认识模拟芯片
一、背景由于在车载系统的工作过程中，其对信号的处理流程大体是先通过各种传感器对真实世界中的如声音、压力、温度等信号进行采集并处理后形成电信号，接着通过模拟芯片对此电信号进行处理，再经由模/数转换后，真 ...
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| 一、背景 由于在车载系统的工作过程中，其对信号的处理流程大体是先通过各种传感器对真实世界中的如声音、压力、温度等信号进行采集并处理后形成电信号，接着通过模拟芯片对此电信号进行处理，再经由模/数转换后，真实世界的信号便成为了数字世界中的0或1，最后交由软件进行处理以实现相关的功能。以温度信号为例，其大体示意如下：  图1 现实世界信息到数字世界信号的转变过程 在此过程中模拟芯片作为现实世界与数字世界的接口，为了进一步了解其工作原理，我们首先需对它们有所认识，在此因素的驱动之下，于是便有了本文的诞生。 二、集成电路概述 在种类繁多的半导体行业中按其产品实现功能的不同，大致可将其分为集成电路（Integrated Circuit，IC）、分立器件、光电子器件和传感器四类。其中集成电路即我们通常所称的芯片，在芯片的工作过程中，根据其所处理的信号类型的不同，又可将其分为数字芯片和模拟芯片两种。 数字芯片：主要用于处理离散数字信号（0/1）的芯片，其种类较少，通常包括微处理器（MCU）、存储芯片（RAM/ROM）和逻辑芯片（CPU/GPU等）三类。  图2 数字信号 模拟芯片：是指由微电容、微电阻等器件组成的模拟电路，并将该电路通过技术手段进行集成后封装为一个IC，用于处理如由声音、温度、压力等信号形成的具有连续函数型的信号。  图3 模拟信号 由于现实世界中的信号种类繁多，为了尽可能准确地对相关信息进行处理，便衍生出了各种各样的模拟类芯片，不过在对其类型的划分上，按其所实现的功能进行分门别类的话，目前仅有电源管理类芯片以及信号链类芯片两种。 三、电源管理类芯片 电源管理类芯片顾名思义是指可实现对整车或控制单元中的电池或电能进行变换、分配、检测等管理功能的芯片，其主要包括如DC/DC或AC/DC等交直流电源转换芯片、驱动芯片、电源管理芯片等产品。  图4 电源管理类芯片 3.1、交直流电源转换芯片 在车载应用中根据对系统中电流实现转换方式的不同可将其分为DC/DC、DC/AC以及AC/DC等不同类型。 DC/DC电源芯片：主要功能是对系统中的直流电进行升压或降压调节。过程中为了确保输出端电压的稳定，DC/DC芯片会通过反馈电压与内部基准电压的比较，对MOS管驱动波形的占空比进行调节，以此来保证输出电压的稳定。目前DC/DC电源芯片按应用场景及技术实现手段的不同演化出了线性DC/DC和开关式DC/DC两种类型。 线性DC/DC是通过低压差线性稳压器（LDO）来改变晶体管的导通程度，进而对输出的电压与电流进行控制，此类芯片产品具有成本相对低、输出稳定性高等特性，但由于受其技术实现原理所限，当输入输出端电压差太大时，将会大大增加芯片的能耗，为此此类芯片仅适合用于差压较小的场景。 开关式DC/DC是通过由高频稳压管、电感器等器件组成的直流输出电路对占空比或频率进行调节，从而实现对输出端电压的控制。其相较于线性DC/DC在设计上更加复杂，但也由于精细化的设计，使得该类型产品具有功耗更低、体积小的特性。目前根据其输出电压的不同，可分为降压、升压和升降压三类。  图5 DC/DC芯片内部 AC/DC电源芯片：主要实现系统中交流电到直流电的转换功能，其与DC/DC具有相同的分类方式，也存在线性AC/DC和开关式AC/DC两种类型。其中线性AC/DC采用传统变压器结构，让产品具有了更加简洁的硬件架构，但由于变压器体积巨大，也导致了其难以微型化的缺陷。而开关式AC/DC通过如MOSFET开关管的应用，让产品具有了更小的体积与更低的能耗，目前该类产品在车载应用中有如OBC等场景。  图6 AC/DC在车载OBC中的应用 DC/AC电源芯片：主要实现对系统中的直流电到交流电的转换功能。在以动力电池的直流电为主要应用的新能源汽车上，DC/AC的应用场景有如PTC加热器、水泵、油泵、空调压缩机等具有高压应用的辅逆变器中，以此来完成小功率DC/AC的转换，同时随着用户对车用场景的拓展，通过充电口由外接设备实现DC/AC的转换应用正在增加，不过外接设备已经不属于车载范畴了。 3.2、驱动芯片 该产品在硬件设计中常位于主电路与控制电路之间，通过对控制电路信号的放大实现对特定器件的驱动作用，按其应用的不同可分为显示驱动芯片、音频功放芯片、电机驱动芯片等。 显示驱动芯片：如LCD/LED等驱动芯片通过采用标准接口接收相关数据以生成相应的电压、电流等信号，进而驱动终端显示设备呈现所需的文本或图案，在车载应用中如对灯光阵列进行重新显示定义，以此来作为个性化用车的体现之一。  图7 车灯自定义显示 音频功放芯片（功率放大器）：通过放大来自音源或前级放大器输出的弱信号，以此实现对相关设备的驱动，从而使其发出声音。根据芯片功率及放大效果的不同，该产品可划分为A、B、AB、D四类，其中前三类为线性功放芯片，D类为数字功放芯片，四者主要特性如下：  图8 音频功放芯片特性 电机驱动芯片：用于控制电机工作，对其实现如转速、扭矩、位置以及相关保护等功能的芯片。在车载应用中如电机控制器对驱动电机的控制作用以及车身控制器对车窗升降电机的控制等。 四、信号链类芯片 信号链类芯片的主要功能是实现对传感器、天线端接收到的相关模拟信号进行收/发、放大、过滤、转换等功能，并将其由连续的模拟信号转换为可适用于计算机语言的离散数字信号，是实现现实世界与数字世界信息转换的桥梁。该产品主要包括如运算放大器、数据转换器、接口芯片等。  图9 信号链类芯片 运算放大器：通过芯片与外部硬件电路的结合实现对相关信号的放大、求和、微分、积分等运算，又可通过与晶体管等有源器件的搭配实现数模、模数、调制等功能。  图10 运算放大器内部结构 数据转换器：主要实现模拟信号与数字信号之间的转换功能，根据转换形式的不同，可分为数模转换（DAC）与模数转换（ADC）两类。其中按照输出信号类型的不同，DAC 可分为电压型和电流型两种，而同样的，按照工作原理不同，ADC也分为了间接ADC和直接ADC两类。 接口芯片：主要应用于数字信号的传输过程，产品类型如隔离器、信号收发器、数据缓冲器等。 如上简述，对模拟芯片按类别整理如下：  图11 IC分类示意 |
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