創(chuàng)新IC助汽車遠離車禍

在ADC中加入緩存意味著FPGA或DSP可以比帶有緩存的產(chǎn)品更小，還能通過一個獨立的FIFO減少材料清單。

集成前端和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器

毫不令人奇怪的是，TI公司為激光雷達實現(xiàn)自適應(yīng)速度控制提供了一個集成解決方案，即ADC08B200。除了ADC之外，ADC08B200還集成了時鐘倍頻器，因此允許使用低頻時鐘振蕩器。時鐘倍頻器可以將輸入時鐘頻率乘以1、2、4或8，因此使用低至25MHz的時鐘源就能實現(xiàn)200Msample/s采樣率。外部時鐘源甚至可以與FPGA/DSP/微控制器使用的時鐘相同。

此外，這款A(yù)DC的1kB緩存能夠降低對FPGA、DSP或微控制器的速度和復(fù)雜性要求。該緩存能以最高不超過200MHz的任何速率讀取，也可以旁路掉不用，在這種情況下，數(shù)據(jù)將以ADC采樣率連續(xù)輸出。在讀取緩存時可以將轉(zhuǎn)換器功能關(guān)閉以節(jié)省電能。

防止側(cè)翻

ADI公司在汽車安全方面提供了多款不同類型的微機電系統(tǒng)(MEMS)器件。該公司在幾十年前研制氣囊系統(tǒng)的加速度計就開始這方面的研究了。今天，ADI的MEMS陀螺儀可以在汽車處于側(cè)翻危險時通過調(diào)節(jié)剎車壓力來防止某些類型的車禍。如果陀螺儀檢測到汽車即將失控，差動制動器就會啟動以將汽車帶回到平直行駛狀態(tài)。

這種陀螺儀系統(tǒng)還被用于GPS系統(tǒng)中的航位推測功能，該功能能夠在臨時失去衛(wèi)星信號時繼續(xù)提供定位信息。

據(jù)ADI公司透露，這款陀螺儀的電子和機械結(jié)構(gòu)都集成在同一基板上。系統(tǒng)由一個機械傳感器結(jié)構(gòu)和兩組電子元件組成。一組用于驅(qū)動發(fā)生科里奧利(Coriolis)效應(yīng)的諧振器結(jié)構(gòu)中的振動，另一組用于檢測電容結(jié)構(gòu)中由科里奧利力導(dǎo)致的位移。

更具體地講，在這種MEMS陀螺儀中，有一個包含諧振塊的框體通過彈簧連接到基板。在一個方向(本例中為上和下)上以諧振頻率驅(qū)動這個諧振塊，而彈簧的安裝相對諧振運動呈90度。

在汽車行駛過程中，當(dāng)諧振塊遠離旋轉(zhuǎn)中心移動時，科里奧利效應(yīng)將使它加速往右邊移動，從而給框體施加一個向左的反作用力。當(dāng)諧振塊向旋轉(zhuǎn)中心移動時，將產(chǎn)生一個向右的力。這種移動將改變電容結(jié)構(gòu)中交叉感應(yīng)的叉指間距離，從而導(dǎo)致電容容量的改變，并被讀作角速度的變化(圖2)。

圖2：ADI的MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)(a)包含了一個由彈簧支撐的諧振塊和一個電容部件，在電容結(jié)構(gòu)中，一塊“板”(實際上是一組手指)固定在框體上，另一塊隨諧振塊移動。當(dāng)它在距運動中心的任意距離發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(b)，發(fā)生的角位移將在振動塊上產(chǎn)生科里奧利效應(yīng)，從而改變電容值。

電容是一種由許多叉指組成的平面結(jié)構(gòu)。機電振蕩器在其諧振點(約15kHz)驅(qū)動這個機械結(jié)構(gòu)。

設(shè)計檢測電路的挑戰(zhàn)非常艱巨。實際諧振器的位移在10 μm數(shù)量級，但電容中的物理位移只有1埃數(shù)量級——大約相當(dāng)于氫原子的尺寸。從電氣角度看，這種位移導(dǎo)致的實際電容變化量約為90aF(attoFarad)。但噪聲的存在意味著電路必須能夠處理約16費米(16×10-15米)移動產(chǎn)生的約12zF(zeptoFarad)電容容量變化。

雖然許多讀者對幾乎每個科學(xué)博物館大廳中都會看到的旋轉(zhuǎn)陀螺和傅科擺(Foucault pendulums)中的科里奧利效應(yīng)都非常熟悉，但描述這些器件時只能簡單地說，“就像微型傅科擺一樣?！盇DI公司在其線性電路設(shè)計手冊中詳細解釋了這一過程。

陀螺儀用于測量角速度，即物體旋轉(zhuǎn)得有多快。以合適的空間角度組合三個陀螺儀可以提供三維的角運動信息：偏航角、傾斜度和搖擺度。

MEMS陀螺儀的靈敏度測量單位是每秒每度毫伏(mV/°/s)。例如ADI公司的模擬器件ADXRS300，其額定靈敏度是5mV/°/s，在滿量程輸入300°/s條件下輸出為1.5V。ADI公司更加復(fù)雜的產(chǎn)品可以集成3個軸，并提供具有自校準(zhǔn)功能的數(shù)字輸出。

電容變化是非常微小的，這意味著噪聲問題是一個艱巨的挑戰(zhàn)。將包括放大器和濾波器在內(nèi)的電路與機械傳感器放置在同一裸片上很有必要，這樣可以將以諧振器頻率變化的差分信號依據(jù)相關(guān)性從噪聲中提取出來。

一共有兩種噪聲源：隨機的原子振動以及來自空氣分子的撞擊。奇怪的是，將電容結(jié)構(gòu)裸露在空氣中可以取得更好的性能，即使代價是會產(chǎn)生額外的隨機噪聲，因為空氣相當(dāng)于給內(nèi)部結(jié)構(gòu)加了一個防震的墊子。

ADI公司的某些陀螺儀利用了某種技巧來抑制高達1000g的沖擊。它們使用兩個諧振塊以差分方式檢測信號，并能抑制與角運動不相關(guān)的共模外部加速。

兩個諧振塊在機械上是獨立的，并且驅(qū)動相位差180°。因此，它們測量相同的旋轉(zhuǎn)幅度，但它們的輸出是相反方向的。這樣能抵消同時影響兩個傳感器的非旋轉(zhuǎn)信號，并使得使用兩個信號之差測量角速度成為可能。

電源總線上的瞬態(tài)干擾保護

自適應(yīng)速度控制和側(cè)翻保護都是安全方面的問題。但芯片制造商在汽車產(chǎn)品方面的創(chuàng)新已經(jīng)延伸到了更加基本的系統(tǒng)，例如運行這些乘客保護電子器件的電源總線以及重要性較低的一些系統(tǒng)，包括信息娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)。

如何保護電源總線上的器件免受瞬時電壓的干擾？問題看似簡單，但設(shè)計實現(xiàn)起來并不容易。凌力爾特公司(Linear)的LTC6802和LTEC6803兩款產(chǎn)品可用于監(jiān)視混合動力和純電動汽車(EV)的電池組中各節(jié)電池的性能，這些電池可以向汽車的牽引發(fā)動機提供數(shù)百伏的電壓(圖3)。

車載電池組是相對較新的產(chǎn)品，但仍存出一個老問題，不過最近該問題獲得了一對新的解決方案，凌力爾特公司首席技術(shù)官Robert Dobkin透露。這些新的IC能夠利用一種尺寸非常小的器件解決較大的電源總線瞬態(tài)干擾問題。