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元件產品選擇與容許度分析方法之使用

上網時間: 2007年08月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:類比電路 

類比電路(如圖1所示的橋式感測器電路)選擇元件產品而煩惱時,若能為每個插座選擇市場上的最佳零件,很快就可以解決這個問題。這種方式可帶來十足的信心,以及「電路不需重新設計即可如預期運作」的安全感。然而,試圖為此應用電路裡的所選的元件產品背書,特別是看到列在用料單上的元件產品價錢時,原先信心滿滿之感嘎然而止。那麼,到底該不該把最高性能的類比元件產品置於類比數位轉換器之前呢?

使用數位領域中的校準技術,可以排除大多數的電子與感測器誤差。然而,這些技術可能永遠無法使在類比數位轉換功能的較低與較高區域遺失的編碼復原。在單電源供應應用電路中遺失的編碼,是偏移、增益、軌對軌振幅,以及近地雜訊誤差與正電源供應器的副產品之一。如果OEM設計人員未能解釋裝置的變異原因進而解決相關問題,這些誤差將致使每一批生產都會有良率損失。為了討論的簡便性,本文將只評估電路中不同元件的偏移誤差效應。

在本文中,討論在為電路選擇元件產品時有助於用來排除不確定性的兩種工具-和方根值(RSS)與極值分析(EVA)。第一種工具RSS,透過量化方式協助設計人員在選擇訊號鏈零件做決定,為電路找出合適的裝置。而較保守的EVA工具,則會評估電路中裝置在其性能規格下會出現的最糟情況。這兩種工具均有助於在選擇訊號鏈零件時,以量化方式從性能與成本的角度,為電路選擇合適的裝置。

圖1中的系統提供了以1.0gm準確度,感測範圍最高為?896gm(??2lb)的能力。二階低通濾波器可降低系統雜訊,並確保10Hz的系統頻寬。荷重元(LCL-816G,Omega)輸出電壓響應標稱值為2mV/V;荷重元頂端的參考值為5V,儀測放大器(INA326,德州儀器)輸入的荷重元範圍則為?10mV。這個電壓是透過INA326增益而來,並以一個二階低通濾波器濾波(採用德儀OPA350 microPOWER CMOS運算放大器)。德州儀器的ADS7841四通道12位元SAR類比數位轉換器,接收濾波後的訊號,並將訊號數位化,達成1.0gm的整體準確度。

在選擇感測器、儀測放大器、濾波放大器與類比數位轉換器時,存在著數個基本考量重點(動態範圍、準確度、溫度、製程等等)。為類比數位轉換器選擇正確的位元數,以決定最大動態範圍,然後評估電路中不同裝置的範圍限制。電路中的類比數位轉換器性能通常決定了系統的最佳動態範圍。對轉換器的動態範圍有影響的主要特性為解析度(或位元數)與類比數位轉換器的準確度。偏移、增益、INL與DNL性能則定義了轉換器的準確度。

在轉換的中階範圍可以數位方式校準系統的偏移與增益誤差,或是在類比領域中校準系統的外側區域。本文中的範例將著重在如何處理系統中裝置的外側區域(在兩軌上)偏移誤差。雖然討論只限於室溫下的偏移誤差,這些技巧也可應用在增益誤差、軌對軌放大器輸入/輸出限制,以及雜訊誤差評估上。

利用感測器訊號調節電路,感測器本身即會對系統的動態範圍造成重大影響,並使轉換器的影響相形見絀。例如,感測器的偏移誤差為±0.3mV/V(最大值),在到達類比數位轉換器的輸入之前,誤差要乘以INA326的+245V/V增益。可透過評估來自轉換器的可用位元數與誤差(例如來自轉換器之前的類比訊號鏈偏移),以決定系統的動態範圍。如圖2所示,類比數位轉換器的可能偏移誤差與類比訊號路徑,限制了最接近電源供應器電壓與接地的動態範圍。

系統設計人員可在IC製造商的產品規格表文件中,找到主要的裝置資訊。製造商會根據客戶需求提供更多資訊,但第一次的可行性練習就從這些文件開始。在評估中,將使用兩種裝置誤差,典型的及最小/最大。

最大規格通常包含統計上高出典型規格2到5個標準差的常態分佈群體。如果特定裝置還進行分類和(或)分級的話,情況就不同了,裝置的群體可能無法納入高斯曲線內。在計算中插入適當的「虛構因素」,以檢查這些情況下規格表資料的正確性,並進行工程的判斷。表1列出了在圖1電路中元件的典型與最大/最小規格。

圖1:此荷重元電路說明了決定本系統動態範圍時所用的RSS與EVA計算。本系統的規格位於此圖的左上角。
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圖1:此荷重元電路說明了決定本系統動態範圍時所用的RSS與EVA計算。本系統的規格位於此圖的左上角。

表1:如圖1所示之元件典型、最大與最小性能的產品規格表。
表1:如圖1所示之元件典型、最大與最小性能的產品規格表。

使用和方根值計算做為您的評估工具

要決定應用電路的元件產品可行性時,可以產品規格表的最大值,進行和方根值計算。在計算中所合併的規格,彼此間必須不互相關聯,或是在統計上是獨立的。例如,只要受到溫度與電源供應器影響的變化不同調,如零件間的偏移可能導致的規格誤差,便可合併決定應用電路的外側動態範圍限制。

利用和方根值技巧,首要任務就是對電路中的單一節點計算這些誤差。之後進行工程判斷,決定要接受或調整最大值。比方說,如果為電路選擇的元件產品含有一或更多的瑕疵品(grade-outs),群體就無法納入常態分佈中。在這些情況下,可以增加最大值。對訊號鏈中的每一元件都執行這個動作後,即可以計算這些最大值平方加總的平方根。然後計算和方根值,以判斷電路的動態範圍或軌對軌振幅可輸出功率。

舉例來說,如圖1所示,荷重元的最大偏移誤差為±0.3mV/V。由於荷重元頂端的激發電壓為5V,荷重元的差動輸出的最大偏移誤差則為±1.5mV。加入儀測放大器(INA326)的增益(+245V/V)與二極低通濾波器(搭配OPA350)濾波之後,類比數位轉換器輸入端荷重元的最大直流偏移誤差為±368mV(見表2)。

表2:為圖1所示之裝置的電壓偏移與增益的典型與最大性能規格表。
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表2:為圖1所示之裝置的電壓偏移與增益的典型與最大性能規格表。

在這個例子中,也可以相同類型的計算,將儀測放大器誤差計入類比數位轉換器的輸入中。INA326的典型與最大偏移誤差為20?V與100?V(含)。類比數位轉換器輸入端的這些儀測放大器誤差為4.9mV(典型)與24.5mV(最大)。表2顯示這些計算結果,以及此電路中其他元件的結果。

按照表2,負軌(或接地)的RSS值與電路的正供應軌相等,為369mV。這項計算顯示,在接近二軌處的峰值儲備(head-room)少了369mV。12位元轉換器ADS7841的理想動態範圍為5V。按照圖2,動態範圍的可能減少總數等於(VERR-P+VERR-G)=(369mV+369mV)或738mV。這會降低系統的理想5000mV動態範圍至4262mV或85%。透過RSS技巧,這項計算估計了系統可能出現的「最糟情況」響應。

圖2:本系統的動態範圍從電源供應器負軌以上的最低電壓,往上到正供應以下的最高電壓。可能限制這個範圍的裝置規格為偏移、增益、雜訊與軌對軌輸入/輸出振幅能力。在本文中,只討論偏移誤差的影響。
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圖2:本系統的動態範圍從電源供應器負軌以上的最低電壓,往上到正供應以下的最高電壓。可能限制這個範圍的裝置規格為偏移、增益、雜訊與軌對軌輸入/輸出振幅能力。在本文中,只討論偏移誤差的影響。

使用極值分析來選擇應用元件

只使用規格表的最大值進行計算,則稱為極值分析(Extreme Value Analysis,EVA)。EVA分析假設所有元件總是處於其最糟情況容許度。在這種情況下,大多數製造商就很難以合於成本效益的方式出貨。製造商總是希望能以經濟實惠的出貨價位,提供最大的產品價值。一般而言,低於3標準差的良率相當令人不滿意,但並不會時常都發生。

對特定參數具有3個標準差的良率,表示該指定參數的失敗率為1,000個中只有3個。這代表零件等於或接近規格極限的機率為千分之三。在電路中,2個裝置接近規格極限的機率大約為百萬分之一。

如圖1的例子所示,訊號鏈中元件的加總最大偏移誤差等於396mV(見表3)。只考慮室溫下的偏移誤差並採用EVA計算的情況下,估計動態範圍誤差等於(VERR-P+VERR-G)=(396mV+396mV)或792mV。這個可能的誤差量會降低動態範圍至84.2%。如果儀測放大器、濾波放大器或類比數位轉換器的偏移誤差高於或接近荷重元感測器偏移誤差,系統的估計動態範圍更會大幅降低。以統計方式進行這種計算,幾乎不會有預期失誤。

在RSS與EVA之間做選擇

製造商會在規格表上列出最大規格,但可惜產品規格表中鮮少描述列出超過極限的狀況。一般而言,大多數製造商會選擇最大限制,以確保合理的良率。工程師經常使用特定參數的最大極限,以計算電路的最糟情況性能。這些計算有一個前提假設,那就是目前想要的參數在統計上是獨立的,而製造商也已在生產廠對裝置進行了100%的測試。此外也假設製造商已剔除超過其宣稱最大極限的零件。

較之針對電路中每一獨立裝置完全依賴廠商規格表的方式,RSS計算提供了不錯的估計結果。RSS計算結合非關聯性的規格資料,可以估計出產品的最糟情況。在第一次產品選擇嘗試中,可以使用RSS計算,這項計算可協助設計人員做出合理、經濟的元件產品選擇決策。EVA計算則可提供更可靠系統的較保守評估方式,但由於必須在電路中使用較高性能的元件產品,因此成本較高。

不過最後要提醒的是,在採取元件產品選擇的第一步後,要確定使用相同的評估技術,以量化加諸於製程(例如迴焊)中裝置加工處理的效果,以及因環境暴露而導致的產品生命週期結束效應。

作者:Bonnie C. Baker

資深應用工程師

bonnie@ti.com

Brad Nielsen

類比與功率應用工程師

bnielsen@ti.com

德州儀器




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