化？事实上，这是未来要攻克的一个课题，因为这两种性能所用的工艺是截然不同的，只有解决了工艺问题才能解锁该挑战。

罗姆在运算放大器抗噪领域的成就

在2020年度的运算放大器和比较器产品的出货实绩中可以看到，罗姆年出货量超过了5亿枚，其中工业部分占12%，车载部分占25%。而未来在汽车领域，随着踏板位置、节气门位置、油位、风门位置、温度、气压等各种精密传感器的增加，运算放大器和比较器的时常需求也会与日俱增。

图 | 罗姆运算放大器和比较器的出货实绩

为了应对EMS性能的挑战，罗姆在2017年左右推出了LMR1802产品系列。从图中的红色曲线可以看出，在整个平面范围内，从10Hz-10kHz频率范围，它的指标都是最低的，相比以往产品以及普通产品，整体的性能都是非常好的，能够实现传感器对于高精度的要求。

为了应对EMI性能的挑战，罗姆从2017年开始开发EMARMOUR™系列，该系列的产品具有非常出色的抗干扰性能，有助于减轻降噪设计负担，在车载和工业设备市场获得了高度好评。

什么是EMARMOUR™？

“EMARMOUR”是罗姆产品的品牌名，EM是电磁辐射的缩写，ARMOUR是铠甲的意思。意为罗姆开发的运算放大器，如同身披铠甲一样，免受外部噪声干扰。

图 | EMARMOUR™品牌示意

该品牌产品融合了罗姆的“电路设计技术”、“布局技术”、“工艺技术”优势开发而成，仅用于在ISO 11452-2国际抗扰度评估测试中，在整个噪声频段输出电压波动都非常小的抗干扰性能出色的产品。例如，在汽车制造商实施的“电子辐射抗扰度测试 ISO 11452-2”中，普通产品的输出电压在整个噪声频段内波动达到±300mV以上，而罗姆新产品的输出电压波动仅在±10mV以内（仅为普通产品的1/30）。因此，将新产品配置在传感器等部件的后段时，利用CMOS元件结构可实现快速且精准的信号放大而完全不受外部噪声的影响，在包括以各种异常检测系统为首的广泛应用中，非常有助于减少设计工时并提高系统的可靠性。

EMARMOUR™产品阵容有哪些？有何特点？

2018年罗姆推出了EMARMOURTM系列双极型产品，共有四款。本次发布会上，罗姆又推出了CMOS类型的运算放大器——BD87581YG-C以及BD87582YFVM-C，对应一通道和两通道的产品，其偏置电流、转换速率都比上一代的双极型产品有较大提高。这两款产品都已于今年5月份开始量产。

图 | 车载用EMARMOUR™运算放大器和比较器系列的产品阵容

值得一提的是，BD8758xYx-C系列运算放大器在4种国际抗干扰度测试中均实现非常出色的抗干扰性能。这个抗干扰度测试包括了 “电子辐射抗扰度测试 ISO 11452-2”、“BCI测试 ISO 11452-4”、“近距离辐射抗扰度测试 ISO 11452-9”、“DPI测试 IEC 62132-4”4种国际通行的抗扰度评估测试。为何要强调这一点呢？这是因为普通的抗EMI性能出色的运算放大器，一般仅做“DPI测试”，通过采取滤波器对策，仅在特定频段具有较强的抗噪能力。而罗姆为了其运放在应用产品中不采取特别的对策，也不会发生误动作，通过了4种国际抗干扰度测试。

此外，这款符合AEC-Q100标准的轨对轨输入输出的高速CMOS运算放大器BD8758xYx-C系列拥有两大主要特点。第一点，抗EMI性能非常出色，可减轻降噪设计负担。第二点，配备了高精度仿真模型——“ROHM Real Model”的SPICE模型，这个模型相比传统的SPICE模型，最大的优势就是仿真值与实际IC的值完全一致，它的使用可防止实际试制后返工。

EMARMOUR™产品将给客户带来怎样的体验？

EMARMOUR™产品在客户体验方面的特性主要体现在三点。

图 | EMARMOUR™产品无需任何滤波对策

第一点，就是上面一直在强调的抗EMI性能出色。

第二点，使用普通的运算放大器，从整体设计流程来看，特别是汽车电子的流程来看，在设计新产品时，都要对系统整体的噪声进行评估。普通产品在设计的初期阶段是很难做噪声设计的，噪声设计一般是要等到DEMO板出来以后，再进行整体评估，这个时候可能会导致噪声测试结果NG。这样就要花更多的工时来减低噪声，甚至要在设计前期追加对策，增加了整体设计工时。使用EMARMOURTM系列产品，由于出厂时抗噪能力强，能够有效减轻降噪设计负担，从而可以帮助客户减少系统设计工时和设计成本，在整体交付周期较短的设计中，也可以做到快速响应。

第三点，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，最简单的就是RC滤波，就是每一个端口要加电阻和电容。使用罗姆的EMARMOURTM系列产品，无需任何滤波对策就可以实现出色的降噪水平。简单地来比较一下，使用四通道产品时，可削减多达18个外围元器件，有效节省客户元器件成本以及布板面积成本。

当然除了以上三点，还有前面提到的SPICE模型的优势等，不再赘述。