ADI

简介

汽车、军事和航空电子应用中的恶劣工作环境对集成电路的技术要求极端苛刻,电路必须能够承受高电压和电流、极端温度和湿度、振动、辐射以及各种其他应力。为了提供安全、娱乐、远程信息处理、控制和人机界面等应用领域所需的特性和功能,系统工程师迅速采用高性能电子器件。随着精密电子器件的使用日益增加,系统也变得越来越复杂,而且更易受到电子干扰,其中包括过压、闩锁状况和静电放电 (ESD)事件。这些应用中采用的电子电路需要具有高可靠性和对系统故障的高耐受性,因此设计人员在选择器件时必须考虑到环境因素和器件自身限制。

此外,每个集成电路都有制造商规定的一些绝对最大额定值;设计时必须留意这些额定值,才能确保性能可靠且达到公布的技术规格。一旦超过这些绝对最大额定值,则无法保证工作参数;甚至可能导致内置ESD、过压或闩锁保护失效,从而导致器件(并有可能更进一步)损坏或出现故障。

本文描述了工程师在将模拟开关和多路复用器设计到恶劣环境下所用模块中时面临的挑战,并提供了一些一般解决方案建议,以供电路设计人员用来保护容易损坏的器件。另外,文中介绍了一些新款集成开关和多路复用器,这些器件在过压保护、防闩锁特性和故障保护上均有所改善,能够处理常见应力状况。

标准模拟开关架构

要完全弄清楚模拟开关上故障状况造成的影响,首先必须查看其内部结构和工作极限。

标准CMOS开关(图1)采用N和P沟道MOSFET作为开关元件、数字控制逻辑和驱动器电路。N和P沟道MOSFET以并联方式相连,允许进行双向操作,并将模拟输入电压范围可以扩展到供电轨,同时在整个信号范围内使导通电阻保持相当恒定。

标准模拟开关电路

图1. 标准模拟开关电路

信号源、漏极和逻辑控制端对正负源电压都设计有箝位二极管以提供ESD保护,如图1所示。在正常工作模式下,这些二极管反向偏置,因此除非信号超过电源电压,否则不会通过电流。这些二极管的尺寸因工艺而异,不过一般都采用小型设计,以尽量减少正常工作时的漏电流。

模拟开关的控制方式如下:当栅极-源极电压为正值时,N沟道器件导通,而当该电压为负值时则关断;P沟道器件由互补信号进行切换,因此与N沟道器件同时接通。开关的接通与断开是通过在两个栅极上分别施加正负源电压来实现的。

当栅极上的电压固定时,两个晶体管的有效驱动电压随着通过开关的模拟信号极性和幅度变化而呈比例变化。图2中的虚线表示,当输入信号接近电源电压时,总有一个器件的沟道开始饱和,从而造成该器件的导通电阻急剧增加。不过,并联器件在供电轨电压附近相互补偿,因此最终得到的是完全的轨到轨开关,并且导通电阻在信号范围内保持相对恒定。

标准模拟开关RON图

图2. 标准模拟开关RON图

绝对最大额定值

设计时应当注意器件数据手册中规定的开关功率要求,这样才能保证性能、操作和寿命均达到最佳。不幸的是,实际操作过程中存在电源故障、恶劣环境中的电压瞬变和系统或用户故障,因而不可能始终达到数据手册的要求。

只要模拟开关的输入电压超过电源电压,即使电源已关闭,内置ESD保护二极管变成正向偏置,允许流过大电流,这样即会超过那些额定值。正向偏置时,这些二极管导通电流并不只局限于几十毫安,一旦不对这个正向电流加以限制,就可能会造成器件损坏。更为严重的是,故障导致的损坏并不限于开关,也可能影响到下游电路。

数据手册的"绝对最大额定值"部分(图3)描述了器件可以耐受的最大应力条件;请务必注意,这些只是额定最值。长期在绝对最大额定值条件下工作会影响器件的可靠性。设计人员应当始终遵循良好的工程实践做法,在设计中保留余量。此处示例摘自标准开关/多路复用器数据手册。

2 Analog Dialogue 45-05, May (2011) 图3. 数据手册的

2 Analog Dialogue 45-05, May (2011) 图3. 数据手册的"绝对最大额定值"部分

本例中,VDD至VSS 参数的额定值为18 V。该额定值取决于开关的制造工艺和设计架构。所有高于18 V的电压都必须与该开关完全隔离开来,否则将会超过与该工艺相关的元件本征击穿电压,而这可能会损坏器件并导致工作不可靠。

无论是否施加电源,模拟开关输入端的电压上限通常都取决于ESD保护电路,该电路可能会因发生故障情况而失效。

模拟开关—ESD保护二极管

图4. 模拟开关—ESD保护二极管

模拟输入电压极值以超出VDD和VSS 0.3 V为限,而数字输入电压极值以超出VDD和GND 0.3 V为限。当模拟输入超过电源电压时,内置ESD保护二极管变为正偏并开始导通。如"绝对最大额定值"部分所述,IN、S或D上的过压由内部二极管箝位。虽然30 mA以上的电流可以通过内部二极管且不会产生明显影响,但是器件可靠性和寿命可能会有所下降,且随着时间推移可能会出现电子迁移效应(即导线上金属原子逐渐发生移动)。当强电流流过金属路径时,移动中的电子与导线上的金属原子之间会产生相互作用,迫使金属原子随着电子移动而移动。随着时间的推移,这可能会导致开路或短路。

在将开关设计到系统中时,需要考虑到系统中因器件故障、用户错误或环境影响而可能出现的各种潜在故障,这点非常重要。下一节将讨论超过标准模拟开关绝对最大额定值的故障状况是如何损坏开关或导致其工作不正常的。

常见故障状况、系统应力和保护方法

故障状况的出现原因各不相同;表1中列出了一些最为常见的系统应力及其实际来源:

表1

有些应力可能无法避免。无论应力的来源是什么,更为重要的是如何处理其产生的影响。下文问答环节涵盖了过压、闩锁和ESD事件三种故障状况并提供了一些常见的保护方法。

过压

什么是过压状况?

当模拟或数字输入超过绝对最大额定值时,即会出现过压状况。以下三个示例重点介绍了设计人员在使用模拟开关时应考虑到的一些常见问题。

1.电源缺失且模拟输入端存在信号(图5)。

在某些应用中,在模块的电源缺失时,来自远程位置的输入信号可能依然存在。当电源缺失时,供电轨可能会变为地,或者一个或多个供电轨可能悬空。如果电源变为地,输入信号可使内部二极管呈正偏,因而开关输入端的电流将流向地,这时如果电流未受限制,则会损坏该二极管。

故障路径

图5. 故障路径

如果失电导致电源悬空,输入信号可以通过内部二极管给器件供电。因此,开关(可能还有采用其 VDD电源供电的任何其他器件)可能会上电。

2.模拟输入端的过压状况。

当模拟信号超过电源电压(VDD 和 VSS)时,电源被拉至故障信号的二极管压降范围内。内部二极管转为正向偏置,电流从输入信号流至电源。过压信号还可流过开关并损坏下游器件。通过考虑P沟道FET的情况就可以明白这点(图6)。

FET开关

图6. FET开关

栅极-源极电压为负值时,P沟道FET才可接通。当开关栅极等于VDD时,栅极-源极电压为正值,因此开关断开。在未加电电路中,当开关栅极等于0 V或输入信号超过 VDD时,栅极-源极电压现在为负值,因此信号将流过该开关。

3. 向采用单电源供电的开关施加双极性信号。

这种情况类似于前文所述的过压状况。当输入信号降至地以下,从而导致信号输入端和地之间的二极管呈正偏并开始传导电流时,就会发生该故障。当向开关输入端施加偏置0 V DC的交流信号时,对于输入波形负半周的某一部分,寄生二极管可能呈正偏。如果输入正弦波降至约–0.6 V以下,就会发生这种情况,那时二极管将导通并对输入信号进行削波,如图7所示。

削波

图7. 削波

处理过压状况的最佳方式是什么?

上述三个示例都是模拟输入超过电源(VDD, VSS或GND)所导致的结果。针对这些状况的简单保护方法包括添加外部电阻、对电源添加肖特基二极管和在电源上添加阻断二极管。

限流电阻可以串联在开关通路和外部电路之间(图8)。该电阻必须足够大,以便将电流限制在约30 mA(或绝对最大额定值所规定的大小)。明显缺点是每个沟道的RON有所增加(∆RON),因而最终导致总体系统误差增加。另外,对于采用多路复用器的应用,关断通道外部电路上的故障会出现在漏极处,从而导致其他沟道产生误差。

电阻二极管保护网络

图8. 电阻二极管保护网络

肖特基二极管连接在模拟输入端和电源之间,可以提供保护,但是会造成漏电流和电容的增大。这些二极管可以防止输入信号超过电源电压0.3 V至0.4 V以上,从而确保内部二极管不会变成正向偏置,因而也就不会产生导通电流。籍由肖特基二极管转移电流可以起到保护器件的作用,但必须小心不要让外部器件受到过应力。

第三种保护方法需要与电源串联阻断二极管(图9),从而阻断流过内部二极管的电流。输入端上的故障导致电源悬空,而最大正负输入信号成为电源。只要电源未超过工艺的绝对最大额定值,器件应该都可以耐受故障。这种方法的缺点是受电源上的二极管影响而导致模拟信号范围有所缩小。此外,施加于输入端的信号可能通过器件并影响下游电路。

与电源串联的阻断二极管

图9. 与电源串联的阻断二极管

这些保护方法虽然各有优点和缺点,但都需要外部器件、占用额外电路板空间并带来额外成本。在高通道数应用中,这点可能显得尤为突出。要消除外部保护电路,设计人员应当寻求可耐受这些故障的集成保护解决方案。ADI公司提供有多种集成有断电、过压和负信号保护功能的开关/多路复用器系列器件。

预防措施有哪些?

ADI公司的ADG4612 和 ADG4613具有低导通电阻和低失真性能,非常适合要求高精度的数据采集系统。导通电阻曲线在整个模拟输入范围都非常平坦,可确保拥有出色的线性度和低失真性能。

ADG4612系列器件提供断电保护、过压保护和负信号处理功能,这些功能是标准CMOS开关所无法处理的。

无电源时开关仍然处于断开状态。开关输入端呈现为高阻抗,有限的电流,就可以使开关或下游电路损坏。对于电源接通之前开关输入端可能存在模拟信号的应用,或者对于用户无法控制电源上电时序的应用,ADG4612非常有用。在断开条件下,高达16 V的信号电平被屏蔽。另外,如果模拟输入信号电平比VDD 高出 VT,开关即会断开。

ADG4612/ADG4613开关架构

图10. ADG4612/ADG4613开关架构

图10显示了该系列器件断电保护架构的框图。该架构能够持续监测开关的源极和漏极输入,并与电源VDD 和VSS进行比较。在正常工作模式下,该开关的行为与支持完全轨到轨工作模式的标准CMOS开关相同。不过,当源极或漏极输入出现比电源高出一个阈值电压的故障状况时,内部故障电路会检测到过压状况并将开关置于隔离模式。

ADI公司还提供多路复用器和通道保护器,当器件上施加有(±15 V)电源时可耐受+40 V/–25 V的过压状况,而在无电源时则可耐受超过+55 V/–40 V的过压状况。这些器件专门设计用于处理断电状况导致的故障。

高压故障保护开关架构

图11. 高压故障保护开关架构

这些器件由串联的N沟道、P沟道和N沟道MOSFET组成,如图11所示。当其中一个模拟输入或输出超过电源电压时,这些MOSFET之一即会断开,且多路复用器输入(或输出)表现为开路,同时输出箝位至供电轨范围内,从而防止过压损坏多路复用器之后的任何电路。这样可以保护多路复用器、其驱动的电路以及驱动多路复用器的传感器或信号源。当电源缺失(如电池断开连接或电源故障)或暂时断开连接(如机架系统)时,所有晶体管都关断,且电流限制在纳安级别以下。 ADG508F, ADG509F和 ADG528F 等8:1和差分4:1多路复用器具有此功能。

单通道保护器 ADG465和八通道保护器ADG467 具有与这些故障保护多路复用器相同的保护架构,但不具备开关功能。带有电源时,通道始终处于接通状态,但在发生故障时,输出箝位至电源电压范围内。

闩锁

什么是闩锁状况?

闩锁可以定义为因触发寄生器件而在供电轨之间构建出低阻抗路径。闩锁发生CMOS器件中:本征寄生器件构成PNPN SCR结构,当两个寄生基极-发射极之一瞬态发生正向偏置时就发生闩锁(图12)。而SCR导通则导致电源之间持续短路。触发闩锁状况的后果非常严重:在"最好"情况下,它会导致器件出现故障,需要上电周期来将器件恢复到正常工作模式;在最差情况下,如果电流未受到限制,器件(还有电源)会受到破坏。

寄生SCR结果:a) 器件 b) 等效电路

图12. 寄生SCR结果:a) 器件 b) 等效电路

前文所述的故障和过压状况都是触发闩锁状况的常见原因。如果模拟或数字输入端的信号超过电源电压,寄生晶体管即会导通。该晶体管的集电极电流会造成第二个寄生晶体管的基极发射极上出现电压降低,而使第二个晶体管导通,导致电源之间出现自持续路径。图12(b)清楚地显示了Q1和Q2之间形成的SCR电路结构。

这类事件段时间就可以触发闩锁。短暂的瞬变、尖峰或ESD事件可能就足以导致器件进入闩锁状态。

此外,如果电源电压超过器件的绝对最大额定值,则可导致内部PN结击穿并触发SCR。

第二种触发机制是当电源电压升至足以击穿一个内部PN结并向SCR注入电流。

处理闩锁状况的最佳方式是什么?

针对闩锁的保护方法包括推荐用于解决过压状况的相同保护方法。通过在信号路径中添加限流电阻、对电源添加肖特基二极管以及在电源上串联二极管(如图8和图9中所示),这些都可帮助阻止电流流过寄生晶体管,从而防止SCR的触发。

具有多个电源时,开关可能还存在上电时序问题,处理不当就可能超过其绝对最大额定值。不恰当的上电时序可导致内部二极管导通并触发闩锁。通过在电源之间连接外部肖特基二极管,可确保当开关上施加有多个电源时,VDD始终位于这些电源的二极管压降(对于肖特基二极管,为0.3 V)范围内,从而防止违背最大额定值,因而可有效防止出现SCR传导。

预防措施有哪些?

作为外部保护电路的备选方案,一些IC采用外延层工艺制造,该工艺可增加SCR结构中的衬底和N井之间的电阻。电阻增加意味着,遇到更恶劣的应力才会触发SCR,从而使器件比较不容易受到闩锁影响。ADI公司的iCMOS® 工艺就是一个例子,该工艺催生了 ADG121x, ADG141x和 ADG161x开关/多路复用器系列。

对于需要防闩锁型解决方案的应用,采用沟道隔离技术的新款开关和多路复用器能够保证工作电压高达±20 V的高压工业应用不会发生闩锁现象。 ADG541x和ADG521x 系列器件针对易于发生闩锁现象的仪器仪表、汽车应用、航空电子和其它恶劣环境而设计。该工艺在各CMOS开关的N沟道和P沟道晶体管之间放置一个绝缘氧化物层(trentch)。该氧化物层在器件之间提供垂直和水平方向上的完全隔离。因此,晶体管之间的寄生PN结被消除,从而生产出完全不会发生闩锁效应的开关电路。

闩锁防护中的沟道隔离

图13. 闩锁防护中的沟道隔离

行业惯例是根据在内部寄生电阻发展出足以维持闩锁条件的压降之前该过压条件下I/O引脚扇入扇出的过电流量,划分输入和输出对闩锁的敏感性性。

一般认为100 mA足够。ADG5412防闩锁系列中的器件可以在1-ms脉冲上耐受±500 mA而不发生失效。ADI公司的闩锁测试是根据EIA/JEDEC-78(IC闩锁测试)来执行的。

ESD—静电放电

什么是ESD事件?

通常来说,ESD是器件上一种最为常见的电压瞬变现象,具体定义为"带有不同电势差的两个物体之间发生的单次快速高电流静电电荷转移。这种现象非常常见:当我们从地毯等绝缘表面上走过时,电荷即会不断积累,之后如果接触设备的接地部分,即会通过设备产生瞬间的高电流放电。

ESD事件产生的高压和高峰值电流会损坏IC。其对模拟开关的影响包括可靠性随时间推移而降低、开关性能下降、沟道漏电流增加或器件完全失效。

在IC生命周期的任何阶段中,无论从制造到测试,还是在搬运、OEM用户和最终用户操作过程中,都可能会发生ESD事件。为了评估IC对各种ESD事件的鲁棒性,确定了对下列仿真应力环境进行建模的电子脉冲电路::人体模型 (HBM), 感应放电模型( (FICDM)和 机器放电模型 (MM).

处理ESD事件的最佳方式是什么?

在生产、组装和储存过程中,可以采用维持静电安全工作区域等ESD防护方法来避免累计任何电荷。这类环境及其中的工作人员通常可以进行仔细控制,但之后器件所用于的环境可能就无从加以控制。

模拟开关ESD保护电路通常采用在模拟及数字输入端和源极之间放置二极管的形式,而电源保护电路也是采用在源极之间放置二极管的形式,如图14所示。

模拟开关ESD保护电路

图14. 模拟开关ESD保护电路

保护二极管可以将电压瞬变箝位并将电流导向源极。这类保护器件的缺点是它们会在正常工作时向信号路径中增加电容和漏电流,而这点可能是有些应用中所不希望的。

对于需要更强ESD事件保护的应用,通常可以采用齐纳二极管、金属氧化物压敏电阻(MOV)、瞬态电压抑制器(TVS)和二极管等分立器件。不过,这些器件会在信号线路上造成电容和漏电流增加,因此可能导致信号完整性问题;这意味着设计人员需要仔细考量,并在性能和可靠性之间进行权衡。

预防措施有哪些?

ADI公司的大多数开关/多路复用器产品都满足至少±2 kV的HBM水平要求,有些器件在性能方面更进一步,HBM额定值高达±8 kV。ADG541x系列器件的HBM指标为±8-kV、FICDM指标为±1.5-kV和MM指标为±400-V,实现高压性能和高ESD防护性能的完美结合,是业界当之无愧的领军产品。

总结

当开关或多路复用器输入来自远程信号源时,发生故障的可能性更大。系统上电时序设计不当或系统热插拔都可能导致过压。在恶劣的电气工作环境中,若未采取保护措施,因连接欠佳或感性耦合导致的瞬变电压可能会损坏元件。此外,出现电源连接丢失而开关输入端仍然连接至模拟信号这样的电源失效时,也会发生故障。这些故障状况可能造成重大损坏,并导致高昂的维修成本。虽然可以采用多种保护设计技术来解决这些故障,但是成本和电路板空间会增加,并且通常需要对开关性能做出权衡取舍;而且即使是实施外部保护电路,也并不是始终都可以保护下游电路。而模拟开关和多路复用器通常是最容易面临各种故障条件的电子元件,因此必须了解这些器件在遇到超过绝对最大额定值的状况时的行为,这点非常重要。

作者简介一些开关/多路复用器产品(如此处提到的器件)内部集成有保护电路,让设计人员无需采用外部保护电路,从而减少了电路板设计中的元件数量和成本。在高通道数应用中,节省将更为显著。

最终,通过采用具有故障保护、过压保护、抗闩锁和高ESD额定值的开关,将可得到符合工业要求的高可靠性产品,让客户和最终用户更为满意。

作者:Michael Manning

Michael Manning graduated from National University of Ireland, Galway, with a BSc in applied physics and electronics. In 2006, he joined Analog Devices as an applications engineer in the switch/multiplexer group in Limerick, Ireland. Previously, Michael spent five years as a design and applications engineer in the automotive division at ALPS Electric in Japan and Sweden.

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加速度计能够测量加速度、倾斜、振动或冲击,因此适用于从可穿戴健身装置到工业平台稳定系统的广泛应用。市场上有成百上千的加速度计器件可供选择,其成本和性能各不相同。

本文分为两个部分,第一部分讨论加速度计的关键参数和特性,以及它们与倾斜和稳定应用的关系,从而帮助你选择最合适的加速度计;第二部分重点关注可穿戴设备、状态监控(CBM)和物联网应用。ps.限于篇幅,今天分享第一部分的内容。

最新MEMS电容式加速度计应用于传统上由压电加速度计和其他传感器主导的应用领域。新一代MEMS加速度计可为CBM、结构健康监控(SHM)、资产健康监控(AHM)、生命体征监测(VSM)和物联网无线传感器网络等应用提供解决方案。然而,在有如此多加速度计和如此多应用的情况下,选择合适的加速度计并非易事。

尚无行业标准界定加速度计属于何种类别。加速度计的一般分类及相应的应用如表1所示。所示的带宽和g值范围是加速度计用在所列终端应用中的典型值。

表1. 加速度计等级和典型应用领域

图1显示了各种MEMS加速度计的快照,并依据特定应用的主要性能指标和智能/集成水平将各传感器归类。本文的一个重要关注对象是基于增强型MEMS结构和信号处理的新一代加速度计以及世界一流的封装技术,其稳定性和噪声性能可与更昂贵的专门器件相媲美,而功耗更低。这些特性及加速度计的其他关键规格将在下文依据应用相关性加以详细讨论。

ADI公司精选MEMS加速度计的应用版图

图1. ADI公司精选MEMS加速度计的应用版图

倾斜检测

主要标准:偏置稳定度、失调温漂、低噪声、可重复性、振动校 正、跨轴灵敏度。

对MEMS电容式加速度计而言,精确的倾斜检测是一种要求颇高的应用,尤其是在有振动的情况下。在动态环境中利用MEMS电容式加速度计实现0.1°的倾斜精度非常困难——1°较易实现。为使加速度计有效测量倾斜度,必须对传感器性能和终端应用环境有很好的了解。相比于动态环境,静态环境对倾斜测量更加有利,因为振动或冲击可能会破坏倾斜数据,引起严重测量误差。倾斜测量的最重要特性有温度系数失调、迟滞、低噪声、短期/长期稳定性、可重复性和良好的振动校正。

0 g偏置精度、焊接引起的0 g偏置漂移、PCB外壳对准引起的0 g偏置漂移、0 g偏置温度系数、灵敏准确度和温度系数、非线性度以及跨轴灵敏度等误差,是可以观测到的,并且可以通过装配后校准流程加以降低。迟滞、使用寿命期间的0 g偏置漂移、使用寿命期间的灵敏度漂移、潮湿引起的0 g漂移,以及温度随时间变化引起的PCB弯曲和扭转等等,这些误差项无法通过校准或其他方法解决,需要通过一定程度的原位维修才能减少。

ADI公司的加速度计可分为MEMS (ADXLxxx)和iSensor® (ADIS16xxx)特殊用途器件两类。iSensor或智能传感器是高集成度(4到10个自由度)且可编程器件,适用于动态环境下的复杂应用。这些高集成度即插即用解决方案包括全面的工厂校准、嵌入式补偿和信号处理,解决了上述需要原位维修的很多误差,大大降低了设计和验证负担。这种全面的工厂校准为整个传感器信号链提供额定温度范围(通常是−40°C至+85°C)内的灵敏度和偏置特性。因此,每个iSensor器件都有其独特的补偿公式,安装后可产生精确的测量结果。对于一些系统,工厂校准可免除系统级校准,大大简化操作。

iSensor器件专门针对某些应用而开发。例如,图2所示的 ADIS16210 专门针对倾斜应用而设计并定制,因此,它能提供

 ADIS16210精密三轴倾斜

图2. ADIS16210精密三轴倾斜

最新一代加速度计架构(例如 ADXL355)提供更多功能(倾斜、状态监控、结构健康、IMU/AHRS应用),包含的集成模块更少针对特定应用,但功能丰富,如图3所示。

低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计ADXL355<br />

图3. 低噪声、低漂移、低功耗3轴MEMS加速度计ADXL355

下面比较通用加速度计ADXL345和新一代低噪声、低漂移、低功耗加速度计ADXL355,后者是广泛应用的理想之选,例如物联网传感器节点和倾角计。这一比较着眼于倾斜应用中的误差源,以及可以补偿或消除的误差。

表2列出了消费级ADXL345加速度计理想性能规格及相应倾斜误差的估算值。试图达到最佳倾斜精度时,必须采用某种形式的温度稳定或补偿。在下面的例子中,假设恒温为25°C。无法完全补偿的最主要误差促成因素是温漂失调、偏置漂移和噪声。可以降低带宽来降低噪声,因为倾斜应用通常需要低于1 kHz的带宽。

表2. ADXL345误差源估算值

表3列出了适用于ADXL355的相同标准。短期偏置值根据ADXL355数据手册中的Allan方差图估算。25°C时,通用ADXL345补偿后的估计倾斜精度为0.1°。工业级ADXL355的估计倾斜精度为0.005°。

表3. ADXL355误差源估算值

通过比较ADXL345和ADXL355可以看出,重大误差贡献因素引起的误差已显著降低,比如噪声引起的误差从0.05°降低到0.0045°,偏置漂移引起的误差从0.057°降低到0.00057°。这表明MEMS电容式加速度计在噪声和偏置漂移等性能方面取得了巨大飞跃,在动态条件下能够提供更高水平的倾斜精度。

选择更高等级的加速度计对于实现所需性能至关重要,特别是应用需要小于1°的倾斜精度时。应用精度取决于应用条件(温度大幅波动,振动)和传感器选择(消费级与工业级或战术级)。在这种情况下,ADXL345将需要大量的补偿和校准工作才能实现小于1°的倾斜精度,增加整个系统的工作量和成本。根据最终环境和温度范围内的振动大小,甚至不可能实现上述精度。25°C至85°C范围内的温度系数失调漂移为1.375°,已经超过倾斜精度小于1°的要求。

25°C到85°C范围内ADXL355的最大温度系数失调漂移为0.5°。

ADXL354和ADXL355可重复性(X和Y轴为±3.5 mg/0.2°,Z轴为±9 mg/0.5°)为10年寿命预测值,包括高温工作寿命测试(HTOL)(TA = 150°C、VSUPPLY = 3.6 V、1000小时)、温度循环(−55°C至+125°C且循环1000次)、速度随机游走、宽带噪声和温度迟滞引起的偏移。这些新型加速度计可在所有条件下提供可重复的倾斜测量,在恶劣环境中无需进行大量校准即可实现最小倾斜误差,而且能最大程度减少部署后的校准需要。ADXL354和ADXL355加速度计能以0.15 mg/°C(最大值)的零失调系数保证温度稳定性。这种稳定性最大程度地减少了校准和测试相关的资源和成本开销,帮助设备OEM制造商实现更高的吞吐速率。此外,产品采用密封封装,可以确保最终产品出厂后重复性与稳定性始终符合其规格参数。

通常,数据手册上不会显示可重复性和对振动校正误差(VRE)的抑制能力,因为这些参数可能暴露产品性能较低。例如,ADXL345是一款针对消费类应用的通用加速度计,VRE不是设计人员的重要关注参数。然而,在惯性导航等高要求应用、倾斜应用或振动频繁的特定环境中,对VRE的抑制能力可能是设计人员的重点关注对象,因此ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357 数据手册会 给出此类参数。

如表4所示,VRE是加速度计暴露于宽带振动时引入的失调误差。当加速度计暴露于振动环境时,相比温漂和噪声导致的0 g失调,VRE在倾斜测量中会导致明显误差。这是不再使用数据手册的主要原因之一,因为很容易掩盖其他主要规格。

表4. 以倾斜度表示的误差

(1 2.5g rms振动引起的1g方位失调的范围为±2g。)

VRE是加速度计对交流振动(被整流为直流)的响应。这些直流整流的振动可能会使加速度计失调发生偏移,引起严重误差,尤其是在目标信号为直流输出的倾斜应用中。直流失调的任何小变化都可能被解释为倾角变化,导致系统级误差。

各种谐振和加速度计(本例为ADXL355)中的滤波器均可能引起VRE,因为VRE对频率有很强的依赖性。这些谐振会放大振动,放大倍数等于谐振的Q因数,而在较高频率时会抑制振动,原因是谐振器存在二阶偶极子响应。传感器的谐振品质因数越高,振动幅度越大,其VRE也就越大。较大测量带宽会将高频带内振动包含在内,引起较高的VRE,如图4所示。为加速度计选择合适的带宽以抑制高频振动,可以避免很多振动相关问题。

在不同带宽进行的ADXL355 VRE测试

图4. 在不同带宽进行的ADXL355 VRE测试

静态倾斜测量通常需要±1g到±2g的低g加速度计,带宽小于1.5 kHz。模拟输出ADXL354和数字输出ADXL355均为低噪声密度(分别为20 μg√Hz和25 μg√Hz)、低0g失调漂移、低功耗三轴加速度计,集成温度传感器,测量范围可选,如表5所示。

表5. ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357测量范围

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357采用密封封装,有助于实现出色的长期稳定性。性能提升与封装通常是正相关,如图5所示。封装常常被忽视,其实制造商可以利用封装来实现更好的稳定和漂移性能。这是ADI公司的一个重点关注方面,我们提供类型广泛的传感器封装以适应不同的应用领域。

高级封装技术和校准带来性能提升的示例

图5. 高级封装技术和校准带来性能提升的示例

高温和动态环境

在适合高温或恶劣环境的加速度计可用之前,一些设计人员曾不得不将标准温度IC用在远超出数据手册限值的情形中。这意味着最终用户须承担在高温下检验器件质量的责任和风险,成本高昂且颇费时间。密封封装能够耐受高温已是广为人知的事实,它通过一道能抵御湿气和污染的屏障来防止腐蚀。ADI公司提供各类密封器件,这些器件具有增强的温度稳定性和性能。ADI公司还大力研究了塑料封装在高温下的性能,尤其是引线框架和引脚适应高温焊接工艺的能力,使其在高冲击和振动环境中牢固可靠。因此,ADI公司提供18款额定温度范围为−40°C至+125°C的加速度计,包括 ADXL206,ADXL354/ADXL355/ADXL356/ADXL357,ADXL1001/ADXL1002, ADIS16227/ADIS16228和ADIS16209。大部分竞争对手未提 供能在−40°C至+125°C温度范围内或恶劣环境条件下(例如重工业机械和井下钻探)工作的MEMS电容式加速度计。

在温度超过125°C的恶劣环境中进行倾斜测量是极具挑战性的工作。ADXL206是一款高精度(倾斜精度

在有振动的动态环境中(例如农用设备或无人机)进行倾斜测量,需要g值范围较高的加速度计,比如ADXL356/ADXL357。有限g值范围的加速度计测量可能会削波,导致输出失调增加。引起削波的原因可能是灵敏轴在1 g重力场中,或者是发生上升时间快但衰减慢的冲击。较高的g值范围可减少加速度计削波,从而降低失调,在动态应用中提供更好的倾斜精度。

图6所示为ADXL356 Z轴的g值范围有限的测量,此测量范围中已经存在1g。

ADXL356 VRE,Z轴相对于1 g的失调,±10 g范围,Z轴方向 = 1 g

图6. ADXL356 VRE,Z轴相对于1 g的失调,±10 g范围,Z轴方向 = 1 g

图7所示为同一测量,但g值范围从±10 g扩展到±40g。可以清楚看到,加速度计的g值范围扩展显著降低了削波引起的失调。

ADXL356 VRE,Z轴相对于1 g的失调,±40 g范围,Z轴方向 = 1 g<br />

图7. ADXL356 VRE,Z轴相对于1 g的失调,±40 g范围,Z轴方向 = 1 g

ADXL354/ADXL355和ADXL356/ADXL357提供出色的振动校正、长期重复性和低噪声性能,而且尺寸很小,非常适合静态和动态环境中的倾斜检测应用。

稳定

主要标准:噪声密度、速度随机游走、运动中偏置稳定度、偏置重复性和带宽。

检测并了解运动可以给许多应用带来好处。掌控一个系统发生的运动,然后利用该信息提高性能(缩短响应时间、提高精度、加快运行速度),增强安全性或可靠性(系统在危险情况下关机),或者获得其他增值特性,是很有益的。由于运动的复杂性,有大量稳定性应用需要综合运用陀螺仪和加速度计(传感器融合,如图8所示),例如UAV监控设备和船上天线指向系统等。

6自由度IMU

图8. 6自由度IMU

6自由度IMU使用多个传感器,以便弥补彼此的弱点。看起来像是一个或两个轴上的简单惯性运动,实际可能需要加速度计和陀螺仪传感器融合,目的是消除振动、重力和其他单凭加速度计或陀螺仪无法准确测量的影响因素。加速度计数据包括重力分量和运动加速度。二者无法区分,但可利用陀螺仪将重力分量从加速度计输出中去除。为了根据加速度确定位置,需要进行积分,在此过程之后,加速度计数据的重力分量引起的误差可能会快速变大。由于累积误差,仅凭陀螺仪不足以确定位置。陀螺仪不检测重力,因此可用作加速度计的辅助传感器。

在稳定性应用中,MEMS传感器必须精确测量平台方位,特别是在运动时。图9是一个采用伺服电机校正角向运动的典型平台稳定系统的框图。反馈/伺服电机控制器将方向传感器数据转换为伺服电机的校正控制信号。

基本平台稳定系统

图9. 基本平台稳定系统

最终应用将决定所需的精度水平,而所选的传感器质量(消费级还是工业级)将决定其能否实现。区分消费级器件和工业级器件很重要,有时候二者的区别很微妙,可能需要仔细考虑。表6显示了消费级加速度计和IMU中集成的中档工业级加速度计的主要区别。

表6. 工业MEMS器件对所有已知潜在误差源进行全面测定,精度水平比消费级器件高出一个数量级以上

在某些条件有利且可接受较低精度数据的情况下,使用低精度器件便可满足性能需要。然而,对能在动态环境中工作的传感器需求迅速增长,较低精度器件由于不能降低实际测量中的振动效应或温度效应而大受影响,很难达到小于3°至5°的指向精度。多数低端消费级器件未提供诸如振动校正、角度随机游走之类的参数规格,而这些规格在工业应用中恰恰可能是最大的误差源。

为了在动态环境中达到1°甚至0.1°的指向精度,设计人员的器件选择必须聚焦于传感器抑制温漂误差和振动影响的能力。传感器滤波和算法(传感器融合)虽然是提升性能的关键要素,但无法消除消费级与工业级传感器的差距。ADI公司新型工业IMU的性能接近于上一代导弹制导系统所用的产品。诸如ADIS1646x和已宣布的ADIS1647x等器件以标准和迷你IMU外形尺寸提供精密运动检测,打进过去的特殊应用领域。

本文第二部分将继续探讨MEMS加速度计的重要工作特性,以及它们与可穿戴设备、状态监控、物联网、结构健康监控和资产健康监控等应用领域的关系。敬请期待哦~

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作为一家已经有52年历史,专注于高性能模拟技术的半导体公司,ADI致力于建立一个连接物理世界与数字世界的桥梁。在物联网越来越趋于高度互联化、高度智能化的当下,在传统汽车厂商越来越重视高科技差异性对比的当下,ADI公司总裁兼首席执行官文森特•罗奇(Vincent Roche) 向《商业周刊/中文版》阐述了公司如何帮助客户实现万物互联、“万能传感”,以及如何布局中国市场。——赵建凯

公司的核心战略是什么?

ADI最重要的一个核心战略就是创新——专注于高性能的模拟技术创新。当我们讲到高性能模拟技术,就会讲到这几个产品的系列:转换器(模拟转数字、数字转模拟)、放大器(把一个信号加强的功能)、数字处理器、射频、电源管理。这五种核心技术组成了我们高性能模拟技术的整个系列。我们的第二个核心战略是多元化。多元化意味着把我们的技术和客户分布在很广泛的群组里。

如何看待人工智能?

人工智能的核心基础是数据处理。解决人工智能问题,基本上有两条途径:一种是在云端或后端放入很大很强的计算能力做集中化数据处理;另外一种途径——ADI认为是未来发展方向——是更多的协作处理。在协作处理里面把人工智能进行分区化,在传感器这一端加入更多智能性的处理。这样的话,在数据采集和数据上送的时候就不是原始数据而是有效信息,对在云端的数据存储和数据处理的要求就没有那么强。

ADI在中国市场的业务布局如何?

ADI看到,有五个领域在中国有非常大的商机。一个是汽车无人驾驶领域,这会带动整个汽车行业的发展和演变。第二个由两部分组成的:5G通信基础设施加上在客户端上物联网的应用会共同推动通讯的发展。第三个是能源,不仅是新能源的建立,还有如何储存能源,如何更有效地传输能源,这都是很重要的应用突破。第四个是工业自动化,也是中国讲的“中国制造2025计划”,提高制造的效率、自动化程度和智能程度是很重要的机会。最后是医疗的数字化,医疗是技术发展、行业转型的重要领域。

可否聚焦到一两个垂直领域来介绍公司的中国业务?

我们现在在中国业务量最大的两块业务是通信(包括有线和无线通信)和工业。从增长速度来说,最快的是汽车和能源。我们在中国还有两个很重要的技术领域正在突破。一个是新能源汽车。中国政府对环保和整个可持续发展都非常重视,出台了很多政策和补贴措施,这对ADI来讲是一个很大的机会。新能源汽车领域都需要一个核心技术,即电池监控和管理。在这一技术方面,ADI在市场上领先所有的对手约2~3年,在中国这一市场上占有80%~90%的份额。现在,几乎中国所有的电动汽车厂商都用到我们的技术,其中包括比亚迪。

另外一个领域是工业自动化。工业自动化要用很多的机器人,在生产的流程中要求更多的智能性和互联性。ADI可以通过有线与无线的方式,在工业环境里——尽管有很多噪声或无线信号干扰——帮助客户做自动化的信息采集和控制。在这方面,那些在前端做机器人的、做自动化设备的公司是ADI的客户。其中,大疆是我们的直接客户。大疆除了做无人机,还做很多工业领域的控制设备(比如物流领域),它运用ADI的技术再去服务其他领域和客户。

现在的半导体技术发展是怎样的?

现阶段半导体技术的最大特征是融合,即B2B技术与个人消费电子技术正在加速融合。举例讲,我们很多面向消费电子应用所开发的技术,被广泛拓展应用于其他领域中,包括工业、机器人、汽车、化学、生物医学等。因此,消费电子技术是推动B2B技术发展的一个重要驱动因素。

这一波又是和物联网密切联系在一起。从ADI的角度来说,我们又把这个时代叫做“万能传感”(“ubiquitous sensing”)。因为传感是做最重要的数据和信息的采集,这是接下来所有智能设备做计算处理的前提,有了数据才可以做智能化、数字化的下一步工作。

工业互联网对于信息计算技术的挑战在哪里?

现在中国重点发展工业物联网。工业物联网需要解决两个最重要的挑战,除了要在传统的机器里面触发各种各样的传感器,还要把这些机器和传感器的数据信息全部连接起来。对大部分的企业来讲,这是非常困难的。难点不仅体现在数据采集上,还有数据的连接和安全性,以及数据的高可靠性、高可用性上。

要想实现工业物联网,除了让传感器能够获得很多数据外,这些数据通过连接还要都被传到云端。但是,只有那些有用的、相关的数据对后台的决策才是最重要的。ADI注重在传感器这一端集成很多智能性,在数据获得的过程中只将最为重要相关的数据传输到后台,这就减少了数据传输的压力,而且这些数据与后台决策是最相关的、最有效的,从而加速后台决策速度。

ADI是如何与传统汽车厂商合作的?

以往,传统汽车厂商相互之间差异化的对比主要聚焦在汽车引擎技术上。而现在,传统汽车厂商间对比最重要的是怎样应用电子技术和信息技术。

原来车厂不是那么重视信息技术或半导体技术公司,但现在车厂直接跳过中间环节,与关键半导体技术的供应商直接建立关系。ADI有各种各样的传感技术和关键的半导体技术,这也是为什么汽车厂商愿意和ADI建立直接战略合作的原因之一。ADI的其中一个合作伙伴就是奥迪。

在合作过程中,车厂和关键半导体技术供应商之间首先要有一个共同规划,设想十年以后这个市场会怎样发展,会需要什么样的技术能够支持这样的市场的发展,现在就开始共同研发。最终,双方的共同技术路线图能够支持整个市场未来的需求。

本文转自:《商业周刊/中文版》2017年第22期

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Jan-Hein Broeders ADI公司

测量多个参数,读数准确,电池寿命长,—这些对于可穿戴健康设备而言最重要。

自从10年前第一台计步器上市以来,已发生很大变化。最初,测量仅关注计步功能。十年来的研究结果表明,每天走路10000步,即可保持卡路里摄入和消耗平衡。同时,可穿戴设备增加了其他功能和特性,例如测量心率、心率变化、体温和皮肤电导率。可穿戴设备最初是为体育和健康目的而设计,但现在正慢慢进入医疗市场。随着这种转变,我们必须更加依赖测量的准确性和电池的寿命的长短。一块电池能够维持设备运转的时间越长,越容易为用户所用。

本文介绍一款新一代可穿戴设备产品,包括如何提高您的系统可靠性和能效的技巧和提示。

用于心率测量的PPG

说到身体健康,我们身体中最重要的器官就是心脏。可以将它视为人体系统的发动机。没有运行良好的心脏,我们将会面临严重的健康问题。为此原因监测心脏功能是重中之重。当每分钟心脏跳动数超出正常值时,我们有充分的理由检查我们的心率。除此之外,我们可以通过心脏的活动频率获取大量的心脏行为信息。当身体需要进行更多活动时,心率加快,为细胞带来更多的营养和含氧血。持续高心率和心率快速变化不是好事,这可能表示存在房颤等心脏疾病。

详文请阅:当每一μA都发挥其作用!

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