自然界的所有物質(zhì)幾乎都是由模擬量所構(gòu)成，雖然許多電子設(shè)備基于低價、多功能、小型化等市場需求逐漸被數(shù)字化電路取代，然而電子機(jī)器與自然界的界面，亦即信號的輸出入以及電源部份仍需仰賴模擬電路。由于模擬電路涉及范圍非常廣泛，而且設(shè)計模擬電路必需充分理解電路的動作特性，并適時掌握電氣上的含意進(jìn)而誘導(dǎo)計算公式，精密計算電路上的各項定數(shù)，加上篇幅限制無法逐一詳細(xì)介紹，因此本文將輔以實驗與試作，探討有關(guān)類比電路的設(shè)計技巧。

事實上所謂的電子電路是1906年三極管(audion)出現(xiàn)后才正式展開，綜觀所有的電子電路可說是增幅技術(shù)的縮影。例如數(shù)字電路IC內(nèi)的增幅電路是以complimentary source接地增幅電路為基本單位，亦即數(shù)字電路的IC內(nèi)增幅電路的增幅度是被設(shè)計成能判讀0與1 ，再將該增幅電路組合構(gòu)成AND、OR等基本理論電路。而數(shù)位IC則是整合該基本理論電路，進(jìn)行復(fù)雜的理論演算。對數(shù)字電路而言祇要增幅度可判讀0與1即可，相形之下模擬電路則要求高精度的增幅度，由于類比電路的變數(shù)(parameter)非常的多，因此必需使用高精度的電阻、電容等電子元件。

Transistor電路的困難點

直流與交流動作必需分開考慮

圖1是典型的模擬電路，外觀看似簡易的Transistor交流增幅電路，然而實際上為了解該電路的動作特性，因此必需將決定動作點視為直流動作，該動作點又稱為直流偏壓(bias)。如圖所示由于collector信號中點(平均值)的直流電流，與無信號時的coll ector電壓相等，所以決定動作點時必需利用圖2所示的直流動作電路作檢證。接著為了獲得最大交流輸出電壓所以設(shè)定成直流電位，此時基于驗證交流的增幅動作等需求，必需使用圖3所示的等價電路。由此可知利用Transistor作增幅的電路，設(shè)計上比預(yù)期還要繁瑣復(fù)雜。

變數(shù)多且分佈不均

圖4是2SC1815電晶體(Transistor)型錄上刊載的 變數(shù)(parameter)特性，由圖可知即使溫度維持 ，然而測試數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)很大的分佈變動，也就是說設(shè)計電晶體電路除了變數(shù)很多之外分佈也非常不均勻，使得進(jìn)行設(shè)計計算時經(jīng)常發(fā)生不知如何選擇的困擾，尤其是使用上述的 變數(shù)(parameter)特性表，會使計算更加繁瑣復(fù)雜，對無經(jīng)驗的初學(xué)者而言，若無經(jīng)驗者的引領(lǐng)事實上無法進(jìn)行電晶體電路的設(shè)計。

必需掌握電晶體電路的動作特性。




理想的電子元件

圖5中的三角形符號表示OP增幅器，左側(cè)有兩個輸入端子，右側(cè)是輸出端子。左側(cè)兩個輸入端其中一個是「＋」代表非反轉(zhuǎn)輸入，另一個是「－」代表反轉(zhuǎn)輸入。OP增幅器的基本變數(shù)共有三個分別如下，這些特性又稱為理想OP增幅器。

(1)電壓Gain

對理想OP增幅器而言電壓Gain應(yīng)該是無限大。電壓Gain是用兩個輸入端子之間的電壓將輸出電壓分割的結(jié)果。

(2)輸出阻抗(impedance)

對理想OP增幅器而言輸入阻抗應(yīng)該是無限小，而且不論負(fù)載大小輸出電壓恆時維持一定。

(3)輸入阻抗

對理想OP增幅器而言輸入阻抗應(yīng)該是無限大，而且電流不會流入上述的兩個輸入端子。

雖然實際上OP增幅器不可能具備如此特性，不過追求極限的設(shè)計除外，幾乎大部份的OP增幅器都是以理想OP增幅器作為設(shè)計目標(biāo)，這也是設(shè)計OP增幅器與設(shè)計電晶體電路最大差異點，亦即探索類比電路通常會從較易入門的OP增幅器開始學(xué)習(xí)的主要理由。

阻抗比決定Gain

圖6是OP增幅器常用的兩種基本增幅電路，兩電路都是從OP增幅器輸出，再使輸出信號折反至－記號的反轉(zhuǎn)輸入端子，這種方式稱為負(fù)歸返技術(shù)。由于負(fù)歸返技術(shù)使得OP增幅器完成的Gain可由阻抗比決定。圖中上方的增幅電路的輸入信號與輸出信號的位相相差1800，所以該增幅電路被稱為反轉(zhuǎn)增幅器；圖中下方的增幅電路的輸入信號與輸出信號的位相相同，所以該增幅電路被稱為非反轉(zhuǎn)增幅器。上述兩增幅器的增幅率大約是輸出信號為輸入信號的10倍左右。照片1是制作圖6增幅電路時的輸出入波形特性，由照片顯示相對于輸入電壓Vin，輸出電壓V01與V02大10倍左右，而且V01 的波形對Vin 作反轉(zhuǎn)，V02 的波形則與Vin 波形的位相相同。

不需區(qū)隔直流動作與交流動作

具有兩個增幅器的NJM2904是實驗時常用的OP增幅器，該增幅器中的反轉(zhuǎn)增幅器與非反轉(zhuǎn)增幅器共同使用一個IC。如果將IC改成電晶體方式，為了制作非反轉(zhuǎn)增幅器，必需使用兩個電晶體，而且還需考慮復(fù)雜的直流動作點。由于OP增幅電路的動作點成為Ground電位，所以不需考慮類似電晶體電路的直流動作，祇需作概括性直流與交流動作即可，因此成本上IC type的電路比電晶體type的電路電路低。

重要計算單位

dB值

字所謂dB值其實是電話發(fā)明者貝爾為了表示通信線路損失所取的度量單位，一般稱為deci Bel。Gain與dB值G(dB)之間具有下列關(guān)系:

G=20log|A|-----------------------------------------------(1)

雖然d(deci)為1/10，但這并不代表10dB為1B。如果欲將增幅率(倍率)轉(zhuǎn)換成對數(shù)(dB)，并非單純的位數(shù)壓縮而已，因為Gain可以用乘法作加算，除算則可用減法計算。由于逐項將增幅率(倍率)轉(zhuǎn)換成對數(shù)(dB)的計算相當(dāng)繁瑣復(fù)雜，所以一般設(shè)計人員都是采取熟背表1的換算數(shù)據(jù)的方式，需要精密的dB值時才利用上述式(1)計算。dB值后面往往會添加其它數(shù)字，例如dBm，dBV，dBμ等等，它是表示測試值的level。由于測試值的level隨著測試設(shè)備而改變，所以必需詳閱測試設(shè)備的使用說明書內(nèi)記載的SI單位換算方法。

表1 倍率與dB值的換算表

dB/oct.

dB/oct.是頻率特性的單位，oct.(octave)原來是2倍的意思，例如所謂的-6dB/oct是表示頻率變成2倍時，等化會各衰減6dB亦即1/2。除此之外oct.經(jīng)常被用來表示dec(de cade)，所謂的dec原意是指10的意思，例如-6dB/oct如果以dec表示時，按照表1就變成-20dB/ dec。

OP增幅器的特性參數(shù)

類比電路的說明資料表(data sheet)中包含許多專業(yè)用語，對初學(xué)者而言則需逐一諳記。此處列舉下列三種OP增幅器作專業(yè)用語的說明。

1.Audio用2回路OP增幅器NJM4580。

2.2回路JFET輸入OP增幅器NJM072B。

2回路單電源動作OP增幅器NJM2904。

上述三種OP增幅器具有低成本可長時間使用等特性所以很適合實驗用。由于OP增幅器與Transistor不同，因此要求精度不高的場合可將OP增幅器視為理想特性，亦即可將實際上的OP增幅器視為理想增幅器。

絕對最大定格值

如圖7所示IC的說明資料表(data sheet)一般會使用絕對最大定格值表示該IC的主要規(guī)格(spec)。所謂的「絕對最大定格值」是指該IC未超過該值動作，或是IC未受到破壞時的參數(shù)(parameter)最大范圍，換句話說使用上必需避免IC的動作范圍超過絕對最大定格值。表2是上述三種OP增幅器的絕對最大定格值比較。

實際動作值

假設(shè)IC得動作范圍超過同相輸入電壓的絕對最大定格值并受到破壞，根據(jù)以往經(jīng)驗顯示幾乎所有的OP增幅器的動作溫度范圍一般都超過 以上，相對于規(guī)格值(spec)，電源電壓最大值的裕度會因OP增幅器的種類、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)極大的差異。尤其是差動與同相輸入電壓的范圍幾乎無裕度可言，如果刻意降低消耗電力反而會造成特性的變動變大，所以一般設(shè)計上不會使用規(guī)格極限值，而是採用比絕對最大定格值低數(shù)十%作為設(shè)計值，或是採用所謂的delaying內(nèi)側(cè)條件，此時若能配合適度的安全裕度，就可獲得極佳的delaying rate。

充分掌握規(guī)格的微妙差異

上述表2列舉的數(shù)據(jù)中尤需注意的是NJM2904同相輸入電壓的與其它OP增幅器的差異。由于NJM2904同相輸入電壓的絕對最大定格值并非取決于電源電壓而是固定的32V，一般使用上會認(rèn)為該值不具特別意義，不過當(dāng)電路中混載數(shù)種電源電壓時，3 2V的電壓具有可使輸入保護(hù)電路單純化的效應(yīng)。此外表2列舉的Gain是以等化方式描述，不過在說明文中卻是代表一般的Gain。

表示動作時的性能「電氣特性」

圖8是描述絕對最大定格值的電氣特性；表3是上述三種OP增幅器的電位特性比較

註1:負(fù)載阻抗為2Kω時；註2: 負(fù)載阻抗為開放時；註2:--符號表示data sheet未記載。VIO，IIB，IIO，IIC越小越好，Vcm，CMR，SVR 越大越好，因此即使未記載最小值與最大值，由于設(shè)計上通常採取最惡值，所以不需逐項記述，而且一般會忽略Rin。若未記載SR 值會造成設(shè)計上的不便。此外Av與GB值若過大時。不易維持負(fù)歸返穩(wěn)定度，所以通常都會列示記載。

表3 三種OP增幅器的電位特性比較(TA=250C負(fù)載阻抗2Kω)

輸入offset電壓VIO

若將兩個輸入端子與ground連接時，如果是理想OP增幅器理論上輸出會變成0，然而實際OP增幅器卻不會變成0，此時若將直流輸出電壓用Gain分割，等價性輸入電壓稱為輸入offset電壓，該輸入offset電壓約有數(shù)mV左右，輸入offset電壓值越低越好。相對的輸入offset電壓值越大，完成的Gain越受到限制。例如制作Gain 100倍的增幅器，假設(shè)OP增幅器的輸入offset電壓VIO為1V時，增幅器的輸出電壓就變成100V，由于后出的最大輸出電壓VOM變成飽和波形，所以輸出信號無法作正確的增幅。輸入offset電壓VIO是施加負(fù)歸返使Gain變成1000時所測得的結(jié)果，如果換成無歸返方式，由于輸出電壓已經(jīng)飽和所以無法作正確的量測。直流增幅器經(jīng)常發(fā)生的問題是即使利用外部附加電路將輸入offset電壓調(diào)成0，然而該電壓卻會隨著周圍溫度發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為輸入offset電壓溫度系數(shù)(drift)，輸入offset電壓溫度系數(shù)大約是數(shù)μ～數(shù)十V/0C左右。

輸入偏壓(bias)電流IIB

所謂的輸入偏壓電流是指流入兩個輸入端子或是流出的直流電流平均值而言，輸入偏壓電流越小越好。相對的輸入偏壓電流越大時，在輸入端子的連接阻抗值會受到限制，例如IIB=1A 的OP增幅器，輸入端子連接10Ω的電阻，非動作時會產(chǎn)生10V的電壓，造成無法作正確的增幅。輸入偏壓電流IIB 的大小、流向與溫度變化，可由data sheet列示的內(nèi)部等價電路(圖9)加以預(yù)測。NJM2904與NJM4580 OP增幅器的輸入偏壓電流IIB本身是輸入端PNP雙極(bipolar)transistor的base電流，也就是說它是從輸入端子流出的電流，雖然該電流有分佈不均問題，不過卻無溫度變化的困擾。相較之下NIM072B OP增幅器的輸入偏壓電流IIB是屬于輸入端P channel JEET gate的漏電電流，所以輸入偏壓電流會流入輸入端子，雖然它的輸入偏壓電流較低，不過JEET的特性會因溫度每升高100C就會增加2倍。

輸入offset電流IIO

所謂的輸入offset電流IIO是指兩個輸入端子的輸入偏壓(bias)電流差的絕對值，亦即溫度drift。輸入offset電流值在雙極(bipolar)輸入的OP增幅器，大約是數(shù)十p～數(shù)百PA/0C左右，理論上輸入offset電流值越小越好。

輸入阻抗Rin

所謂的輸入阻抗

Rin是指兩個輸入端子之間的差動輸入阻抗，雖然輸入阻抗值越大越好，不過若與輸入offset電壓VIO與輸入偏壓(bias)電流IIB比較時，輸入阻抗對OP增幅器的影響比較小，實際運上甚至可以忽略輸入阻抗的影響。輸入阻抗Rin 是由微小信號定義，值得注意的是輸入阻抗并非輸入offset電壓VIO與輸入偏壓電流IIB的比(VIO/IIB)，例如VIO=1V，IIB=1A， 的OP增幅器，輸入阻抗Rin并不是1Ω，往往會變成100MΩ。輸入端子與ground之間的同相輸入阻抗，大約是輸入阻抗Rin 的10～100倍左右，所以可將它忽略。

電壓等化Av

電壓等化又稱為差動電壓等化。OP增幅器是利用等化Av 將反轉(zhuǎn)輸入端子與反轉(zhuǎn)輸入端子之間的電壓增幅輸出，電壓等化Av在理想OP增幅器為無限大。由表3可知實際上OP增幅器的電壓等化Av具有數(shù)百dB(10萬倍)，如圖10所示電壓等化Av局限在直流10Hz左右超低頻范圍，隨著頻率增高電壓等化Av會以-6dB/oct.的比率減少。由于電壓等化會影響Gain的穩(wěn)定度，所以電壓等化值越大越好，不過對大型OP增幅器而言，卻會使電壓等化值一定的頻率范圍變得更狹窄。

圖10 電壓等化與位相的頻率特性

最大輸出電壓VOM

如圖11所示實際上OP增幅器的輸出信號隨著振幅的增加，會在正負(fù)電源電壓附近飽和，而且同時開始出現(xiàn)歪斜。由表3列示的電源電壓±15V的規(guī)格與最大輸出電壓±13.5V的規(guī)格可知，一般OP增幅器的飽和電壓約為1.5V左右。

最大輸出電壓VON會隨著電源電壓與負(fù)載阻抗變化，如圖12所示最大輸出電壓VON的頻率特性與through rate有關(guān)。飽和前的電壓稱為最大輸出電壓，此外負(fù)的飽和前電壓至正的飽和前電壓之間的范圍稱為trimming range，在該范圍內(nèi)可勉強(qiáng)輸出正與負(fù)的電源電壓，同時OP增幅器會顯示理想特性，一般稱它為rail to rail OP增幅器。

同相輸入電壓范圍VICM

所謂的同相輸入電壓范圍VICM是指兩個輸入端子與ground之間，可施加的同相電壓范圍。雖然施加的同相電壓超過該范圍時，并不會造成元件損壞等問題，不過卻會使OP增幅器的功能停止。祇要差動輸入電壓作為增幅器時的動作正?；旧鲜?伏特。同相輸入電壓范圍VICM與正負(fù)電源電壓相同屬于理想狀態(tài)，實際上rail to rail OP增幅器非常接近上述理想特性。

同相信號消除比CMRR

在圖8中有標(biāo)示CMRR。兩個輸入端子與ground之間施加相同信號時，輸出入之間的Gain稱為同相信號等化Avc。由于OP增幅器是使反轉(zhuǎn)輸入與非反轉(zhuǎn)輸入的差分增幅的device，因此0倍的同相電壓等化祇能說是理想狀態(tài)事實上并非如此，因為CMRR越大Gain穩(wěn)定度越佳，相對的CMRR越小Gain誤差越大，同時還會使信號偏斜大幅增加。如表3所示CMRR屬于DC電流的值，因此頻率越高CMRR越小，也就是說對信號頻率超過1KHz的非反轉(zhuǎn)增幅器而言，尤需謹(jǐn)慎處理CMRR造成的誤差。

電源電壓消除比SVRR

在圖8中有標(biāo)示SVR。當(dāng)正、負(fù)電源電壓發(fā)生變動時，該變動成份會顯示在OP增幅器的輸出，SVRR是該輸出變動成份轉(zhuǎn)換成OP增幅器的輸入所獲得的結(jié)果。

根據(jù)經(jīng)驗顯示電源電壓消除比SVRR越大越好，如果SVRR太低時輸出端極易產(chǎn)生電源噪訊。由表3列示的數(shù)據(jù)可知，SVRR值隨著DC時的頻率增加有減緩的趨勢，此外正與負(fù)電源時SVRR特性并不相同，也就是說正負(fù)之間的電源電壓單方變動的影響比正負(fù)之間的電源電壓的絕對值相同情況下變動大。為了緩和SVRR的影響，因此正負(fù)電源之間務(wù)必需設(shè)置pass control。

消費電流Icc

所謂的消費電流Icc是指在OP增幅器電源端子流動的電流，消費電流會隨著附加于外部的電路與電源電壓產(chǎn)生變動。表3列示的數(shù)據(jù)為無負(fù)載狀態(tài)，相對的若是負(fù)載狀態(tài)時，表3列示的消費電流便會增加。理論上消費電流越低越好，如果消費電流變大就會產(chǎn)生額外的熱量，進(jìn)而造成輸出的直流drift增加，如圖13所示相對于電源電壓，消費電流Icc的變動除了NJM2904之外幾乎都很微弱。

through rate SR

當(dāng)輸入信號的變化變快時，OP增幅器的輸出會跟不上，through rate SR是表示該追隨性能的參數(shù)(parameter)。也就是說SR是單位時間(通常是指1μs)能變化的輸出電壓值，SR的單位是V/μs，理想OP增幅器的SR為無限大。雖然SR越大越好不過根據(jù)長年的經(jīng)驗顯示，一般SR值較大的OP增幅器其它功能普遍偏弱。SR取決于OP增幅器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)。如圖12所示SR值可決定最大輸出電壓振幅的頻率特性。

等化頻寬積GB

所謂的等化頻寬積GB是表示OP增幅器電壓等化頻率特性的參數(shù)(parameter)。等化頻寬積GB的單位是MHz。假設(shè)圖10的電壓等化傾斜在-6dB/oct.測得的電壓等化為Af倍，等化頻寬積GB就是該點的頻率與電壓等化Af兩者相乘的結(jié)果。等化頻寬積GB可用下式表示:

 GB=Af×f

f:通常是10KHz。

可使等化變成1倍(0dB)的頻率稱為Unite Gain(fr)，fr具有下列關(guān)系:

GB≥fr

雖然GB值越大越好不過GB值較大的OP增幅器其它功能普遍偏弱。