【導讀】在傳感器接口、數(shù)據(jù)采集等應用中，放大器選型直接影響系統(tǒng)性能。通用運放（如LM358）適合注重成本與靈活性的場景；零漂移放大器（如NCS21911）通過抑制電壓漂移，滿足醫(yī)療、工業(yè)等高精度需求；電流檢測放大器（如NCS214R）則專攻寬共模電壓下的精準電流測量，兼具集成化與低功耗優(yōu)勢。選型需結(jié)合精度、環(huán)境耐受及封裝要求，匹配應用核心挑戰(zhàn)。
如何選擇通用運算放大器、零漂移放大器、電流檢測放大器？
作者：安森美
在低功耗傳感器接口、高速數(shù)據(jù)采集、精密儀器等各類應用領域中，所選放大器的性能將顯著影響系統(tǒng)維持信號完整性與整體表現(xiàn)的能力。鑒于市面上放大器的類型與架構(gòu)繁多，明確如何為特定應用選擇適配的放大器，是保障設計成功的關鍵。
挑戰(zhàn)：使用通用放大器來兼顧多功能性和成本效益
設計人員常面臨的一項挑戰(zhàn)是：如何找到兼具足夠靈活性與成本效益的元件，以滿足各類信號調(diào)理任務需求，特別是當超高精度并非核心要求時。這種場景常見于基礎信號調(diào)理電路、各類汽車子系統(tǒng)及電池供電器件中。
為解決這一挑戰(zhàn)，通用運算放大器（簡稱“運放”）應運而生：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，這類成熟的雙極型器件已在行業(yè)中應用數(shù)十年，展現(xiàn)出持久的應用價值；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確度和穩(wěn)定性難題
在即使細微誤差亦能引發(fā)嚴重后果的應用場景中，設計人員面臨一項關鍵挑戰(zhàn)：需要在寬溫度范圍和長工作周期內(nèi)，維持極高的精度與穩(wěn)定性。這一點在醫(yī)療設備、工業(yè)儀器、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應用及電機控制反饋系統(tǒng)等領域尤為重要。
為滿足這些嚴苛需求，專用放大器提供了針對性解決方案。
零漂移放大器
放大器的一項核心挑戰(zhàn)是，失調(diào)電壓會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)過專門設計，可抵消這種漂移，無論環(huán)境如何波動，都能保持精度與長期穩(wěn)定性。
這類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，進一步提升了高要求應用場景下的精度與能效。此外，出色的共模抑制比(CMRR) 是關鍵性能指標：它能有效抑制無用的共模噪聲，這在與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 連接以實現(xiàn)高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時不可或缺。例如，NCS21911在 4V 電壓下的典型 CMRR 可達 130dB。
圖1：CMRR 與頻率
挑戰(zhàn)：解決動態(tài)供電系統(tǒng)中的精準電流監(jiān)測問題
在電源管理、電池供電系統(tǒng)（如智能手機、筆記本電腦、電動汽車）及汽車安全診斷等各類應用中，精準電流監(jiān)測面臨一系列獨特挑戰(zhàn)。設計人員需要的解決方案要能滿足：在寬共模電壓范圍內(nèi)精確測量電流，同時最大限度降低功耗與物料單 (BOM) 成本。
電流檢測放大器正是為應對這些挑戰(zhàn)而專門研發(fā)的器件：
圖 2：電流檢測放大器集成了外部電阻，可提供準確性更高、
尺寸更小的解決方案，還兼具獨立運算放大器的成本效益
寬共模電壓范圍
一大關鍵難題是上橋配置中的電流測量，其中的分流電阻并非以地為參考點。這就要求放大器需具備處理大共模輸入電壓的能力：部分型號的共模電壓上限可達 40V，而像 NCS7031 或 NCV7031（汽車級）和 NCS7041 或 NCV7041（汽車級）等型號，共模電壓上限甚至可達到 80V。這種能力對上橋和下橋電流檢測意義重大：既為設計提供靈活性，又能在上橋應用中實現(xiàn)負載短路檢測。
高準確度與低偏移
電流測量的精確度至關重要。這類放大器通常具備極低的失調(diào)電壓（例如，Treo 平臺及零漂移架構(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，也能確保測量結(jié)果準確。這種設計選擇既能最大限度降低分流電阻的功率損耗，又能保證測量的完整性。
集成化與成本效益
縮減電路板空間、降低 BOM 成本始終是設計優(yōu)化的核心方向。部分電流檢測放大器解決方案會集成增益設定電阻，既能簡化設計，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，是電池充電器等存在電流反向流動的應用不可或缺的功能。
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)：借助先進放大器特性突破通用設計限制
除了滿足特定放大器類型的需求外，電子設計領域還普遍存在多項共性挑戰(zhàn)，而最新的放大器解決方案憑借關鍵特性，為解決這些難題提供了有效的技術思路：
在惡劣環(huán)境下保持可靠性
許多應用（尤其是汽車領域，如先進駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS)、電機控制及電池管理系統(tǒng)）對元器件的要求極為嚴苛，需能承受極端溫度（Treo 平臺即將推出的部分器件，耐受溫度上限可達 150°C）與復雜電氣環(huán)境。獲得車規(guī)級認證（如 AEC-Q100 標準認證、具備 PPAP 提交能力）是核心前提，唯有如此才能確保 NCV210R和 NCV333等元器件滿足此類高可靠性需求。
能效
在便攜式設備、物聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)系統(tǒng)中，延長電池續(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，運算放大器的靜態(tài)電流有時需低至數(shù)十微安(μA)，比較器甚至需低至納安(nA) 級別，例如Treo 平臺的器件，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現(xiàn)。
空間優(yōu)化
微型化是現(xiàn)代電子設備的一貫需求。放大器解決方案提供緊湊型封裝選項，例如 Treo 平臺所采用的芯片級封裝 (CSP) 與微型無引腳四方扁平封裝 (uQFN)，能幫助設計人員大幅縮減電路板空間，這對于智能手機、可穿戴電子設備等應用而言非常重要。
快速響應與控制
在電機控制、功率調(diào)節(jié)這類動態(tài)系統(tǒng)中，快速信號處理能力起著關鍵作用。Treo 平臺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)響應能力，可實現(xiàn)精準、及時的控制，對保障系統(tǒng)穩(wěn)定性與性能起著關鍵作用。
讓放大器功能與應用需求精準匹配
為電子設計選擇合適的放大器，恰似在復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、高效地完成精細或高難度的操作，不同架構(gòu)的放大器也具備經(jīng)過專門設計的特有性能，可針對性地解決電子電路中的各類特殊挑戰(zhàn)。
無論是需要廣泛的通用性、在波動環(huán)境中實現(xiàn)極高精度，還是在電源系統(tǒng)中進行精準電流監(jiān)測，只要明確具體的設計挑戰(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 Treo 平臺打造的放大器系列）的專用特性，將電子設計構(gòu)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。
