【導(dǎo)讀】在傳感器接口、數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用中，放大器選型直接影響系統(tǒng)性能。通用運(yùn)放（如LM358）適合注重成本與靈活性的場(chǎng)景；零漂移放大器（如NCS21911）通過(guò)抑制電壓漂移，滿足醫(yī)療、工業(yè)等高精度需求；電流檢測(cè)放大器（如NCS214R）則專攻寬共模電壓下的精準(zhǔn)電流測(cè)量，兼具集成化與低功耗優(yōu)勢(shì)。選型需結(jié)合精度、環(huán)境耐受及封裝要求，匹配應(yīng)用核心挑戰(zhàn)。

如何選擇通用運(yùn)算放大器、零漂移放大器、電流檢測(cè)放大器？

作者：安森美

在低功耗傳感器接口、高速數(shù)據(jù)采集、精密儀器等各類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域中，所選放大器的性能將顯著影響系統(tǒng)維持信號(hào)完整性與整體表現(xiàn)的能力。鑒于市面上放大器的類(lèi)型與架構(gòu)繁多，明確如何為特定應(yīng)用選擇適配的放大器，是保障設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。

挑戰(zhàn)：使用通用放大器來(lái)兼顧多功能性和成本效益

設(shè)計(jì)人員常面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是：如何找到兼具足夠靈活性與成本效益的元件，以滿足各類(lèi)信號(hào)調(diào)理任務(wù)需求，特別是當(dāng)超高精度并非核心要求時(shí)。這種場(chǎng)景常見(jiàn)于基礎(chǔ)信號(hào)調(diào)理電路、各類(lèi)汽車(chē)子系統(tǒng)及電池供電器件中。

為解決這一挑戰(zhàn)，通用運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱“運(yùn)放”）應(yīng)運(yùn)而生：它們兼具可靠性能與低功耗特性，因此在以靈活性、成本效益為優(yōu)先考量的項(xiàng)目中，成為理想之選。例如，基于 PMOS 工藝的 LM358便是典型代表，這類(lèi)成熟的雙極型器件已在行業(yè)中應(yīng)用數(shù)十年，展現(xiàn)出持久的應(yīng)用價(jià)值；而 NCS20072作為一款 CMOS 通用放大器，提供多種緊湊型封裝形式供選擇。

挑戰(zhàn)：利用零漂移放大器攻克準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性難題

在即使細(xì)微誤差亦能引發(fā)嚴(yán)重后果的應(yīng)用場(chǎng)景中，設(shè)計(jì)人員面臨一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：需要在寬溫度范圍和長(zhǎng)工作周期內(nèi)，維持極高的精度與穩(wěn)定性。這一點(diǎn)在醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)儀器、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用及電機(jī)控制反饋系統(tǒng)等領(lǐng)域尤為重要。

為滿足這些嚴(yán)苛需求，專用放大器提供了針對(duì)性解決方案。

零漂移放大器

放大器的一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)是，失調(diào)電壓會(huì)因溫度變化和器件老化而產(chǎn)生固有漂移。零漂移架構(gòu)（如 NCS21911等器件所采用的架構(gòu)）經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)，可抵消這種漂移，無(wú)論環(huán)境如何波動(dòng)，都能保持精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

這類(lèi)放大器通常集成了軌到軌輸入/輸出能力、低靜態(tài)電流等特性，進(jìn)一步提升了高要求應(yīng)用場(chǎng)景下的精度與能效。此外，出色的共模抑制比(CMRR) 是關(guān)鍵性能指標(biāo)：它能有效抑制無(wú)用的共模噪聲，這在與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 連接以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時(shí)不可或缺。例如，NCS21911在 4V 電壓下的典型 CMRR 可達(dá) 130dB。

圖1：CMRR 與頻率

挑戰(zhàn)：解決動(dòng)態(tài)供電系統(tǒng)中的精準(zhǔn)電流監(jiān)測(cè)問(wèn)題

在電源管理、電池供電系統(tǒng)（如智能手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車(chē)）及汽車(chē)安全診斷等各類(lèi)應(yīng)用中，精準(zhǔn)電流監(jiān)測(cè)面臨一系列獨(dú)特挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員需要的解決方案要能滿足：在寬共模電壓范圍內(nèi)精確測(cè)量電流，同時(shí)最大限度降低功耗與物料單 (BOM) 成本。

電流檢測(cè)放大器正是為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)而專門(mén)研發(fā)的器件：

圖 2：電流檢測(cè)放大器集成了外部電阻，可提供準(zhǔn)確性更高、

尺寸更小的解決方案，還兼具獨(dú)立運(yùn)算放大器的成本效益

寬共模電壓范圍

一大關(guān)鍵難題是上橋配置中的電流測(cè)量，其中的分流電阻并非以地為參考點(diǎn)。這就要求放大器需具備處理大共模輸入電壓的能力：部分型號(hào)的共模電壓上限可達(dá) 40V，而像 NCS7031 或 NCV7031（汽車(chē)級(jí)）和 NCS7041 或 NCV7041（汽車(chē)級(jí)）等型號(hào)，共模電壓上限甚至可達(dá)到 80V。這種能力對(duì)上橋和下橋電流檢測(cè)意義重大：既為設(shè)計(jì)提供靈活性，又能在上橋應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路檢測(cè)。

高準(zhǔn)確度與低偏移

電流測(cè)量的精確度至關(guān)重要。這類(lèi)放大器通常具備極低的失調(diào)電壓（例如，Treo 平臺(tái)及零漂移架構(gòu)的放大器，其最大失調(diào)電壓僅為 ±12 μV），即便分流電阻兩端的電壓降極小，也能確保測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。這種設(shè)計(jì)選擇既能最大限度降低分流電阻的功率損耗，又能保證測(cè)量的完整性。

集成化與成本效益

縮減電路板空間、降低 BOM 成本始終是設(shè)計(jì)優(yōu)化的核心方向。部分電流檢測(cè)放大器解決方案會(huì)集成增益設(shè)定電阻，既能簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，也能減少外部元器件的使用數(shù)量。例如，NCS214R和 NCS(V)2167x等器件便具備此特性。此外，這些器件還支持單向或雙向電流檢測(cè)，是電池充電器等存在電流反向流動(dòng)的應(yīng)用不可或缺的功能。

圖 3：采用集成式雙通道解決方案可顯著減少系統(tǒng)元器件數(shù)量

挑戰(zhàn)：借助先進(jìn)放大器特性突破通用設(shè)計(jì)限制

除了滿足特定放大器類(lèi)型的需求外，電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域還普遍存在多項(xiàng)共性挑戰(zhàn)，而最新的放大器解決方案憑借關(guān)鍵特性，為解決這些難題提供了有效的技術(shù)思路：

在惡劣環(huán)境下保持可靠性

許多應(yīng)用（尤其是汽車(chē)領(lǐng)域，如先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、電機(jī)控制及電池管理系統(tǒng)）對(duì)元器件的要求極為嚴(yán)苛，需能承受極端溫度（Treo 平臺(tái)即將推出的部分器件，耐受溫度上限可達(dá) 150°C）與復(fù)雜電氣環(huán)境。獲得車(chē)規(guī)級(jí)認(rèn)證（如 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、具備 PPAP 提交能力）是核心前提，唯有如此才能確保 NCV210R和 NCV333等元器件滿足此類(lèi)高可靠性需求。

能效

在便攜式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)系統(tǒng)中，延長(zhǎng)電池續(xù)航、降低功耗是核心訴求，這就要求放大器具備超低靜態(tài)電流。例如，運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流有時(shí)需低至數(shù)十微安(μA)，比較器甚至需低至納安(nA) 級(jí)別，例如Treo 平臺(tái)的器件，每通道靜態(tài)電流僅315 nA。這種極低的功耗表現(xiàn)，需在不影響性能的前提下實(shí)現(xiàn)。

空間優(yōu)化

微型化是現(xiàn)代電子設(shè)備的一貫需求。放大器解決方案提供緊湊型封裝選項(xiàng)，例如 Treo 平臺(tái)所采用的芯片級(jí)封裝 (CSP) 與微型無(wú)引腳四方扁平封裝 (uQFN)，能幫助設(shè)計(jì)人員大幅縮減電路板空間，這對(duì)于智能手機(jī)、可穿戴電子設(shè)備等應(yīng)用而言非常重要。

快速響應(yīng)與控制

在電機(jī)控制、功率調(diào)節(jié)這類(lèi)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中，快速信號(hào)處理能力起著關(guān)鍵作用。Treo 平臺(tái)即將推出的比較器具備 40 ns 的快速傳播延遲與快速瞬態(tài)響應(yīng)能力，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、及時(shí)的控制，對(duì)保障系統(tǒng)穩(wěn)定性與性能起著關(guān)鍵作用。

讓放大器功能與應(yīng)用需求精準(zhǔn)匹配

為電子設(shè)計(jì)選擇合適的放大器，恰似在復(fù)雜的建筑工程中為特定工序挑選適配的工具：正如專用工具能讓工匠精準(zhǔn)、高效地完成精細(xì)或高難度的操作，不同架構(gòu)的放大器也具備經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)的特有性能，可針對(duì)性地解決電子電路中的各類(lèi)特殊挑戰(zhàn)。

無(wú)論是需要廣泛的通用性、在波動(dòng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)極高精度，還是在電源系統(tǒng)中進(jìn)行精準(zhǔn)電流監(jiān)測(cè)，只要明確具體的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，工程師就能充分利用最新的放大器產(chǎn)品組合（如基于先進(jìn) Treo 平臺(tái)打造的放大器系列）的專用特性，將電子設(shè)計(jì)構(gòu)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。