Im Sommer 2004 zeigte eine Standard-Ultraschalluntersuchung, dass Steve Schnier und seine Partnerin Zwillinge erwarteten. Einige Wochen später waren sie überrascht, als eine weitere Ultraschalluntersuchung zeigte, dass noch ein drittes Baby auf dem Weg war. 

Steve Schnier, ein Systemingenieur in unserem Geschäftsbereich Schaltregler, hatte die Vermutung, dass ein unerwünschtes Rauschen – oder Signalstörungen im Ultraschallsystem – mit großer Wahrscheinlichkeit hinter dieser Anomalie steckten. 

„Ich habe diese Verbindung nie wirklich hergestellt, bis ich anfing, mit medizinischen Bildgebungsgeräten und drahtloser Infrastruktur zu arbeiten. Hier ist Rauschen ein großes Problem“, so Schnier, dessen Drillinge jetzt junge Erwachsene sind, die sich auf das Studium vorbereiten.

Erfahren Sie mehr über unsere rauscharmen und präzisen Technologien.  

Fast zwei Jahrzehnte sind seit Schniers Ultraschallüberraschung vergangen und die Technologie hat sich erheblich verbessert. Die Suche nach Möglichkeiten, das Systemrauschen zu verringern und die Signalqualität zu verbessern, um präzise Signalketten zu ermöglichen, bleibt jedoch eine Herausforderung für Entwicklungsingenieure in einer Reihe von Branchen.

Die Auswirkungen von Rauschen auf die Systemleistung verstehen

Beim Betrieb komplexer Energiesysteme ist Stille Gold wert – aber es ist alles andere als sicher. Rauschen ist ein elektrisches Nebenprodukt, das von allen Komponenten erzeugt wird und aus verschiedenen Quellen stammen kann, darunter elektromagnetische Störungen (EMI) und thermische Wärme. Es verfälscht Signale und führt zu Messverzerrungen, die zu Fehlern, Fehlberechnungen oder Fehlinterpretationen führen können, die letztendlich die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigen. 

Rauschen kann elektronische Systeme ebenfalls anfälliger für äußere Einflüsse wie Temperaturschwankungen und Spannungsschwankungen machen. Diese externen Faktoren können das Rauschen noch verstärken und zusätzliche Ungenauigkeiten verursachen. 

In empfindlichen Systemen wie medizinischen Bildgebungsgeräten kann übermäßiges Rauschen zu unscharfen oder möglicherweise ungenauen Bildern führen. Rauschen kann auch die Genauigkeit und Präzision von Test- und Messgeräten beeinträchtigen, was ungenaue Ergebnisse zur Folge haben kann.

Präzision in Elektrofahrzeuge integrieren

Die Herausforderungen im Bereich des Rauschens sind besonders wichtig für Automobilingenieure, die Elektrofahrzeuge (EVs) designen oder autonome Fahrsysteme entwickeln, bei denen eine präzise Signalisierung für die Sicherheit und Leistung entscheidend ist.

„In Elektrofahrzeugen befinden sich empfindliche Systeme für die Sicherheit oder das Parken, die anfällig für übermäßiges Rauschen sind und sich in unmittelbarer Nähe zu den Hochleistungskomponenten befinden, die ebendieses Rauschen erzeugen“, so Jeff Morroni, Direktor für Forschung und Entwicklung im Bereich Energiemanagement bei Kilby Labs, unserem Labor für angewandte Forschung. „Genau das ist es, was wir mit unseren geräuscharmen und präzisen Technologien erreichen wollen.“ 

Empfindliche Systeme müssen so robust sein, dass sie dem durch Hitze und physische Belastung erzeugten Rauschen standhalten. Der Aufprall eines Autos auf eine Bodenwelle kann genug Belastung erzeugen, um die Signalgenauigkeit zu beeinträchtigen. Rauschen kann den Betrieb von autonomen Fahrsystemen beeinträchtigen, während bei LIDAR-Systemen (Light Detection and Ranging) das sogenannte „Ghosting“ auftreten kann – die Erzeugung von falschen oder irreführenden Signalen oder Bildern. Die Lithium-Ionen-Akkus, die die Elektrofahrzeug-Revolution antreiben, können instabil werden und können bei Überhitzung ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Bausteine zum Energiemanagement, die Verzerrungen und Rauschen minimieren, werden in der Signalübertragungs- und -aufbereitungskette verwendet und sind daher entscheidend für ein klares Signal. Dieselben Leistungsbausteine versorgen auch die Taktgeber-ICs und Präzisions-ADCs (Analog-Digital-Wandler) und DACs (Digital-Analog-Wandler), um eine komplette rauscharme und hochpräzise Signalkette zu ermöglichen.

Einer der greifbarsten Vorteile der Rauschreduzierung ist die verbesserte Reichweite von Elektrofahrzeugen. Je genauer die Entwickler die Spannungssignale der Batterien von Elektrofahrzeugen messen können, desto mehr Kilometer können sie mit einer einzigen Ladung zurücklegen. Hochpräzise Batterieüberwachungsgeräte und Balancer mit der Fähigkeit, bis auf Millivolt (ein Tausendstel Volt) zu messen, wie unser BQ79718-Q1, können die Reichweite erheblich verbessern.

„Wir sprechen hier von einer Verbesserung von etwa 10 bis 15 % – einfach durch die Möglichkeit, die Spannung genauer zu messen“, so Jeff Morroni. „Das führt direkt zu einem Mehrwert für den Kunden hinsichtlich der Kosten der Batterien.“

Reduzierung von Designzeit und Kosten mit rauscharmen Technologien

Zur Minimierung des Rauschens gehört ein genauer Blick auf jedes Glied der Signalkette. Halbleiter erzeugen von Natur aus Rauschen, das die Leistung anderer Komponenten beeinträchtigen kann. Dieses Rauschen kann jedoch durch passive Filterung, Kontrolltechniken und andere einzigartige Prozesstechnologien „gedämpft“ werden. Darüber hinaus können Leistungskomponenten wie rauscharme Low Dropout (LDO)-Regler, Abwärtswandlers und Spannungsreferenzen ebenfalls zu einem niedrigen Systemrauschen beitragen.

Seit Jahrzehnten sind rauscharme LDOs der Industriestandard für die Bereitstellung rauscharmer Stromversorgungen. Sie sind einfach zu integrieren und bieten die sauberste und präziseste Versorgungsschiene für hochsensible Anwendungen. Unser TPS7A94 bietet beispielsweise die rauschärmste Stromversorgung auf dem Markt mit einer hohen Genauigkeit der Ausgangsspannung und einem extrem hohen Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis. So kann er eine saubere Versorgungsschiene erzeugen, die die Systemleistung nicht beeinträchtigt.

Unsere Abwärtswandler der TPS62913/2-Serie sind derweil in der Lage, das Rauschen in Stromversorgungsarchitekturen zu reduzieren, ohne dass ein LDO zur Regulierung der Stromspannung erforderlich ist. Und obwohl sie etwas mehr Rauschen verursachen als ein LDO, sparen sie Platz und Kosten ein, erhöhen die Effizienz und reduzieren Leistungsverluste sowie thermische Probleme. 

Spannungsreferenzen sind ein grundlegender Baustein in Datenumwandlungssystemen und spielen ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Rauschen. Spannungsreferenzen erfordern eine außergewöhnliche Stabilität, um Fehler in einer Signalkette zu vermeiden. Unsere REF70, eine ultrapräzise Spannungsreferenz, setzt einen branchenführenden Maßstab für geringes Rauschen, was zusätzliche Bits vom ADC freischaltet und Präzisionsmessungen ermöglicht.

„Ich würde Spannungsreferenzen als den Eckpfeiler eines Signalkettendesigns bezeichnen. Jede einzelne Komponente von Ihrem ADC bis zu Ihrem DAC muss auf eine Spannung referenziert werden“, so Katelyn. „Die Reduzierung des Rauschens ist wichtig, denn ein hohes Maß an Rauschen kann dazu führen, dass Ihre Systemmessungen außerhalb der Spezifikationen liegen. Wenn das passiert, müssen Sie Ihr gesamtes System herunterfahren, um es zu debuggen und zu kalibrieren. Wenn wir diesen Kalibrierungszyklus verlängern können, bieten wir dem Kunden einen echten Mehrwert durch einen höheren Durchsatz und weniger Ausfallzeiten.“ 

Rauschen ist ein unvermeidliches Nebenprodukt der Stromversorgungsarchitektur. Durch den Einsatz unserer rauscharmen und hochpräzisen Technologien können Ingenieure jedoch Systeme mit branchenführender Genauigkeit auf kleinerem Raum und zu geringeren Kosten entwickeln.

„Rauschen kann bei vielen Anwendungen erhebliche Auswirkungen auf empfindliche Systeme haben – das weiß ich aus erster Hand, sowohl als Vater von Drillingen als auch als Ingenieur“, sagte Steve Schnier. „Wir haben in den letzten 18 Jahren mit der Technologie einen weiten Weg zurückgelegt, um das Problem zu verringern. Doch es gibt immer noch mehr Herausforderungen. Unsere kontinuierlichen Innovationen werden den Ingenieuren dabei helfen, diese Herausforderungen zu lösen und erhebliche Verbesserungen der Systemleistung zu erzielen.“