运算放大器在电子设计中的特性及选型注意事项

运算放大器在电子设计中有着广泛而重要的应用，但其基本的功能有两个：信号调理和驱动（非功率驱动，此处为信号级驱动）。这对汽车电子设备中的运放来说，也同样适用。本文着重从以下几点来谈：（1）理想放大器的基本特征；（2）实际选型的步骤——由此来理解运放选型过程中需要注意的典型问题，以及在应用下需要注意的一些参数，以满足系统和功能的一些运用。

（1）理想放大器的基本特征

理想的运放的特性指标：

■ 无穷大的开环增益

■ 无穷大的带宽

■ 无穷大的输入阻抗（导致了零输入电流）

■ 无穷大的压摆率

■ 零输出偏置电压

■ 零输出阻抗

■ 零噪声

■ 零成本

（2）实际选型的步骤

在现实的设计和使用中，我们找不到所谓的“理想”运放。但我们可以依据实际电路设计的需要，通过合理的一步步筛选得到我们所需要的运放。以下就给出了一些基础的步骤：

2.1）电路的用途

2.2）通道数

2.3）关心的参数

2.4）价格

2.5）尺寸

2.6）互换性

2.1）电路的用途

确定电路的用途如同一个分水岭，可以把你从数以万计的运放的选型中解脱出来。需要感谢半导体公司，他们已经帮助我们进行了初步的归类和筛选，让电路设计者有了初步的方向。

但也需要小心半导体公司的一些推荐手册，因为有些时候为了推广自己的产品，也会推荐一些超过你设计需求的器件。在确定了用途之后，就可以进行第二步的选择了。

2.2）通道数

通道的数目决定了在一颗运放中集成了几个同样的运放单元。一般的半导体公司会在同一个出品封装中包含一、二或四个器件以满足不同设计以及场合的应用需求。这些集成在一个芯片内部的运放单元，具有相同电学参数。一般可以考虑互换使用，需要注意的是，在需要考虑串扰以及通道分离度的场合，用二个同类运放来实现，可以获得更好的设计效果。

2.3）关心的参数

关心的参数分为二大类：用作信号调理需考虑的主要参数，以及用作驱动考虑的主要参数。

2.3.1 用作信号调理需考虑的主要参数

运放在信号链中用作信号调理的主要作用见表1：

信号调理：

• 放大/衰减

• 滤波

• 隔离/从输入端作为缓冲器隔离

• 隔离/从信号端作为缓冲器隔离

• 转换（例如V/I转换）

• 阻抗匹配

表1：运放在信号链中作为信号调理的主要作用

由此可以看出在实际的选型中需要关注表2中所列出的内容。

■ 信号类型

o 单端信号

o 差分信号

■ 性能参数

o 输入失调电压（Vos）：uV范围可以接受

o 输入失调电流（Ib）：《20pA可以接受

o 共模抑制比（CMRR）：》90dB可以接受

o 电源抑制比（PSRR）： 》90dB可以接受

o 增益带宽积（GBW）： 大于450MHz

o 总谐波失真（THD）

■ 供电电压（Vs）：+1.8V~+36V

■ 静态电流（Iq）：uA范围可以接受

表2：用作信号调理需考虑的主要参数

表2中信号类型决定着我们是选用单端信号还是全差分信号的运放，这也是一个重要的选择依据。确定了这点，就可以把表2中的性能参数这一列的指标拿出来作为技术评审的依据了。注意这不是万能不变的法则。表2只是给出了一个大致选择的框架和方向，实际的选型还是需要依据具体的设计来确定，在这里就不一一展开阐述。

2.3.2 用作驱动考虑的主要参数

驱动放大器的一些初步选型原则：

■ 精密放大器，输入失调电压Vos《500uV

■ 低电压放大器，Vs《2.7V

■ 低功耗放大器，IQ《1mA

■ 宽电压放大器，电压范围越宽越好

■ 一般用途放大器

表3：用作驱动需要考虑的主要参数

表3中所说驱动放大器是指信号级的放大器，不包括功率级的放大器。由于放大器的种类很多，只能列举一些常规放大器的选型原则作为参考。

2.4）价格

在完成了参数选取后，价格就是一个重要因素用来进行权衡了。一般来说，同样的器件不同的公司都有生产，但是参数却不完全相同，国际知名制造商的参数一般高于非知名品牌。

当然价格也会高于非知名品牌（因为质量有保证）。这就要看项目的具体需求来权衡是选用知名品牌器件还是非知名品牌了。

2.5）尺寸

在PCB面积寸土寸金的时代，越小的尺寸意味着越小的PCB的面积占用（当然前提是满足功耗和散热的需求）。基于这个原因，越来越多器件的尺寸在往小型化和迷你封装的方向上发展，一个是为了降低芯片的成本（因为芯片的相当一部分成本来自于封装成本），另外一个原因是为了提高同其他同类产品的市场竞争力。

2.6）互换性

为了保证日后批量生产的供货稳定性，设计中也需要考虑互换性，甚至在做设计验证（DV）时，要把可以互换性的IC也做一次设计验证，以确保能满足产品的设计要求。当然这会增加一些开发成本，然而如果产品的重要性比这些增加的成本更加重要，互换性就需要重点考虑了。

图1：放大器的选型步骤

图1对放大器的选型步骤做了初步的总结。但是按照设计的步骤在完整的设计中选用合适的运放，还是需要花时间去阅读数据手册来做最后确定。

作者简介：

高杨

近20年在汽车电子TOP10公司经验，特别是在车载控制器领域（多媒体、车身、驾驶辅助及VCU）。曾任职博世汽车专家级工程师，超过10年在汽车零部件（博世和大陆汽车），5+年汽车半导体（德州仪器和英飞凌），历任多种资深（系统、设计、产品）工程师职务。丰富的平台开发（从0到1）及产品开发的工程经验和技术积累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程师，定义和开发了德州仪器（TI）第一款智能高边驱动器（TPS1H100-Q1），填补了公司在汽车电子市场的技术路线和市场空白。 整理和标准化了与设计开发的技术文件，可以直接用于指导设计及融入公司的文件体系中，满足体系审查要求和提高公司的设计流程和管理水平。硬件设计流程管理的模板（45+篇），硬件设计评审和检查清单模板（50+篇）。 企业内训师认证（TTT） ，超过2500页汽车电子设计培训内容PPT，满足从入门、中级及高级汽车电子设计的培训要求，目前在4家企业内部实施过培训，收到了很好的反馈。 目前获得13件汽车电子专利（截止2019年12月）。《EDN电子技术设计》汽车电子专栏作者

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