運算放大器在汽車電子設計中有著廣泛的應用，其基本的功能有兩個：信號調理與驅動。對于車載的音頻放大器來說，也同樣適用。本文著重從音頻運放MC33078的一些基本參數講起，重點介紹在設計中需要注意的一些參數，以滿足系統和功能的一些運用。最后對常用的音頻放大器做了重點參數的對比，來加深一下對于這些參數的理解。

打開MC33078數據手冊的第一頁，就能看到其主要特性的總結：

● 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：2kV（6）

● 本規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？這其實是有原因的，在音頻電路的設計中，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。我們知道，噪聲有5個主要的來源（見圖1），這里不詳細展開介紹，筆者以后會有一篇文章來詳細介紹如何在設計中處理這些噪聲問題。等效噪聲電壓參數Vn反映了在特定頻率下，放大器內部噪聲電壓反饋到輸入端的值，用nV/√Hz來表示。數據手冊給出的值是在f=1kHz，信號源阻抗100Ω下的值。從這個單位可以看出來，這個值和頻率有關，同時也會隨著頻率而變化（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，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：運算放大器噪聲的主要來源。

圖2：等效噪聲電壓參數隨著頻率而變化（藍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參數。對于MC33078來說，由于音頻的帶寬是20Hz~20kHz，所以說它可以實現的增益是750，也就是差不多約58dB的放大倍數。這個放大倍數已經可以滿足絕大多數音頻電路對于前級放大的設計要求了。

高壓擺率：7V/μs（3）

放大器的轉換速率即轉換速率，是一個很重要的參數，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的時間處理500V的電壓值都不會有失真。在實際的應用中，一般不會出現500V的音頻輸入電壓值，因此7 V/μs的這個數值已經是可以接受的參數了，不算最好（相對于高速音頻運放的轉換速率參數，AD797A 20V/μs，見圖5），但可以滿足作為音頻的電路設計指標。

低失真：0.002%（4）

總諧波失真參數（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放來說，這個數值是可以接受的。因為對于整個音頻的THD達到0.01%可以認為是高保真的指標，0.002%比0.01%小了一個數量級的水平。

大輸出電壓擺幅：+14.3V/-14.6V（5）

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

ESD保護：2kV（6）

這個值對于運放的選型意義不是很大。當然這個值越大越好，那說明它抗ESD的能力強，不容易損壞。因為它的前級基本上是已經有了輸入電路，還有ESD的保護，所以可確保ESD不會對運放產生損害。

本規格書中包含了宏模型（7）

這個信息告訴我們它有器件的仿真模型。例如Pspice的模型，在Cadence中可以找到這個器件（見圖3），點右鍵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的參數，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的一些參數做了一個例子。圖5給出了一些常見運放的參數對比表，可以體會一下不同參數之間的差異對設計帶來的影響。選擇一個合適的放大器既是一門技術，也是一門藝術，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。做硬件設計的挑戰也在于此，需要在數以萬計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：常見運放的參數對比表。

作者簡介：

高楊

近20年在汽車電子TOP10公司經驗，特別是在車載控制器領域（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+年汽車半導體（德州儀器和英飛凌），歷任多種資深（系統、設計、產品）工程師職務。豐富的平臺開發（從0到1）及產品開發的工程經驗和技術積累。 Ford SYNC第一代的核心硬件工程師，定義和開發了德州儀器（TI）第一款智能高邊驅動器（TPS1H100-Q1），填補了公司在汽車電子市場的技術路線和市場空白。 整理和標準化了與設計開發的技術文件，可以直接用于指導設計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計流程和管理水平。硬件設計流程管理的模板（45+篇），硬件設計評審和檢查清單模板（50+篇）。 企業內訓師認證（TTT） ，超過2500頁汽車電子設計培訓內容PPT，滿足從入門、中級及高級汽車電子設計的培訓要求，目前在4家企業內部實施過培訓，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電子技術設計》汽車電子專欄作者

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