当您的设备需要捕捉比头发丝细千倍的10μV级信号时，如何对抗环境噪声的百倍干扰？在极端温度与高压环境下，如何保障信号链的长期稳定性？共模半导体为您揭秘工业级精密信号处理的硬核科技！
一、精密模拟信号链的挑战与定义
核心痛点：
这些“微弱信号”的特征都是微伏级别，在探测和处理这些信号就显得非常困难，因为往往来自环境的噪声和干扰信号往往要比这些信号本身都要大，如果对这些噪声和干扰处理的不好，这些“微弱信号”就无法被有效提取出来。
定义：
这里所指的精密模拟信号链系统是针对高频“微弱信号”的探测和处理，在工业、医疗、通信等领域有着广泛应用，”微弱信号”的典型特征指标通常是以下几种：
精密传感器: 10µV：精密传感器的最小信号幅度或分辨率在10µV以内；
射频：-100dBm：通信系统里接受最小的信号强度低于-100dBm，相当于2.5µV以下；
测量：16bits、1MSPS：工业或医疗仪器测量信号的精度高于16位以上，且速率不低于1Msps ；假设满量程是1V的测量系统，对于16位精度，1 LSB=15µV；对于18位精度，1LSB = 3.8µV;对于20位精度，1LSB=1µV。
我们把用来探测和处理这些微伏级别的“微弱信号”的模拟系统称为精密模拟信号链系统，特别的，这些信号也往往都是特指频率较高且最低频率远高于音频的信号，最低100ksps，典型的信号频率一般在1Msps以上。
二、高可靠的定义
高可靠性主要特指系统应用环境，如高压应用，如12V/24V/36V/48V；如宽温应用 -40℃~125℃ 或 -55℃~150C℃的温度范围。在高压和宽温的应用环境下，也能保证系统长期稳定运行，不发生致命的失效。
三、精密模拟信号链系统组成及关键指标
精密模拟信号链系统组成：
核心组件包括了电源、基准、放大器和数据转换器(ADC/DAC)四个大类；它们之间相互配合和协同工作，才能顺利的完成“微弱信号”的探测和处理，缺一不可。
例如：在处理一个信号带宽频率为1MHz, 信号最小幅度为1µV的射频信号时，放大器的放大倍数为10，如果来自电源、放大器的噪声高于了1µV，或基准源噪声高于10µV，那么信号就会被噪声干扰到。
在精密模拟信号链系统中，由于电源芯片的数量非常多，又分为开关电源和线性电源，且系统中噪声和干扰中很大一部分都来自于电源，因此电源更注重于噪声和干扰的指标优化，而其余类别的芯片如基准、放大器、ADC、DAC更注重于和精度相关的指标优化；因此，"精密模拟信号链系统"也可以细分为"高性能电源"与"高精度模拟信号链"两大类。
虽然现代信号系统越来越多都用到复杂的数字信号处理算法来替代模拟信号处理，但是一个高度复杂的高性能信号系统中，高精度的模拟系统（高性能电源与高精度信号链) 仍然起着决定性的作用。例如：在工业机器人领域，高性能电源能够确保机器人在高强度、高频率的工作状态下稳定运行。而高精度信号链则能够确保机器人对外部环境的精确感知和快速响应。
精密模拟信号链系统包含核心组件及关键性能：
高性能电源：低噪声、低纹波、低EMI、高压、大电流、高功率密度、快动态响应
高精度基准源：高精度、低噪声、低温漂、低时漂
精密放大器：低噪声、零失调、零温漂、动态范围大，低谐波失真
高精度数据转换器ADC/DAC：高分辨率、高速、零失码。
技术突破点：
通过"三阶降噪体系"实现信号纯净度跃升：
四、精密模拟信号链系统的应用领域
红外传感
典型应用是热成像，红外图像探测器的信号幅度通常在10µV左右，频率在10k~500kHz之间，信号从放大到经过ADC转换成数字图像信号后，在经过FPGA或DSP进行处理。一方面，由于红外信号本身就非常微弱，很容易受到噪声和外部干扰影响，在整个信号链的通路上，就需要放大器、电源的噪声都低于10µV，而且越低越好。另外在图像信号频段10k~500kHz的干扰信号也要低于10µV，通常就需要一个高PSRR的线性电源LDO来隔离开关电源DCDC的纹波干扰。另一方面，因为信号特别微弱，要提供图像的高分辨率，对于为ADC提供参考电平的基准源REF的精度要求也非常高，比如放大器提供了100倍的放大系数，10µV的信号经过放大后达到1mV级别，要保证1mV的分辨率精度，也需要基准源REF的精度能在1mV以内。
医疗影像
典型应用是超声成像、数字X光、核磁共振MRI、CT成像，这类应用通常都有一个信号发射端和信号接收端。在发射端，信号通过数字预处理，通过DAC转换成特定模式的模拟信号再发射出去；在接收端，信号通过探测器转换成电信号，经过模拟前端的放大、滤波和ADC转换成数字信号，再通过FPGA的数字处理将图像恢复出来。
一方面，信号发射的强度是严格受人体安全要求规范的，所以发射功率都是越小越好；另一方面，由于成像的要求越来越高，像素点越来越多，因此每个像素点接收到的信号也越来越小；因此发射端信号的信噪比要高，接收端信号的灵敏度要高。这些都需要降低整个系统内的各种噪声和干扰，同样需要超低噪声和低纹波的电源、也需要超低噪声和高共模抑制比CMRR的放大器、及高精度的基准源。又因为安全性的要求，医疗影像系统对于噪声和干扰的要求越来越高，所需要处理的“微弱信号”会达到1µV的级别，对应的ADC精度往往已经到达了20bits， 所以对整个信号链路上的模拟器件的要求极其苛刻。低噪声、抗干扰及高精度的设计都是关键核心。
通信
在通信领域中，同样存在信号发射端和接收端。在发射端，信号通过数字调制，通过DAC转换成模拟基带信号经过混频后再通过功率放大器发射出去。在接收端，信号通过探测器或接收器转换成电信号，经过模拟前端的放大、混频、滤波后通过ADC转换成数字基带信号，再通过数字处理方法将信号解调恢复出来。
特别是在远距离高速通信，如卫星通信应用中，一方面，对发射端的信号信噪比和频谱杂散度有严格要求，因此对功率放大器的线性度、混频时钟抖动和电源噪声也有严格要求；另一方面，对接收端的灵敏度和信噪比也同样有严格要求，如果需要能检测到-100dBm强度的信号或者接收是高调制比信号（如QAM-64），接收系统中对所有的噪声、干扰和非线性的要求都会转换成：电源噪声和纹波干扰，放大器和混频器的噪声和线性度，时钟的相位噪声，基准源的精度、数据转换器的精度和速度等指标；对于-100dBm的接收灵敏度要求而言，就相当于2.5µV的最小精度，而系统上引入的噪声和干扰都必须低于它。
精密仪器仪表
典型应用是示波器、网络分析仪、高精度万用表、信号发生器等。通常仪器仪表类产品应用于工业现场、专业测试等领域，往往要求是电压范围宽、频率范围宽、负载动态变化大、精度分辨率高。如输入电压范围 +/-60V，频率范围 DC-1GHz，负载动态变化0-10A，精度分辨率10µV；对于这类应用更需要模拟信号链系统具有高宽压、低噪声、抗干扰、高精度、 低失调、高动态的特性，是精密模拟信号链的集大成者。
对于通用的模拟信号链测量系统，简单直观的用高精度万用表的等效ADC精度和等效噪声干扰大小来分级的话，可以分为：
等效ADC精度 | 等效噪声 | 万用表精度 |
12bits | 480uV |
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14bits | 120uV |
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16bits | 30uV | 5位半 |
18bits | 7.6uV | 6位半 |
20bits | 1.9uV | 7位半 |
五、共模产品及解决方案
共模半导体根据应用领域复杂度和通用度的不同，将产品分为"高性能电源"与"高精度模拟信号链"两大类，持续推出高可靠高性能的通用模拟芯片，旨在为精密模拟信号链系统提供全栈式解决方案。
在高性能电源方向，致力于提供噪声最低、干扰最小、高效率和小体积的电源芯片解决方案，产品形态包含线性电源LDO和开关电源DCDC
动力基石——高性能电源
在高精度模拟信号链方向，致力于提供高精度、低噪声、低失效、低温漂、高速的核心信号调理芯片解决方案，产品形态包含放大器、基准源、数据转换器（ADC/DAC)。
精度标尺——基准源
信号塑形——精密放大器
数模桥梁——数据转换器
案例1：红外热成像系统升级
案例2：5G基站接收链路优化
随着新能源汽车、航空航天等领域的快速发展，高性能电源与高精度信号链的应用也在不断拓展。这些领域对电源和信号链的性能要求极高，需要能够应对复杂多变的工作环境和高强度的使用需求。