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(jià)、多功能、小型化等市場(chǎng)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(hào)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(jì)模擬電路必需充分理解電路的動(dòng)作特性，并適時(shí)掌握電氣上的含意進(jìn)而誘導(dǎo)計(jì)算公式，精密計(jì)算電路上的各項(xiàng)定數(shù)，加上篇幅限制無(wú)法逐一詳細(xì)介紹，因此本文將輔以實(shí)驗(yàn)與試作，探討有關(guān)類比電路的設(shè)計(jì)技巧。
事實(shí)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(shuō)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(jì)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(duì)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(diǎn)
直流與交流動(dòng)作必需分開考慮
圖1是典型的模擬電路，外觀看似簡(jiǎn)易的Transistor交流增幅電路，然而實(shí)際上為了解該電路的動(dòng)作特性，因此必需將決定動(dòng)作點(diǎn)視為直流動(dòng)作，該動(dòng)作點(diǎn)又稱為直流偏壓(bias)。如圖所示由于collector信號(hào)中點(diǎn)(平均值)的直流電流，與無(wú)信號(hào)時(shí)的coll ector電壓相等，所以決定動(dòng)作點(diǎn)時(shí)必需利用圖2所示的直流動(dòng)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(shí)基于驗(yàn)證交流的增幅動(dòng)作等需求，必需使用圖3所示的等價(jià)電路。由此可知利用Transistor作增幅的電路，設(shè)計(jì)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(cè)試數(shù)據(jù)卻出現(xiàn)很大的分佈變動(dòng)，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)算時(shí)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(huì)使計(jì)算更加繁瑣復(fù)雜，對(duì)無(wú)經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者而言，若無(wú)經(jīng)驗(yàn)者的引領(lǐng)事實(shí)上無(wú)法進(jìn)行電晶體電路的設(shè)計(jì)。
必需掌握電晶體電路的動(dòng)作特性。
理想的電子元件
圖5中的三角形符號(hào)表示OP增幅器，左側(cè)有兩個(gè)輸入端子，右側(cè)是輸出端子。左側(cè)兩個(gè)輸入端其中一個(gè)是「＋」代表非反轉(zhuǎn)輸入，另一個(gè)是「－」代表反轉(zhuǎn)輸入。OP增幅器的基本變數(shù)共有三個(gè)分別如下，這些特性又稱為理想OP增幅器。
(1)電壓Gain
對(duì)理想OP增幅器而言電壓Gain應(yīng)該是無(wú)限大。電壓Gain是用兩個(gè)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(duì)理想OP增幅器而言輸入阻抗應(yīng)該是無(wú)限小，而且不論負(fù)載大小輸出電壓恆時(shí)維持一定。
(3)輸入阻抗
對(duì)理想OP增幅器而言輸入阻抗應(yīng)該是無(wú)限大，而且電流不會(huì)流入上述的兩個(gè)輸入端子。
雖然實(shí)際上OP增幅器不可能具備如此特性，不過(guò)追求極限的設(shè)計(jì)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(jì)目標(biāo)，這也是設(shè)計(jì)OP增幅器與設(shè)計(jì)電晶體電路最大差異點(diǎn)，亦即探索類比電路通常會(huì)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(hào)折反至－記號(hào)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(hào)與輸出信號(hào)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(hào)與輸出信號(hào)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(hào)為輸入信號(hào)的10倍左右。照片1是制作圖6增幅電路時(shí)的輸出入波形特性，由照片顯示相對(duì)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(duì)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(dòng)作與交流動(dòng)作
具有兩個(gè)增幅器的NJM2904是實(shí)驗(yàn)時(shí)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(gè)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(gè)電晶體，而且還需考慮復(fù)雜的直流動(dòng)作點(diǎn)。由于OP增幅電路的動(dòng)作點(diǎn)成為Ground電位，所以不需考慮類似電晶體電路的直流動(dòng)作，祇需作概括性直流與交流動(dòng)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(jì)算單位
dB值
字所謂dB值其實(shí)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(duì)數(shù)(dB)，并非單純的位數(shù)壓縮而已，因?yàn)镚ain可以用乘法作加算，除算則可用減法計(jì)算。由于逐項(xiàng)將增幅率(倍率)轉(zhuǎn)換成對(duì)數(shù)(dB)的計(jì)算相當(dāng)繁瑣復(fù)雜，所以一般設(shè)計(jì)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(shí)才利用上述式(1)計(jì)算。dB值后面往往會(huì)添加其它數(shù)字，例如dBm，dBV，dBμ等等，它是表示測(cè)試值的level。由于測(cè)試值的level隨著測(cè)試設(shè)備而改變，所以必需詳閱測(cè)試設(shè)備的使用說(shuō)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(lái)是2倍的意思，例如所謂的-6dB/oct是表示頻率變成2倍時(shí)，等化會(huì)各衰減6dB亦即1/2。除此之外oct.經(jīng)常被用來(lái)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(shí)，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(shuō)明資料表(data sheet)中包含許多專業(yè)用語(yǔ)，對(duì)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(yǔ)的說(shuō)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(dòng)作OP增幅器NJM2904。
上述三種OP增幅器具有低成本可長(zhǎng)時(shí)間使用等特性所以很適合實(shí)驗(yàn)用。由于OP增幅器與Transistor不同，因此要求精度不高的場(chǎng)合可將OP增幅器視為理想特性，亦即可將實(shí)際上的OP增幅器視為理想增幅器。
絕對(duì)最大定格值
如圖7所示IC的說(shuō)明資料表(data sheet)一般會(huì)使用絕對(duì)最大定格值表示該IC的主要規(guī)格(spec)。所謂的「絕對(duì)最大定格值」是指該IC未超過(guò)該值動(dòng)作，或是IC未受到破壞時(shí)的參數(shù)(parameter)最大范圍，換句話說(shuō)使用上必需避免IC的動(dòng)作范圍超過(guò)絕對(duì)最大定格值。表2是上述三種OP增幅器的絕對(duì)最大定格值比較。
實(shí)際動(dòng)作值
假設(shè)IC得動(dòng)作范圍超過(guò)同相輸入電壓的絕對(duì)最大定格值并受到破壞，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)顯示幾乎所有的OP增幅器的動(dòng)作溫度范圍一般都超過(guò) 以上，相對(duì)于規(guī)格值(spec)，電源電壓最大值的裕度會(huì)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(dòng)與同相輸入電壓的范圍幾乎無(wú)裕度可言，如果刻意降低消耗電力反而會(huì)造成特性的變動(dòng)變大，所以一般設(shè)計(jì)上不會(huì)使用規(guī)格極限值，而是採(cǎi)用比絕對(duì)最大定格值低數(shù)十%作為設(shè)計(jì)值，或是採(cǎi)用所謂的delaying內(nèi)側(cè)條件，此時(shí)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(duì)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(huì)認(rèn)為該值不具特別意義，不過(guò)當(dāng)電路中混載數(shù)種電源電壓時(shí)，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(guò)在說(shuō)明文中卻是代表一般的Gain。
表示動(dòng)作時(shí)的性能「電氣特性」
圖8是描述絕對(duì)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(shí)；註2: 負(fù)載阻抗為開放時(shí)；註2:--符號(hào)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(jì)上通常採(cǎi)取最惡值，所以不需逐項(xiàng)記述，而且一般會(huì)忽略Rin。若未記載SR 值會(huì)造成設(shè)計(jì)上的不便。此外Av與GB值若過(guò)大時(shí)。不易維持負(fù)歸返穩(wěn)定度，所以通常都會(huì)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(gè)輸入端子與ground連接時(shí)，如果是理想OP增幅器理論上輸出會(huì)變成0，然而實(shí)際OP增幅器卻不會(huì)變成0，此時(shí)若將直流輸出電壓用Gain分割，等價(jià)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(duì)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(shí)，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(hào)無(wú)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(shí)所測(cè)得的結(jié)果，如果換成無(wú)歸返方式，由于輸出電壓已經(jīng)飽和所以無(wú)法作正確的量測(cè)。直流增幅器經(jīng)常發(fā)生的問(wèn)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(huì)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(gè)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(duì)的輸入偏壓電流越大時(shí)，在輸入端子的連接阻抗值會(huì)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(dòng)作時(shí)會(huì)產(chǎn)生10V的電壓，造成無(wú)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(jià)電路(圖9)加以預(yù)測(cè)。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(shuō)它是從輸入端子流出的電流，雖然該電流有分佈不均問(wèn)題，不過(guò)卻無(wú)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(huì)流入輸入端子，雖然它的輸入偏壓電流較低，不過(guò)JEET的特性會(huì)因溫度每升高100C就會(huì)增加2倍。
輸入offset電流IIO
所謂的輸入offset電流IIO是指兩個(gè)輸入端子的輸入偏壓(bias)電流差的絕對(duì)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(gè)輸入端子之間的差動(dòng)輸入阻抗，雖然輸入阻抗值越大越好，不過(guò)若與輸入offset電壓VIO與輸入偏壓(bias)電流IIB比較時(shí)，輸入阻抗對(duì)OP增幅器的影響比較小，實(shí)際運(yùn)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(hào)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(huì)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(dòng)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(wú)限大。由表3可知實(shí)際上OP增幅器的電壓等化Av具有數(shù)百dB(10萬(wàn)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(huì)以-6dB/oct.的比率減少。由于電壓等化會(huì)影響Gain的穩(wěn)定度，所以電壓等化值越大越好，不過(guò)對(duì)大型OP增幅器而言，卻會(huì)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(shí)際上OP增幅器的輸出信號(hào)隨著振幅的增加，會(huì)在正負(fù)電源電壓附近飽和，而且同時(shí)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(huì)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(shí)OP增幅器會(huì)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(gè)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(guò)該范圍時(shí)，并不會(huì)造成元件損壞等問(wèn)題，不過(guò)卻會(huì)使OP增幅器的功能停止。祇要差動(dòng)輸入電壓作為增幅器時(shí)的動(dòng)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(shí)際上rail to rail OP增幅器非常接近上述理想特性。
同相信號(hào)消除比CMRR
在圖8中有標(biāo)示CMRR。兩個(gè)輸入端子與ground之間施加相同信號(hào)時(shí)，輸出入之間的Gain稱為同相信號(hào)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(shuō)是理想狀態(tài)事實(shí)上并非如此，因?yàn)镃MRR越大Gain穩(wěn)定度越佳，相對(duì)的CMRR越小Gain誤差越大，同時(shí)還會(huì)使信號(hào)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(shuō)對(duì)信號(hào)頻率超過(guò)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(dòng)時(shí)，該變動(dòng)成份會(huì)顯示在OP增幅器的輸出，SVRR是該輸出變動(dòng)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(yàn)顯示電源電壓消除比SVRR越大越好，如果SVRR太低時(shí)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(shí)的頻率增加有減緩的趨勢(shì)，此外正與負(fù)電源時(shí)SVRR特性并不相同，也就是說(shuō)正負(fù)之間的電源電壓?jiǎn)畏阶儎?dòng)的影響比正負(fù)之間的電源電壓的絕對(duì)值相同情況下變動(dòng)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(fèi)電流Icc
所謂的消費(fèi)電流Icc是指在OP增幅器電源端子流動(dòng)的電流，消費(fèi)電流會(huì)隨著附加于外部的電路與電源電壓產(chǎn)生變動(dòng)。表3列示的數(shù)據(jù)為無(wú)負(fù)載狀態(tài)，相對(duì)的若是負(fù)載狀態(tài)時(shí)，表3列示的消費(fèi)電流便會(huì)增加。理論上消費(fèi)電流越低越好，如果消費(fèi)電流變大就會(huì)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(duì)于電源電壓，消費(fèi)電流Icc的變動(dòng)除了NJM2904之外幾乎都很微弱。
through rate SR
當(dāng)輸入信號(hào)的變化變快時(shí)，OP增幅器的輸出會(huì)跟不上，through rate SR是表示該追隨性能的參數(shù)(parameter)。也就是說(shuō)SR是單位時(shí)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(wú)限大。雖然SR越大越好不過(guò)根據(jù)長(zhǎng)年的經(jīng)驗(yàn)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(cè)得的電壓等化為Af倍，等化頻寬積GB就是該點(diǎn)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(guò)GB值較大的OP增幅器其它功能普遍偏弱。