運(yùn)算放大器在汽車電子設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用，其基本的功能有兩個(gè)：信號調(diào)理與驅(qū)動(dòng)。對于車載的音頻放大器來說，也同樣適用。本文著重從音頻運(yùn)放MC33078的一些基本參數(shù)講起，重點(diǎn)介紹在設(shè)計(jì)中需要注意的一些參數(shù)，以滿足系統(tǒng)和功能的一些運(yùn)用。最后對常用的音頻放大器做了重點(diǎn)參數(shù)的對比，來加深一下對于這些參數(shù)的理解。

打開MC33078數(shù)據(jù)手冊的第一頁，就能看到其主要特性的總結(jié)：

● 低電壓噪聲：4.5nV/√Hz（1）

● 高增益帶寬積：15MHz（2）

● 高壓擺率：7V/μs（3）

● 低失真：0.002%（4）

● 大輸出電壓擺幅：+14.3V/-14.6V（5）

● ESD保護(hù)：2kV（6）

● 本規(guī)格書中包含了宏模型（7）

低電壓噪聲：4.5nV/√Hz（1）

為什么把等效噪聲電壓放在了第一位（1）呢？這其實(shí)是有原因的，在音頻電路的設(shè)計(jì)中，本底噪聲（Noise Floor）的大小決定了放大器的信號噪聲比（SNR）。信號噪聲比越高，對于弱信號放大的能力越強(qiáng)。我們知道，噪聲有5個(gè)主要的來源（見圖1），這里不詳細(xì)展開介紹，筆者以后會(huì)有一篇文章來詳細(xì)介紹如何在設(shè)計(jì)中處理這些噪聲問題。等效噪聲電壓參數(shù)Vn反映了在特定頻率下，放大器內(nèi)部噪聲電壓反饋到輸入端的值，用nV/√Hz來表示。數(shù)據(jù)手冊給出的值是在f=1kHz，信號源阻抗100Ω下的值。從這個(gè)單位可以看出來，這個(gè)值和頻率有關(guān)，同時(shí)也會(huì)隨著頻率而變化（見圖2）。這也就可以理解為什么在放大器的輸入端，需要用（有源/無源）濾波器來把需要放大的信號截止在一定的頻帶范圍以內(nèi)，以減少帶外的噪聲。同樣，為了降低輸入電阻的熱噪聲電壓對本底噪聲的影響，也需要合理地選擇輸入電阻的大小。

圖1：運(yùn)算放大器噪聲的主要來源。

圖2：等效噪聲電壓參數(shù)隨著頻率而變化（藍(lán)線為輸入等效噪聲電壓）。

高增益帶寬積：15MHz（2）

顧名思義，增益帶寬積（GBW）是放大器帶寬和帶寬的增益的乘積，是用來簡單衡量放大器的性能的一個(gè)參數(shù)。對于MC33078來說，由于音頻的帶寬是20Hz~20kHz，所以說它可以實(shí)現(xiàn)的增益是750，也就是差不多約58dB的放大倍數(shù)。這個(gè)放大倍數(shù)已經(jīng)可以滿足絕大多數(shù)音頻電路對于前級放大的設(shè)計(jì)要求了。

高壓擺率：7V/μs（3）

放大器的轉(zhuǎn)換速率即轉(zhuǎn)換速率，是一個(gè)很重要的參數(shù)，在音頻電路里可以這樣理解，對于最高頻率20kHz的正弦波音頻來說，1μs的時(shí)間處理500V的電壓值都不會(huì)有失真。在實(shí)際的應(yīng)用中，一般不會(huì)出現(xiàn)500V的音頻輸入電壓值，因此7 V/μs的這個(gè)數(shù)值已經(jīng)是可以接受的參數(shù)了，不算最好（相對于高速音頻運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率參數(shù)，AD797A 20V/μs，見圖5），但可以滿足作為音頻的電路設(shè)計(jì)指標(biāo)。

低失真：0.002%（4）

總諧波失真參數(shù)（THD）定義為基本信號諧波的均方根電壓與輸出處總均方根電壓之比。THD用dBc或%表示，在這是用%來表示。對于音頻級的輸入電路或者輸出電路的運(yùn)放來說，這個(gè)數(shù)值是可以接受的。因?yàn)閷τ谡麄€(gè)音頻的THD達(dá)到0.01%可以認(rèn)為是高保真的指標(biāo)，0.002%比0.01%小了一個(gè)數(shù)量級的水平。

大輸出電壓擺幅：+14.3V/-14.6V（5）

從電壓輸出擺幅這個(gè)參數(shù)可以看出來，對于采用正負(fù)電源供電（±15V）的MC33078來說，它不是軌對軌的放大器，在正端會(huì)損失掉大約一個(gè)PN結(jié)的正向壓降。

ESD保護(hù)：2kV（6）

這個(gè)值對于運(yùn)放的選型意義不是很大。當(dāng)然這個(gè)值越大越好，那說明它抗ESD的能力強(qiáng)，不容易損壞。因?yàn)樗那凹壔旧鲜且呀?jīng)有了輸入電路，還有ESD的保護(hù)，所以可確保ESD不會(huì)對運(yùn)放產(chǎn)生損害。

本規(guī)格書中包含了宏模型（7）

這個(gè)信息告訴我們它有器件的仿真模型。例如Pspice的模型，在Cadence中可以找到這個(gè)器件（見圖3），點(diǎn)右鍵Edit Pspice Model可以打開（見圖4）。在Pspice的模型編輯器中修改想要改動(dòng)的參數(shù)，可以看到不同的仿真效果。

圖3：Cadence中的器件MC33078。

圖4：MC33078的Pspice模型。

以上只是用MC33078的一些參數(shù)做了一個(gè)例子。圖5給出了一些常見運(yùn)放的參數(shù)對比表，可以體會(huì)一下不同參數(shù)之間的差異對設(shè)計(jì)帶來的影響。選擇一個(gè)合適的放大器既是一門技術(shù)，也是一門藝術(shù)，需要全面均衡地考慮性能、可靠性、可替換性以及成本等很多綜合的因素。做硬件設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)也在于此，需要在數(shù)以萬計(jì)的器件中找到一顆最合適的“寶貝”，然后享受這背后帶來的樂趣。

圖5：常見運(yùn)放的參數(shù)對比表。

作者簡介：

高楊

近20年在汽車電子TOP10公司經(jīng)驗(yàn)，特別是在車載控制器領(lǐng)域（多媒體、車身、駕駛輔助及VCU）。曾任職博世汽車專家級工程師，超過10年在汽車零部件（博世和大陸汽車），5+年汽車半導(dǎo)體（德州儀器和英飛凌），歷任多種資深（系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品）工程師職務(wù)。豐富的平臺開發(fā)（從0到1）及產(chǎn)品開發(fā)的工程經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程師，定義和開發(fā)了德州儀器（TI）第一款智能高邊驅(qū)動(dòng)器（TPS1H100-Q1），填補(bǔ)了公司在汽車電子市場的技術(shù)路線和市場空白。 整理和標(biāo)準(zhǔn)化了與設(shè)計(jì)開發(fā)的技術(shù)文件，可以直接用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)及融入公司的文件體系中，滿足體系審查要求和提高公司的設(shè)計(jì)流程和管理水平。硬件設(shè)計(jì)流程管理的模板（45+篇），硬件設(shè)計(jì)評審和檢查清單模板（50+篇）。 企業(yè)內(nèi)訓(xùn)師認(rèn)證（TTT） ，超過2500頁汽車電子設(shè)計(jì)培訓(xùn)內(nèi)容PPT，滿足從入門、中級及高級汽車電子設(shè)計(jì)的培訓(xùn)要求，目前在4家企業(yè)內(nèi)部實(shí)施過培訓(xùn)，收到了很好的反饋。 目前獲得13件汽車電子專利（截止2019年12月）。《EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)》汽車電子專欄作者

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