模拟电路设计（二）OP增幅器(下)
由于OP增幅器的主要功能是维持dynamic range的稳定，因此接着要以反增幅电路与非反增幅电路两个基本电路为例，同时透过实验手法介绍有关供给OP增幅器最适切的电源供给方法、单电源的使用方法、电源line的处置，以及对低阻抗负载的处置方法等等。
信号增幅时OP增幅器的动作特性
两输入端子之间的电压差恆时为0伏特
可对OP增幅器施加负归返的基本增幅电路可分为输入信号反转，以逆相位输出的「反转增幅电路」(图14)，以及输入信号未反转以同相位输出的「非反转增幅电路」 (图15)两种。如图14与图15所示，施加负归返的OP增幅器输入端子之间的电压差恆时为0伏，该状态称为「virtual shoot」或是假想短路。
假设图14的OP增幅器为理想性，由于Gain A为无限大，所以两输入端子之间的电压差，依照下式计算结果为0伏特。
即使R1与R2的阻抗相同，不过反转增幅电路的GainGI 与非反转增幅电路的GainGN却相异，主要原因是反转增幅电路的输入电压被分压成R2/(R1+R2)，再施加于增幅器所致，亦即GI与GN 的关系可用下式表示:
图14 反转增幅电路的增幅动作机制
图15 非反转增幅电路的增幅动作机制
virtual shoot的应用实例
设计人员若能巧妙利用virtual shoot的思考模式，即使是OP增幅器电路的Gain亦可轻易求得，以图14、图15为例，类似V1=0 或是V1=v1 的场合，都可以利用virtual shoot计算Gain。也就是说反转增幅电路的输出入之间的GainGI，可用virtual shoot的概念求得:
GI=-R2/R1
非反转增幅电路的输出入之间的GainGN，亦可用virtual shoot的概念求得:
GN=(R2/R1)+1
图14与图15的「槓桿」图示为virtual shoot的基本概念，设计者若能熟谙virtual shoot的动作原理，就可轻易求得复杂电路的Gain。由于不论是何种增幅器基本上信号都是从输出端反转归返至输入端，因此对输出电压的比为R1/(R1+R2) ，该比率又称为归返率，一般是用β表示。值得注意的是反转增幅电路的输入信号被分压成R2/(R1+R2)，再施加于OP增幅器的反转输入端子，由于上述分压的影响，即使相同的归返率β，反转增幅电路的GainGI比非反转增幅电路小一位数，进而造成「槓桿」的支点不是输入电压而是0伏特。
利用实验观察virtual shoot
图16是-1 Gain的反转增幅电路，利用该电路观察施加负归返时，OP增幅器的输入端子是否维持virtual shoot状态。图中的R3(1KΩ)保护用电阻可有效防止示波器的探针(probe)影响OP增幅器的动作，主要原因Gain虽然为-1，不过它是信号施加于R1的值，相较于直接施加于反转输入端子的噪讯，则可作无限大(裸Gain倍)的增幅，所以必需设置保护用电阻，以防止示波器探针产生的噪讯直接流入电路内，值得注意的是如果未事先作其它安排或考量，原则上必需用精度为±0.5%的多功能数位电錶，挑选误差值低于±1%的金属膜电阻；容量介于1000～１μF时必需使用polyester film type的电容，容量低于1000～１μF时可选用陶瓷电容；容量超过1000～１μF时则需改用铝质电解电容。
由照片2可知，施加归返时v1=0 伏特，这意味着OP增幅器的输入端子是以virtual shoot状态作增幅动作。当R2呈开放状未施加归返时，由于保护二极体的作用，使得
且未产生virtual shoot效应。
图16 观察virtual shoot的实验电路
照片2 有无归返与virtual shoot的波形特性(0.2ms/div)
输入/输出的dynamic range
如上所述所谓的dynamic range是指OP增幅器未饱和，正常动作时的输出、入电压范围。一般而言dynamic range越大，电源电压的有效利用率越高，例如处理同等级的信号时，就不需刻意提高电源电压也获得省能源效应。尤其是可携式消费性电子产品要求低电压低耗电量的场合，高效率的电源电压始终是备受重视的焦点。在OP增幅器基础讲座上集中，曾经介绍rail to rail OP增幅器，所谓的rail事实上是指电源电压而言，上述的rail to rail OP增幅器即使是正负电源电压，亦可获得输出入dynamic range。尤其是OP增幅器ground电位，若是设于Vcc~VEE正负电源电压的中点(亦即动作点)时，就可获得极宽广的dynamic range。有鑑于此设计人员通常会在不减损输出dynamic range的前提下，使输入dynamic range大于输出dynamic range。
‧有关资料表单列示的OP增幅器的dynamic range
接着要检讨有关资料表单(data sheet)记载的OP增幅器dynamic range的实用性。假设MJM2904的资料表单列示的规格如下:
‧输入电压范围:OV~Vcc-1.5V。
‧输出电压范围:OV~Vcc-1.5v 。
由于该IC可输出、入0伏特的信号，这意味着该IC可作单电源动作。此外由于动作条件为＋5V，所以MJM072B与MJM4580的动作条件也是±15V。如果两电源也设成以直流动作点(亦即 Vcc/2)作单电源动作，如此一来单电源也可作两电源动作。值得注意的是虽然单电源用OP增幅器的符号中，标示有ground端子，然而实际上该端子却是指 端子而不是ground端子。
利用实验观察OP增幅器的dynamic range
泛用型OP增幅器的dynamic range
如图17所示利用两个增幅电路检测输出、入dynamic range，OP增幅器为NJM4580。图17(a)为反转增幅电路，它的输出入dynamic range则被分开各别量测；图17(b)为非反转增幅电路，Gain祇有一个，所以可以量测大信号输入时的输出入dynamic range。实验时使用的OP增幅器的输出与输入dynamic range不同，如果输出dynamic range比Gain大一位数，就可量测输出振幅饱和时的状态。图18为输入dynamic range，它可利用图17(a)的反转增幅电路，以独立可变方式量测 与 。由于在反转增幅电路中，输入端子的电压会变成ground电压，所以反转增幅电路正常动作范围就成为输入dynamic range，不过必需注意的是它是输入不饱和out put大信号时的量测的结果，而且Vcc与VEE 之间的电压为30V，量测时则不断改变动作点。
图17 OP增幅器的输出入dynamic range检测电路
图18 检测输入dynamic range时的输出入关系
照片3(a)是上述图17电路的输出入波形量测结果，量测时的动作点被设为VEE+5V，接着再输入8VP-P三角波，V01则呈饱和状态。当负端呈现饱和状时如果再增加输入振幅，V02 的极性会反转同时输出最大电压。
照片3 OP增幅器的输出入dynamic range测试结果(0.2ms/div)
单电源用OP增幅器可将信号输入至VEE
由照片3(a)V02的波形可知，输入信号的电位为VEE+1V 时，它的极性会反转，虽然out put允许因过大输入造成的饱和，不过大部份的情况却不允许极性反转。
照片3(b)的NJM072B与照片3(a)的NJM4580结果几乎相同。
祇有照片3(c)NJM2904的输入值超过VEE，且在VEE-0.5V 时发生极性反转。照片3(c)的输入信号level被设成1.2Vp-p，主要目的是防止IC内部的寄生二极体导通。此外V01的波形是在dynamic range正常范围内，这意味着NJM2904的输入dynamic range已经延伸至VEE。
照片3(d)使用NJM072B，而且将ground电位设成VEE+30V=Vcc。V01在输出dynamic range范围内呈现正常波形，事实上这也是意味着NJM072B 的输入dynamic range已经延伸至Vcc。
根据以上的检讨结果可知，虽然两单电源用OP增幅器的输入信号到达VEE之前输出会反转。不过对单电源用OP增幅器而言，即使到达VEE仍能维持正常动作。需注意的是即使是单电源用OP增幅器，如果超越VEE0.5V亦即VEE-0.5V 时，输出的极性就会反转。依照资料表单(data sheet)记载显示，NJM2904的输出电压范围为VEE~Vcc-0.5V，乍看之下似乎与上述实验结果不同，不过实际上资料表单记载的数据，是与输出端子作VEE负载连接的结果，而上述实验则是将负载与电源的中点连接。
OP增幅器的dynamic range取决于输出
图19是图17(a)电路NJM4580、NJM072B、NJM2904输出、入dynamic range量测结果。由图可知泛用型OP增幅器dynamic range的输入比输出更宽广，Gain 1非反转增幅电路(voltage follower)的输出入dynamic range，是由输出dynamic range决定。此外若将ground电位设于VEE~Vcc 的中点时，就可获得宽广的dynamic range。输入的dynamic range若比输出dynamic range更宽广时，就可积极的作各种应用。假设输入dynamic range为Vcc(15V)，输出dynamic range为Vcc-2V(13V) ，此时若欲使输入信号接近Vcc振幅，同时无偏异的将该值输出时，必需依照图20所示进行2V的level shift。
图19 泛用型OP增幅器的输出入dynamic range量测结果
图20输入dynamic range的应用
动作点设于正、负电源的中点
接着要探讨利用单电源驱动双电源OP增幅器与单电源OP增幅器的方法。首先将OP增幅器的V+端子连接至Vcc(12V) ，V- 端子连接至ground 。如上所述双电源的场合必需刻意设定成其它电位，而动作点则分别被设于正电源(+15V) 与负电源(-15V)的中点亦即ground 上，相较之下单电源的场合就需自行设定动作点。如图21所示Gain 10的OP增幅器的动作点被设成6V，Vcc(12V)被两个10kΩ(R7,R8)电阻分压，由于祇供给非反转端子，所以输出呈无信号状态6V电位，输出信号则以6V为中心作振盪。整体而言OP增幅器的动作点设定比Transistor简单，而且施加于非反转输入端子的电流则被设成直流电压。至于动作点设成正/负电源的中点亦即6V，主要原因是如此一来dynamic range可变得更加宽广。C5是为了将动作点移至0V，特别追加设置的电容(condenser)，简称为coupling condenser，由于电容无法导通直流电，因此C5的输入端的动作点为6V，输出端就变成0V。如图21所示两个增幅电路输入振幅为1.2Vp-p的三角波，藉此方式观察输出信号，其结果如照片4所示。此处使用的OP增幅器为两电源用的NJM4580，输出dynamic range恆时维持+2V～+11V。对NJM4580而言若将动作点设为6.5V时，反而比较容易整合dynamic range。相较之下其它OP增幅器，例如NJM072B的动作点最好设成6.6V，NJM2904的动作点则为5.6V。
如果是单电源驱动OP增幅器的场合，祇需将动作点设成VCC/2，就可获得最佳dynamic range，不过需注意的是OP增幅器内部的动作点，具备外部性ground与直流性电位差，所以必在需OP增幅器的输出、入部位设置直流cut用电容。电源为+12V单电源，输入为0～+10.5V，输出为0～+10.5V的场合，NJM2904就不需追加设置coupling condenser。
图21 单电源动作的OP增幅器的增幅电路
照片4 单电源动作的NJM2904的输入信号(0.2ms/div)
OP增幅器的电源
两电源驱动时的电源投入顺序
利用双电源驱动OP增幅器时，正电源与负电源何者先投入往往困扰电路设计者。如图22所示利用双电源OP增幅器NJM4580构成voltage follower，接着任意投入Vcc(+15V) 与VEE(-15V)，藉此观察电源电流的变化，表4是测试结果，由测试结果可获得以下结论:
(a).若先投入正电源，从正电源产生的电流会流入OP增幅器内。
(b).若先投入负电源，负电源的电流几乎等于0。
虽然依照实验结果得知最好是先将VEE(-15V) 投入OP增幅器，然而事实上电流本身容量很小，所以正、负电源何者投入并不会造成动作上的障碍。不过对某些特殊情况却不适用，例如NJM5532 Audio用OP增幅器，根据data book的记载，必需先投入VEE(+15V) 。一般而言设计上往往会使用多种类的OP增幅器，因此正、负电源通常是同时投入再加以遮断即可。
图22利用电源投入顺序的差异，观察电源电流变化的电路
型号 电源电流(mA)先投入
Vcc(+15V) 先投入
VEE(-15V) 动作中NJM4580 3.5 0 ±5.91NJM072B 1.14 0 ±3.42NJM2904 1.68 0 ±0.86
表4 电源投入顺序与电源电流的变化
必需设置pass control
大部分的电路都未在电源与接地(ground)之间设置pass control，不过为了避免噪讯与振幅等困扰，最好设置pass control，尤其是OP增幅器的电源部位，设置pass control已经成为厂商极力推荐的项目。例如利用图23所示的两种增幅电路进行无pass control实验，为了模拟电线配线的电感(inductance)，所以在电线line插入4.7μF的电感(inductor)，OP增幅器则为NJM4580。照片5是图23的输出波形，照片中的辉线变的非常粗，表示电路已经变成振幅状态，接着更换OP增幅器进行振幅level与频率测试，测试结果如表5所示。根据测试结果显示类似NJM4580的OP增幅器对电源的电感(inductance)非常敏感，而且极易产生振幅，相较之下NJM072B的OP增幅器较不易产生振幅，而且振幅波形呈大小分佈。照片5(b)是连接0.1μF pass control时的输出波形，由照片显示振幅几乎完全消失，由此可知pass control有无对电源电路具有重大影响。一般认为具备一个IC的双电源必需设置0.1μF的pass control，IC数量每两个则需插入100μF左右的电解电容。
图23 测试pass control的电路
照片5 有无pass control的波形比较(0.2ms/div)
大输出电流时，如何维持输出dynamic range
负载电流变大，输出dynamic range减缓
图24是OP增幅器的负载特性，由图可知NJM4580与NJM2904为RL≥1KΩ时，最大输出电压若维持不变，输出电压的振幅就不会变大。若是RL≤1KΩ 时，负载阻抗越小输出电压越低，输出dynamic range就呈现减缓趋势，一般认为该特性主要是OP增幅器输出段的Transistor电流供给能力已达极限所造成。此外NJMO72B为RL≤1KΩ时，负载阻抗越小输出电压就越低。由于NJMO72B的最大输出电流比上述两种OP增幅器更低，所以若将NJMO72B与阻抗值较低的负载阻抗连接，输出dynamic range则呈现大幅减缓。
图24 泛用OP增幅器的最大输出电压与负载阻抗的关系
增设Buffer
为了防止负载阻抗低于2kΩ时，输出dynamic range会有降低的现象，所以必需依照图24所示方法，在OP增幅器的输出端追加设置Transistor，主要目的是希望藉由Transistor的emitter电流为base电流的1/hEE倍特性，使OP增幅器的输出电流变成需负载电流的1/hEE倍。照片6下方的波形是图25(a)追加Tr1(J1)以及Tr2(J2)后的输出信号。照片上方的波形vo2是图25(b)的输出波形，它的负载阻抗为100Ω。根据量测结果显示追加设置NPN型Transistor可有效改善正极端的输出dynamic range；追加设置PNP型Transistor则可有效改善负极端的输出dynamic range；如果同时追加设置PNP型与NPN型Transistor，则可大幅改善两极性的输出dynamic range。或许直觉上会认为「缓冲器(Buffer)祇适合补偿式(Complimentary)电路使用」，不过输出端以及正或是负的电源之间存有负载，因此不在上述限制范畴内，甚至必需重新检讨利用一个电晶体(Transistor)作缓冲电路的必需性。此外由保护二极体直接驱动100Ω时的波形可知，NJM4580即使施加100Ω的负载，仍可作+5～-6V左右的驱动。图25(b)的base与emitter之间的二极体(D1，D2)刻意被设定成不会超越VBE的5V最大定格值，由于VBE的耐压非常低，因此一旦超越VBE，噪讯会大幅增加，hFE则降低，甚至会造成无法恢復原来特性的后果。
照片6 追加设置Buffer，可使输出dynamic rang扩大(0.2ms/div)
图25 追加设置Buffer的OP增幅器电路
追加设置偏压(bias)电路
交流信号增幅时，必需依照图25(b)所示，在电晶体(Transistor)的base与emitter之间，追加顺向电压VF与VBE几乎相同的元件，例如二极体等元件，藉此使base与emitter之间能增添 成份(约0.6V)的电压，因此上述方法又称为「偏压(bias)」。照片7是图25两电路的输出信号波形，由图可知未作偏压电路的图25(a)(j1与j2都呈ON状态)的v01，在0V附近出现偏斜，该偏斜现象又称为「cross over偏斜」。如果对base施加偏压(bias)，由于电源与base之间的电阻R8，R9会提供电晶体(Transistor)base电流，因此若与利用OP增幅器的输出直接驱动base的情况比较时，最大振幅大约会降低1V左右。
由于VBE会随着电晶体(Transistor)的温升而变小，因此祇要bias电压未变，则collector电流就会增加，进而造成电晶体的温度上升，当VBE变小时collector电流反而增大，这种现象称为「热窜」。为了降低电流的自我增加，因此在与emitter成直交处插入电阻R10， R11。相形之下与base成直交处插入的电阻R7，主要目的是防止emitter follower的寄生振幅，如果省略未设置电阻R7，就会引发超高频的寄生振幅，进而造成电晶体过热、动作点漂移等异常现象，而且上述振幅波形必需使用宽频示波器才能观测。
照片7 发生cross over偏斜(0.1ms/div)
其它注意事项
未使用OP增幅器的端子的处置
OP增幅器IC内部经常会有端子未使用到OP增幅器，如果未加以处理这些闲置端子，极易造成OP增幅器动作不稳定，尤其是类似NJM5532 data book指明需装设电阻的场合，或是Gain 10倍以上亦能稳定动作的μPC4556，就必需依照图26(a)所示外置电阻，同时将Gain设成10倍以上。
图26 闲置端子的处置方法
与外部设备连接时的处置
设有OP增幅器的电路与外部设备连接时，高压脉冲、噪讯会经由缆线(cable)流入电路，如果噪讯超过OP增幅器的绝对最大定格时，内部的寄生二极体会被导通，进而造成OP增幅器遭到破坏，此时必需依照图27所示追加设置二极体(diode)。有关二极体的选用基于顺向电压压降等考量，较小的shoot key barrier diode比寄生二极体(约0.7V)更适合，不过实际上漏电流与寄生容量过大，反而会造成不易使用的困扰，因此一般都是利用switching diode作保护。
图27 输出、入的保护电路
cross talk
所谓的cross talk是指OP增幅器IC内部的一个OP增幅器信号，洩漏至其它OP增幅的out put而言。照片8是图23的电路，10kHz的正弦波祇输入至IC1b时，观察输入至IC1b的信号洩漏的结果。若与照片5(b)比较可知频率若从1kHz变成10kHz时，cross talk会随着增加，也就是说cross talk会因输入信号频率变高而增加，为了避免该现象所以尽量不要使用同一IC内的OP增幅器。
照片8 发生cross talk(20ms/div, f=10KHz)