什麼是運算放大器（Op Amp）？工作原理、作用、選型方法及與比較器的差異

運算放大器的工作原理

首先確認運算放大器如何處理輸入端子的電壓差，以及如何透過負回授決定電路動作。在進入端子與內部電路的細節之前，先從差電壓的放大、虛擬短路、電壓隨耦器的動作掌握基本概念。

放大兩個輸入端子之間的電壓差

這裡先確認運算放大器把什麼視為輸入。重點不是+輸入端子與-輸入端子各自的電壓本身，而是在兩個輸入端子之間產生的差電壓。

運算放大器會將+輸入端子與-輸入端子之間的微小差電壓放大後輸出。因此，運算放大器通常需要具備高放大率。

若+輸入端子與-輸入端子只是施加相同電壓，理想情況下不會產生輸出變化。決定輸出的是兩個輸入之間的差異，輸出方向會依哪一個輸入較高而改變。

不過，運算放大器本身的開放增益非常大，因此若不加負回授使用，輸出很容易擺到接近電源電壓。因此在實際的放大電路中，會用外接電阻等構成負回授，調整成所需的增益後使用。

負回授與虛擬短路

運算放大器的開放增益非常大，因此只要輸入端子間存在微小電壓差，輸出也會大幅變化。若直接使用，輸出容易擺到接近電源電壓，所以實際的放大電路會把部分輸出回送到-輸入端子，利用負回授調整成所需的增益與動作。

在負回授正確作用且處於線性動作的範圍內，運算放大器的輸出會朝著縮小+輸入端子與-輸入端子電位差的方向變化。其結果是，即使兩個輸入端子並未實際相連，也可以把它們視為電位幾乎相等。這種近似稱為虛擬短路。

虛擬短路是只有在加上負回授、具備足夠迴路增益，且未超出輸入共模電壓範圍與輸出振幅範圍時才可使用的概念。並不是只要加上負回授就一定會穩定，頻寬、相位裕度、負載電容、配線與基板的寄生成分，都可能造成振盪或響應紊亂。下一節的電壓隨耦器會用具體電路確認這個概念。

從電壓隨耦器看基本動作

負回授與虛擬短路的關係，透過電壓隨耦器會更容易具體理解。這裡以把輸入電壓原樣傳遞到輸出的電路為例，確認在開放增益足夠大時，輸出誤差會變小的思路。

電壓隨耦器電路是將輸出端直接回送到-輸入端子的負回授電路。在滿足條件的範圍內，輸出會追隨施加在+輸入端子的輸入電壓而變化，使輸入電壓與輸出電壓幾乎相等。電壓增益幾乎為1倍，但可利用高輸入電阻與低輸出電阻，作為電壓緩衝器將訊號傳遞到下一級。

在此電路中，由於輸出電壓會回到-輸入端子，因此輸入端子間的差電壓可視為V_S–V_OUT。運算放大器會以開放增益A_V放大此差電壓，所以輸出電壓可表示如下。

\(V_{OUT} = A_V × (V_{IN+} – V_{IN-}) = A_V × (V_S – V_{OUT})\)

因此

\(V_S-V_{OUT} = \displaystyle\frac{V_S}{1+A_V}\)

在開放增益A_V足夠大的範圍內，式子左邊的差電壓V_S–V_OUT可視為接近0的值，因此可近似為V_S=V_OUT。這並不是表示輸入與輸出完全相等，有限的開放增益、輸入與輸出範圍、負載條件仍可能留下誤差。

運算放大器需要高開放增益，是為了盡可能縮小這項誤差。換個角度來看，負回授正確作用時，+輸入端子與-輸入端子的電位差會變小，也就更容易以先前說明的虛擬短路來處理。

在電壓隨耦器中，利用這項特性可以在電壓增益幾乎維持1倍的同時，降低對訊號源的負擔，並將訊號傳遞到後段。不過，所使用的運算放大器是否為單位增益穩定，以及是否不會因電容性負載而振盪，都需要在資料表中確認。

運算放大器的結構與原理

這裡確認從外部看到的運算放大器端子結構、理想模型，以及內部電路的角色。也就是整理前一章所見的動作，是由哪些端子、輸入段、增益段與輸出段所構成。

運算放大器的端子結構與電源端子名稱

使用運算放大器時，一開始最容易迷惑的是訊號要輸入到哪個端子，以及電源要接到哪個端子。這裡以閱讀電路圖與資料表為前提，確認每個電路的基本端子與電源端子名稱。

運算放大器每個電路由正電源端、負電源端、+輸入端子、-輸入端子與輸出端這5個端子構成。

※一般來說，端子的稱呼除了電源、輸入、輸出這些分類以外，並沒有統一。

理想運算放大器的輸入電阻與輸出電阻

接著用理想模型確認，什麼樣的運算放大器不會對訊號源或負載造成額外影響。高輸入電阻與低輸出電阻，是不破壞感測器訊號並傳遞到後段的基本條件。

運算放大器所需的功能包括高輸入電阻（阻抗）與低輸出電阻。在下圖【電壓控制電壓源放大器的模型】中，輸入電壓與輸出電壓的關係可由下式表示。

\(V_O = A_V × \displaystyle\frac{R_i}{R_i + R_S} × \displaystyle\frac{R_L}{R_O + R_L} × V_S\)

訊號電壓V_S會因訊號源電阻R_S與運算放大器的輸入電阻R_i形成電阻分壓，因此衰減後的訊號會輸入到運算放大器。不過，當R_i相對於R_S足夠大（R_i=∞）時，式子的第1項可近似為1，並可視為V_S=V_i。接著看第2項，放大後的輸入電壓A_VV_i會因運算放大器的輸出電阻R_O與負載電阻R_L而分壓後輸出。此時，若R_O相對於RL足夠小（R_O=0），第2項可近似為1，表示訊號可不衰減地輸出。這樣的運算放大器稱為理想運算放大器。一般運算放大器需要高輸入電阻與低輸出電阻，電路結構也會設計得盡量接近理想運算放大器。

內部電路的結構

確認端子與理想模型之後，接著看訊號在IC內部會通過哪些段落並被放大。這裡不是為了設計內部電路的細節，而是整理輸入段、增益段與輸出段如何關聯到各項特性。

下方示出運算放大器的內部電路結構。一般來說，運算放大器可用輸入段、增益段、輸出段這3段結構來理解。

輸入段由差動放大段構成，接收+輸入端子與-輸入端子的差電壓。同相訊號成分（端子間沒有電位差、輸入相同電壓的狀態）在理想情況下會被抑制，但實際IC具有稱為共模抑制比的有限特性。

增益段會補足僅靠差動放大段不足的增益，提高整個運算放大器的開放增益。在一般運算放大器中，為了能在負回授電路中穩定使用，增益段周邊會連接防止振盪用的相位補償電容。

輸出段是用來降低連接到輸出端之負載的影響，並驅動後段的段落。由負載造成的失真或電壓下降等，主要取決於輸出段的電路結構與電流能力。輸出段有A類、B類、C類、AB類等分類，但這裡只需以內部電路概要的角度，掌握輸出段是與負載驅動相關的部分。

運算放大器的角色

運算放大器用於將微小電壓差轉換成容易處理的訊號，並隔離訊號源與負載的影響，使電路穩定動作。

在感測器或偵測電路中，訊號源輸出較小，若直接傳遞到後段的A/D轉換器或控制電路，容易受到誤差或負載影響。使用運算放大器後，可在降低訊號源負擔的同時，將訊號調整到所需電壓範圍，讓訊號更容易傳遞到下一個電路。

將微小訊號轉換成容易處理的電壓

感測器或偵測電路取得的小訊號，有時會讓後段電路難以直接處理。運算放大器負責將這類微小訊號放大到所需的電壓位準。

例如，讀取感測器輸出到A/D轉換器或微控制器內建A/D輸入時，如果相對於輸入範圍而言訊號太小，就無法充分利用解析度。使用運算放大器把訊號放大到適當範圍後，後段電路會更容易讀取訊號變化。不過，除了必要增益，也要一併確認失調、雜訊、輸入範圍與輸出範圍。

放大微小訊號時，並不是單純放大就好。由於重疊在訊號上的雜訊與輸入失調電壓也會一併被處理，因此需要配合後段所需的解析度與量測範圍，同時檢視增益與誤差因素。

隔離訊號源與負載

透過高輸入電阻與低輸出電阻的特性，可以在降低訊號源負擔的同時驅動負載。

輸入電阻高時，不易破壞訊號源電壓；輸出電阻低時，則較容易驅動後段電路或負載。

訊號源之中，有些像感測器或分壓電路一樣具有較高的輸出電阻。若將負載直接接到這類訊號源，訊號源電阻與負載電阻會形成分壓，使想要取出的電壓下降。

將運算放大器放在中間後，前段幾乎不需供應電流，而後段則較容易取得必要電流。這項作用在緩衝器用途中特別重要；在電壓隨耦器中，即使電壓增益幾乎為1倍，也能在保持訊號電壓的狀態下較容易傳遞到下一個電路。

在量測、控制、音訊與電源中的用途

在量測、控制、音訊、電源電路等領域中，運算放大器會用於訊號放大、緩衝器、濾波器等目的。應依用途確認輸入範圍、輸出範圍、雜訊與溫度特性等。

在量測電路中，運算放大器會把感測器訊號整理成容易讀取的電壓；在控制電路中，會把偵測到的訊號整理成便於判斷或控制的形式。音訊電路會用於訊號放大或濾波處理，電源電路則會作為支援電壓與電流偵測、回授控制的訊號處理部。由於各用途所需的精度、頻寬、雜訊、輸入輸出範圍不同，需要依電路目的確認特性。

運算放大器的選擇方法

選擇種類時，不只要看電源結構，也要確認輸入訊號是否落在可處理的範圍內，以及輸出是否能擺到後段電路所需的電壓。進一步搭配用途確認精度、雜訊、頻寬、消耗電流、動作溫度範圍等，就更容易選出符合電路條件的運算放大器。

依電源結構選擇

首先要確認的是，電路能否準備正負兩側電源，或是否必須以單一電源動作。電源結構會影響輸入訊號的基準電位，以及能否處理0V附近的訊號。不過，實際可處理的範圍不只由電源方式決定，也會由輸入共模電壓範圍與輸出振幅範圍決定，因此需先整理雙電源與單電源的差異，再透過資料表確認。

雙電源運算放大器的特點

運算放大器通常常用於放大接近0V的微小訊號，因此當雙電源運算放大器需要0V輸入時，會將V_EE設定在負電壓側。所需的負電源電壓會依品種與輸入共模電壓範圍而不同，因此需在資料表中確認。由於多數情況會使用負電源，且需要正、負兩種電源，所以稱為雙電源運算放大器。

單電源運算放大器的特點

單電源運算放大器是不需準備負電源、較容易以單一電源動作的品種。可處理0V附近訊號的品種，也稱為接地檢測運算放大器。不過，能以單電源動作，並不等於輸入或輸出一定能始終按照規格處理到0V附近。需在資料表中確認輸入共模電壓範圍與輸出振幅範圍。

依輸入輸出電壓範圍選擇

決定電源結構後，要確認實際輸入訊號與必要輸出電壓是否落在所選運算放大器的動作範圍內。尤其在低電壓動作時，能否接近電源電壓進行輸入與輸出，會影響使用便利性。

運算放大器的種類，可依輸入輸出電壓範圍的差異，大致分為「雙電源運算放大器」、「單電源運算放大器」、「Rail-to-Rail運算放大器」三類。各運算放大器的輸入輸出電壓範圍如下圖所示。

Rail-to-Rail運算放大器的特點

隨著近年節能化發展，許多設備採用低電壓驅動。運算放大器同樣也需要在低電壓下動作，但當V_CC電壓降到接近5V時，依品種不同，輸入上限可能會被限制在比V_CC低一定電壓的範圍，造成使用上的不便。因此，出現了能處理接近電源軌之輸入或輸出的Rail-to-Rail運算放大器。由於可在接近電源電壓（V_EE～V_CC）範圍處進行輸入輸出，也稱為輸入輸出全擺幅運算放大器。不過，實際可處理到哪裡，會隨輸入共模電壓範圍、輸出電流、負載電阻、溫度、電源電壓等條件改變。這並不表示從V_EE到V_CC都一定能理想動作，因此需以資料表條件確認。

依用途選擇

選擇符合用途的運算放大器時，需要依序確認電源條件、輸入輸出電壓範圍、必要精度、訊號頻寬、雜訊與溫度條件。

在車用與工業設備中，溫度範圍、抗雜訊能力與長時間動作時的穩定性很重要。電池驅動設備需確認低電壓動作、消耗電流，以及輸入輸出的電壓範圍。感測器訊號處理會處理微小訊號，因此需依用途檢視失調、雜訊、輸入偏壓電流與必要頻寬。

運算放大器的特性與用語

選擇運算放大器時，不只要確認能否放大，也要確認能以多高的正確度處理訊號。這裡依序確認放大率與電壓增益、輸入失調電壓、轉換速率、雜訊特性、溫度特性與絕對最大額定值。

放大率與電壓增益

在放大率與電壓增益中，要確認輸入訊號要放大到什麼程度，以及如何以dB表示增益。

確認放大率與電壓增益時，需要分開思考由負回授電路結構與外接電阻等決定的閉迴路增益，以及運算放大器本身具有的開迴路增益（開放增益）。更詳細的計算方法與dB表示的讀法，可在增益相關的詳細文章中確認，會更容易理解。

輸入失調電壓

輸入失調電壓是即使輸入差電壓為零，輸出也會產生誤差的因素。在高精度量測電路中尤其需要確認。

在以高增益處理微小訊號的電路中，輸入失調電壓造成的誤差也會被放大，有時會成為不可忽略的輸出誤差。在感測器量測或基準電壓周邊等要求高精度的電路中，也要確認溫度造成的失調變動。

轉換速率

轉換速率是表示輸出電壓能相對於時間多快變化的特性。處理大振幅訊號或高速訊號時需要確認。

在大振幅訊號或高頻率訊號中，若所需的變化速度超過轉換速率，輸出波形可能無法追隨輸入變化而失真。需根據所處理訊號的振幅與頻率，確認是否滿足必要的轉換速率。

雜訊特性與 EMI/EMS

這裡分開確認重疊在訊號本身上的雜訊性能，以及針對外來電磁雜訊的EMI/EMS觀點。兩者都與微小訊號的品質相關，但確認項目不同。

在運算放大器的雜訊性能中，會查看輸入換算雜訊、周邊電阻的熱雜訊等重疊到訊號上的成分。另一方面，在EMI/EMS中，會確認電路本身是否可能成為電磁雜訊的發生源，以及受到外來雜訊時是否不易誤動作。在處理微小訊號的電路或靠近雜訊源使用的電路中，需依用途確認必要的訊號頻寬、雜訊性能與對外來雜訊的耐受性。

溫度特性與動作溫度範圍

溫度特性是用來確認周圍溫度變化會使失調電壓或特性改變到什麼程度的項目。需確認相對於使用環境是否滿足動作溫度範圍。

資料表的電氣特性多半以25℃等特定條件表示，實際使用溫度下，失調電壓、輸入偏壓電流、增益等可能會變化。不只要確認周圍溫度，也要確認IC內部的接面溫度是否落在容許範圍內。由於消耗功率與基板散熱條件會改變溫度上升量，因此需連同熱設計一起確認動作溫度範圍。

絕對最大額定值的讀法

絕對最大額定值是表示不可超過之極限值的項目。需與表示一般動作時應滿足條件的動作電源電壓範圍分開確認。

絕對最大額定值是即使短時間超過，也可能導致劣化或破壞的極限值。這不代表只要在此範圍內性能就會被保證；一般動作時仍需滿足電氣特性中所示的動作條件。設計時需留有餘裕，避免電源、輸入、輸出、溫度等接近絕對最大額定值。

電源電壓與動作電源電壓範圍

電源電壓的絕對最大額定值是為避免破壞而設定的上限；動作電源電壓範圍則是為按照規格動作所需的範圍。

設計時要確認一般狀態下的電源電壓落在動作電源電壓範圍內。同時，也要保留餘裕，使電源變動或瞬間上升發生時，也不會超過絕對最大額定值。

差動輸入電壓

差動輸入電壓是施加在+輸入端子與-輸入端子之間的電壓差。需確認不要超過輸入端子間的容許範圍。

若輸入端子間施加較大的電壓差，可能會對輸入保護元件或輸入段造成負擔。因此，不只要確認一般動作時預期的輸入差，也要確認電源投入時或異常時會施加到端子間的電壓。

共模輸入電壓

共模輸入電壓是共同施加到兩個輸入端子的電壓範圍。選擇單電源或Rail-to-Rail品時，需要確認訊號是否落在輸入共模電壓範圍內。

共模輸入電壓的絕對最大額定值，表示可施加到兩個輸入端子的共模電壓極限值。另一方面，電氣特性中記載的輸入共模電壓範圍，則是運算放大器可按照規格動作的輸入電壓範圍。

輸入電流

輸入電流是流入輸入端子，或從輸入端子流出的電流。處理高電阻訊號源時，需要確認輸入電流造成的誤差。

這裡確認的輸入電流，也包含輸入端子施加額定外電壓時流入保護元件的電流。這與一般動作時的輸入偏壓電流意義不同，因此需要分開確認。若輸入端子設有箝位二極體等保護元件，需透過串聯電阻等限制電流，設計時避免超出容許範圍。

運算放大器與比較器的差異

最後整理端子結構相似的運算放大器與比較器之間的差異。兩者都處理兩個輸入，但用於透過負回授進行線性放大，或用於判定電壓大小時，內部結構與響應速度的思路不同。

用途的差異

運算放大器用於放大連續變化的類比訊號，或作為緩衝器、濾波器來整理訊號。另一方面，比較器是比較兩個電壓，並將哪一方較高作為High/Low訊號輸出的電子元件。它可用於溫度感測器的閾值偵測、電池監測的電壓監視、過電壓保護電路的異常偵測等，需要快速取得判定結果的用途。

比較器（Voltage Comparator：比較器）的端子結構與運算放大器相同，由+輸入端子、-輸入端子、正電源端、負電源端、輸出端這5個端子構成。將其中一個輸入端子作為基準端子並固定電壓，再放大此基準電壓與另一端子輸入電壓之間的差異，輸出High或Low。

若+輸入端子的電位 > -輸入端子的電位成立，則輸出High位準；若-輸入端子的電位 > +輸入端子的電位成立，則輸出Low位準。

相位補償電容與響應速度的差異

運算放大器與比較器的端子結構相似，但內部重視的特性不同。運算放大器多半用於負回授電路中穩定動作，因此一般在IC內部具有防止振盪用的相位補償電容。另一方面，比較器是以高速判定輸入電壓大小為用途來設計，並不是以負回授進行線性放大為前提。

比較器內部的思路

比較器的電路結構思路與運算放大器有相近之處，但一般比較器採用不具相位補償電容的結構。因此，比運算放大器更容易縮短響應時間，適合閾值判定。不過，響應速度並不只由相位補償電容決定，也依輸入段、輸出段、從飽和恢復、輸出形式等而變。詳細注意點會在下一節確認。

將運算放大器作為比較器使用時的注意點

基於以上差異，若目的在於比較判定，原則上選擇比較器是基本做法。若將運算放大器作為比較器使用，可能會因相位補償電容或從輸出飽和恢復，而比比較器響應更慢。

此外，運算放大器並不是設計成輸出High/Low的邏輯IC，因此需要確認輸出電壓位準、輸入共模電壓範圍、差動輸入電壓的容許範圍，以及輸出是否會往與預期相反方向擺動、恢復時間等現象。

當輸入在閾值附近緩慢變化，或有雜訊重疊時，輸出可能會不穩定地切換。需要遲滯的用途或需要高速判定的用途，應以使用比較器為前提進行檢討。若以運算放大器代用，需在資料表中確認是否允許這種用法。

運算放大器基礎總結

運算放大器是會放大兩個輸入端子間差電壓，並透過負回授取得所需增益與動作的類比IC。掌握端子結構、內部電路、高輸入電阻與低輸出電阻的概念後，就更容易理解它為何用於微小訊號放大、緩衝器、濾波器、偵測電路等用途。選型時，需依用途確認電源結構、輸入輸出電壓範圍、增益、失調、轉換速率、雜訊與溫度條件。運算放大器與比較器的端子結構相似，但主要用途與內部結構不同，因此在進行電壓大小判定時，也要包含使用專用比較器在內進行檢討。