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汽车低噪声音频运放的选型要点

2020-01-06 高杨 阅读:
汽车低噪声音频运放的选型要点
本文着重从音频运放MC33078的一些基本参数讲起,重点介绍在设计中需要注意的一些参数,以满足系统和功能的一些运用。最后将常用的音频放大器做了重点参数的对比,来加深一下对于这些参数的理解。

运算放大器在汽车电子设计中有着广泛的应用,其基本的功能有两个:信号调理与驱动。对于车载的音频放大器来说,也同样适用。本文着重从音频运放MC33078的一些基本参数讲起,重点介绍在设计中需要注意的一些参数,以满足系统和功能的一些运用。最后对常用的音频放大器做了重点参数的对比,来加深一下对于这些参数的理解。qnkednc

打开MC33078数据手册的第一页,就能看到其主要特性的总结:qnkednc

● 低电压噪声:4.5nV/√Hz(1)qnkednc
● 高增益带宽积:15MHz(2)qnkednc
● 高压摆率:7V/μs(3)qnkednc
● 低失真:0.002%(4)qnkednc
● 大输出电压摆幅:+14.3V/-14.6V(5)qnkednc
● ESD保护:2kV(6)qnkednc
● 本规格书中包含了宏模型(7)qnkednc

低电压噪声:4.5nV/√Hz(1)

为什么把等效噪声电压放在了第一位(1)呢?这其实是有原因的,在音频电路的设计中,本底噪声(Noise Floor)的大小决定了放大器的信号噪声比(SNR)。信号噪声比越高,对于弱信号放大的能力越强。我们知道,噪声有5个主要的来源(见图1),这里不详细展开介绍,笔者以后会有一篇文章来详细介绍如何在设计中处理这些噪声问题。等效噪声电压参数Vn反映了在特定频率下,放大器内部噪声电压反馈到输入端的值,用nV/√Hz来表示。数据手册给出的值是在f=1kHz,信号源阻抗100Ω下的值。从这个单位可以看出来,这个值和频率有关,同时也会随着频率而变化(见图2)。这也就可以理解为什么在放大器的输入端,需要用(有源/无源)滤波器来把需要放大的信号截止在一定的频带范围以内,以减少带外的噪声。同样,为了降低输入电阻的热噪声电压对本底噪声的影响,也需要合理地选择输入电阻的大小。qnkednc

图1:运算放大器噪声的主要来源。qnkednc

图2:等效噪声电压参数随着频率而变化(蓝线为输入等效噪声电压)。qnkednc

高增益带宽积:15MHz(2)

顾名思义,增益带宽积(GBW)是放大器带宽和带宽的增益的乘积,是用来简单衡量放大器的性能的一个参数。对于MC33078来说,由于音频的带宽是20Hz~20kHz,所以说它可以实现的增益是750,也就是差不多约58dB的放大倍数。这个放大倍数已经可以满足绝大多数音频电路对于前级放大的设计要求了。qnkednc

高压摆率:7V/μs(3)

放大器的转换速率即转换速率,是一个很重要的参数,在音频电路里可以这样理解,对于最高频率20kHz的正弦波音频来说,1μs的时间处理500V的电压值都不会有失真。在实际的应用中,一般不会出现500V的音频输入电压值,因此7 V/μs的这个数值已经是可以接受的参数了,不算最好(相对于高速音频运放的转换速率参数,AD797A 20V/μs,见图5),但可以满足作为音频的电路设计指标。qnkednc

低失真:0.002%(4)

总谐波失真参数(THD)定义为基本信号谐波的均方根电压与输出处总均方根电压之比。THD用dBc或%表示,在这是用%来表示。对于音频级的输入电路或者输出电路的运放来说,这个数值是可以接受的。因为对于整个音频的THD达到0.01%可以认为是高保真的指标,0.002%比0.01%小了一个数量级的水平。qnkednc

大输出电压摆幅:+14.3V/-14.6V(5)

从电压输出摆幅这个参数可以看出来,对于采用正负电源供电(±15V)的MC33078来说,它不是轨对轨的放大器,在正端会损失掉大约一个PN结的正向压降。qnkednc

ESD保护:2kV(6)

这个值对于运放的选型意义不是很大。当然这个值越大越好,那说明它抗ESD的能力强,不容易损坏。因为它的前级基本上是已经有了输入电路,还有ESD的保护,所以可确保ESD不会对运放产生损害。qnkednc

本规格书中包含了宏模型(7)

这个信息告诉我们它有器件的仿真模型。例如Pspice的模型,在Cadence中可以找到这个器件(见图3),点右键\Edit Pspice Model可以打开(见图4)。在Pspice的模型编辑器中修改想要改动的参数,可以看到不同的仿真效果。qnkednc

图3:Cadence中的器件MC33078。qnkednc

图4:MC33078的Pspice模型。qnkednc

以上只是用MC33078的一些参数做了一个例子。图5给出了一些常见运放的参数对比表,可以体会一下不同参数之间的差异对设计带来的影响。选择一个合适的放大器既是一门技术,也是一门艺术,需要全面均衡地考虑性能、可靠性、可替换性以及成本等很多综合的因素。做硬件设计的挑战也在于此,需要在数以万计的器件中找到一颗最合适的“宝贝”,然后享受这背后带来的乐趣。qnkednc

图5:常见运放的参数对比表。qnkednc

本文为《电子技术设计》2020年1月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里qnkednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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ednchina.com/author/gaoyang
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