什麼是運算放大器的輸入特性？輸入精度與絕對最大額定值（Absolute Maximum Ratings）

運算放大器的輸入特性是什麼？

運算放大器的輸入特性大致可分為兩類。第一類是表示輸入訊號能被多精確處理的特性。第二類是表示輸入端子或電源端子可承受電壓、電流上限的額定值。

輸入偏置電流是在正常工作時流入運算放大器輸入端子的微小電流，與訊號源電阻組合後會成為電壓誤差的原因。另一方面，電源電壓、差動輸入電壓、共模輸入電壓與超出額定輸入時的輸入電流，是為了避免IC破壞或劣化而需要確認的項目。

影響輸入精度的特性

與正常工作時的輸入精度相關的參數，主要有輸入失調電壓與輸入偏置電流。輸入失調電壓是換算到輸入端子之間的誤差電壓，輸入偏置電流則是與訊號源電阻組合後會產生電壓誤差的微小電流。兩者在微小感測器訊號或需要高DC精度的電路中，都會影響輸出誤差。

輸入失調電壓是什麼？

在理想的運算放大器中，當+輸入端子與-輸入端子的電位差為0V時，輸出也會理想地為0V。然而，實際的運算放大器會因輸入級元件的特性差異等因素，即使輸入端子間電位差為0V，輸出仍可能產生偏差。為了使這個輸出偏差成為0V，而需要加在輸入端子間的補償電壓，稱為輸入失調電壓。繁體中文原稿中使用的輸入偏移電壓，在本文中以較常見的輸入失調電壓統一表述。

輸入失調電壓的單位通常以mV或µV表示。數值越接近0越接近理想狀態，在需要DC精度的電路中是重要的確認項目。

當輸入共模範圍之外使用時，輸入失調電壓可能急遽增加，進入運算放大器難以正常工作的區域。評估輸入失調電壓時，應同時確認測量條件與輸入共模電壓範圍。

以輸入換算值表示的原因

輸入換算是將出現在輸出端的誤差換算成輸入側電壓來處理的方法。運算放大器會因電路配置而改變閉迴路增益或雜訊增益，因此只看輸出側的數值，較難比較IC本身的誤差或不同電路條件下的差異。若以輸入側誤差表示，就能依據電路條件換算成輸出誤差，也更容易以同一基準確認資料表中的輸入失調電壓與輸入換算雜訊。

輸入換算值並不是實際輸出誤差本身。出現在輸出端的誤差，需要將輸入換算值乘以電路的閉迴路增益或雜訊增益來估算。因此，閱讀資料表時先確認輸入側所示的值；實際電路中則需要搭配使用的增益條件、訊號源電阻、溫度與頻寬進行評估。

輸入失調電壓對輸出誤差的影響

輸入失調電壓所造成的輸出誤差，可概略用輸入失調電壓乘以雜訊增益來估算。

\(V_{OUT\_error}≈V_{OS}×雜訊增益\)

V_OS為輸入失調電壓，雜訊增益則是輸入換算誤差出現在輸出端時的倍率。

在非反相放大電路等雜訊增益與閉迴路增益相同的情況下，可用下式概略估算。

\(V_{OUT\_error}≈V_{OS}×\left(1+\displaystyle\frac{R_F}{R_G}\right)\)

RF 為回授電阻，RG 為增益設定電阻。即使在反相放大電路中，由輸入失調電壓造成的輸出誤差也應以雜訊增益思考，而不是以訊號增益思考。例如在 RF/RG = 100 的反相放大電路中，訊號增益為 -100 倍，但對輸入失調電壓而言，雜訊增益為 1 + RF/RG = 101 倍。

因此，當輸入失調電壓 VOS = 1mV、雜訊增益為 101 時，輸出誤差約為 101mV。即使輸入換算誤差很小，在高雜訊增益的電路中，輸出端也可能呈現為較大的誤差。

輸入失調電壓的分布與常態分布

從個別IC的數值來看，輸入失調電壓通常會以0V附近為中心，往正負兩個方向分布。資料表的規格值多半以V_OS絕對值的最大值表示，因此實際個體可能出現正方向或負方向的失調電壓。

有些情況可近似為常態分布，但分布會依產品與測量條件而改變，因此設計時比起依賴詳細分布式，更重要的是將最大值與溫度漂移納入設計裕度。在高精度DC放大或感測器訊號放大中，不只要確認資料表的最大值，也要確認溫度漂移。

即使可看到接近常態分布的趨勢，也應避免只依分布中心值放寬設計裕度。設計時應將資料表所示最大值視為保證值，並確認無論失調往正或負方向出現，輸出誤差都能落在允許範圍內。

輸入失調電壓的溫度漂移

輸入失調電壓會隨溫度改變。這個變化量稱為輸入失調電壓漂移，或失調電壓溫度漂移。單位通常以µV/℃表示，在溫度範圍寬或處理微小訊號的用途中特別重要。

\(ΔV_{OS}≈drift×ΔT\)

drift為輸入失調電壓漂移，ΔT為溫度變化。這是不同於初始V_OS的另一項誤差因素。

例如，輸入失調電壓漂移為1µV/℃、溫度變化為50℃時，溫度造成的輸入換算誤差約為50µV。再將此值乘以電路的雜訊增益，即可確認溫度變化造成的輸出誤差概略值。

輸入偏置電流是什麼？

輸入偏置電流是在正常工作時流入運算放大器輸入端子的微小電流。它與輸入端子電壓超出額定時流入保護元件的輸入電流不同，發生條件與設計上的處理方式也不同。輸入偏置電流不是為了避免破壞而確認的保護電流，而是會影響輸入精度的誤差因素。

特別是在訊號源電阻或回授電阻較大的電路中，輸入偏置電流會在電阻上產生電壓降，並以輸入換算誤差的形式出現。閱讀資料表時，應確認輸入偏置電流的典型值、最大值與溫度條件，並搭配實際使用的電阻值估算誤差。

輸入偏置電流對輸入誤差的影響

輸入偏置電流造成的輸入換算誤差，可用訊號源電阻與輸入偏置電流的乘積概略估算。

\(V_{error}≈I_B×R_S\)

I_B為輸入偏置電流，R_S為訊號源電阻。這應視為不同於輸入失調電壓的另一項誤差因素。

例如，輸入偏置電流 I_B = 100nA、訊號源電阻 R_S = 10kΩ 時，輸入換算誤差約為1mV。使用高電阻訊號源的電路中，除了輸入失調電壓外，輸入偏置電流造成的誤差也可能無法忽略。

絕對最大額定的讀法

接著確認在不損壞運算放大器的前提下，需要遵守的額定值，以及這些額定值與正常工作條件之間的差異。確認電源電壓與輸入端子電壓時，區分限界值與工作保證條件非常重要。

絕對最大額定是什麼？

絕對最大額定不是保證正常工作的條件，而是不可超過的限界值。即使只是瞬間超過，也可能導致IC特性劣化或破壞。即使位於絕對最大額定範圍內，也不代表電氣特性或正常工作受到保證，因此設計時的工作點應依建議工作條件或電氣特性條件確認。

在運算放大器的輸入周邊，除了電源電壓外，差動輸入電壓、共模輸入電壓、超出額定輸入時的輸入電流，也都屬於絕對最大額定的確認對象。設計時應先確認是否位於建議工作條件內，再針對電源啟動、停止、暫態輸入或外部過電壓等最壞條件，檢查是否超過絕對最大額定。

因此，絕對最大額定不是設計目標，而是包含異常與暫態狀態在內也不能跨越的邊界。即使數值看起來相同，只要記載在不同表格中，意義就可能不同。

絕對最大額定與工作條件的差異

在資料表中，絕對最大額定、建議工作條件或工作電源電壓範圍、電氣特性條件通常會分開記載。這些項目看起來相近，但意義不同。

電源電壓與工作電源電壓範圍

絕對最大額定中的電源電壓，應以V_CC端子與V_EE端子之間的電位差確認。重點不是只看V_CC單端對地電壓，而是確認正側電源與負側電源之間的差。

\(V_{CC}-V_{EE}≤絕對最大額定電源電壓\)

這個式子是為了避免破壞或劣化而確認限界值，並不保證正常工作。

正常工作應在工作電源電壓範圍內確認。

\(工作電源電壓範圍下限≤V_{CC}-V_{EE}≤工作電源電壓範圍上限\)

有些產品的絕對最大額定最大值與工作電源電壓範圍最大值相同，但兩者的意義不同。

例如，絕對最大額定電源電壓為36V的產品，在V_CC = 24V、V_EE = -12V時，端子間電位差為36V。不過，此條件下是否能依規格工作，仍需另行以工作電源電壓範圍與電氣特性條件確認。

資料表中應確認的輸入相關額定項目

將輸入特性反映到設計時，不應只依一個額定值判斷，而應合併確認電源、輸入端子與超出額定輸入時的輸入電流等項目。數值會因產品不同而改變，最終判斷應以目標產品的資料表為準。

絕對最大額定是為了避免破壞或劣化的限界值。實際電路是否能依規格工作，需依工作條件與電氣特性中記載的條件確認。

差動輸入電壓

差動輸入電壓是加在+輸入端子與-輸入端子之間的電壓差。在一般負回授工作下，輸入端子間的電壓差會很小，但在啟動時或異常輸入時，可能會加上較大的差。確認是否超過額定非常重要。

差動輸入電壓是什麼？

差動輸入電壓是+輸入端子與-輸入端子的電壓差。其定義可用下式表示。

\(V_{ID}=V_{IN+}-V_{IN-}\)

V_IN+為非反相輸入端子電壓，V_IN-為反相輸入端子電壓。

確認差動輸入電壓額定時，多數情況下會確認端子間電壓的絕對值是否超過規格值。

\(|V_{ID} |≤差動輸入電壓的絕對最大額定\)

產品之間的規格表記可能不同，因此應依資料表記載確認。

輸入端子電位條件與超出額定輸入時的輸入電流

輸入端子的安全額定不能只用端子間電位差判斷。首先確認+輸入端子與-輸入端子的差是否位於差動輸入電壓額定內。接著，需要分別確認各輸入端子的電位，是否位於以V_CC端子與V_EE端子為基準的共模輸入電壓允許範圍內。若偏離這些條件，電流可能會流經輸入保護元件、輸入端子間箝位，或流向電源端子側。

也就是說，差動輸入電壓確認的是輸入端子彼此之間的關係；共模輸入電壓確認的是輸入端子與電源端子的關係；超出額定輸入時的輸入電流，則是在偏離這些條件時流經保護路徑的電流。即使+輸入端子與-輸入端子的電位差很小，只要兩個輸入端子都偏離了相對於電源端子的允許範圍，就不能說安全額定已被滿足。

設計時應組合訊號源輸出範圍、電源電壓、啟動與停止狀態，在最壞條件下確認各輸入端子的電位與端子間電壓。這能降低差動輸入電壓、共模輸入電壓與流入保護元件電流的遺漏風險。

ESD保護元件與差動輸入電壓限制的決定方式

IC內部會內建靜電破壞保護元件。輸入端子的保護元件可能只連接到V_EE側，也可能同時連接到V_CC側與V_EE側。若V_CC側也有保護元件，輸入端子的電位也會受到V_CC側條件限制。

輸入端子間有箝位二極體時

有些產品會在輸入端子之間配置箝位二極體。當+輸入端子與-輸入端子之間加上較大的電壓差時，二極體會導通並抑制端子間電壓差。因此，差動輸入電壓額定可能被限制在數V程度，或接近二極體順向電壓的值。具體數值與條件會因產品而異，請以目標產品的資料表確認。

不過，在箝位二極體導通的條件下，不只要確認端子間電壓值，也要確認+輸入端子與-輸入端子之間流動的箝位電流。若資料表中以輸入電流、箝位電流、注入電流，或以註記方式給出電流上限，應搭配訊號源阻抗與串聯電阻進行檢討，使電流不超過該值。即使電壓看似在額定範圍內，也應避免箝位路徑電流超過允許值的條件。

共模輸入電壓

共模輸入電壓是確認輸入端子的電位相對於電源端子位於哪個範圍內的項目。差動輸入電壓看的是端子間的差，而共模輸入電壓看的是輸入端子與電源電壓之間的關係。這應與正常工作範圍分開閱讀。

共模輸入電壓是什麼？

共模輸入電壓是以電源端子為基準觀察+輸入端子與-輸入端子的輸入端子電位。當以兩個輸入端子的平均電壓表示時，可寫成下式。

\(V_{ICM}=\displaystyle\frac{V_{IN+}+V_{IN-}}{2}\)

V_ICM為共模輸入電壓。若存在差動訊號，嚴格的判斷方式會依電路條件而異。

即使以平均電壓V_ICM確認，也要同時確認+輸入端子與-輸入端子各自是否位於允許電位範圍內。當差動訊號疊加時，V_ICM即使在範圍內，也可能只有其中一側輸入端子接近上限或下限。

資料表中，共模輸入電壓可能分別出現在絕對最大額定欄位，以及電氣特性或建議工作條件欄位。閱讀時要區分：前者是避免破壞或劣化的限界確認，後者是正常工作或特性保證的確認。

共模輸入電壓與共模輸入電壓範圍的差異

絕對最大額定中的共模輸入電壓，與電氣特性中記載的共模輸入電壓範圍，目的不同。前者是避免破壞或劣化的限界，後者是確認正常工作的範圍。

以V_EE-0.3V、V_CC+0.3V表示的共模輸入電壓限制

在絕對最大額定的共模輸入電壓中，輸入端子可施加的限界有時會以V_EE – 0.3 V至V_CC + 0.3 V的形式表示。這是表示輸入端子電位相對於電源端子的允許限界。

這個數值是代表性的餘量表示，不是保護元件固定導通閾值。當輸入端子電位超出此範圍時，電流可能流經輸入保護元件或寄生元件，進而造成劣化或破壞。

實際上限、下限、允許輸入電流與保護電路構成會因產品不同而改變。設計時也應同時確認電氣特性中記載的共模輸入電壓範圍與注入電流條件。

保護元件有無造成的可輸入範圍差異

若產品在V_CC側沒有保護元件，共模輸入電壓可能不會直接受V_CC電壓限制，而是由其他耐壓條件決定。因此，共模輸入電壓會依輸入端子的保護電路構成、寄生元件與輸入電晶體耐壓等因素而改變。請務必以目標產品的資料表確認。

超出額定輸入時的輸入電流與保護電路

本章所說的輸入電流，不是正常工作時流入輸入級的輸入偏置電流，而是輸入端子上加上超出額定的電壓時，透過保護元件或箝位路徑流動的電流。若此電流變大，可能造成保護元件、輸入級或周邊電路劣化、破壞。因此，若設計中需要考慮超出額定的輸入，應確認資料表中的允許輸入電流、電流路徑，以及使用外接二極體或串聯電阻限制電流的方法。

超出額定輸入時的輸入電流是什麼？

超出額定輸入時的輸入電流，是當輸入端子電壓偏離差動輸入電壓或共模輸入電壓允許範圍時，流入輸入端子或從輸入端子流出的電流。這與正常工作時的輸入偏置電流，在發生條件與確認目的上都不同。資料表可能依產品以輸入電流、箝位電流、注入電流等不同名稱表示，因此不能只看項目名稱，也要確認測量條件、註記與電流方向。

確認輸入電流時，也應確認電流是在何種條件下流入輸入端子，或從輸入端子流出。依產品不同，輸入電壓極性、電源是否投入、保護結構都可能改變電流方向與大小，因此設計保護電阻時應優先依目標產品的註記與允許輸入電流判斷。

輸入端子施加超出額定電壓時的電流路徑

當輸入端子電壓低於V_EE – 0.3 V，或高於V_CC + 0.3 V等超出允許範圍的條件下，電流可能透過輸入保護元件流向電源端子側或輸入端子間。電流變大時，可能導致保護元件或輸入級劣化、破壞。0.3 V這個值與電流路徑會依產品的保護結構而改變，因此需確認目標產品的絕對最大額定、註記與輸入電流限制條件。

電流路徑的方向會依輸入端子電壓往哪一側超出而改變。正側超出時，電流可能流向V_CC側；負側超出時，電流可能流向V_EE側或基準電位側。不過，保護元件構成會因產品而異，因此不應將電流路徑一般化，而應依資料表的端子條件與註記確認。

即使保護元件導通，也不表示電源線或周邊電路一定能安全承受該電流。若電源為OFF狀態，或電源線阻抗較高，輸入端子流入的電流可能使電源電壓被抬升。若需要考慮超出額定輸入，也要同時確認電流流向與回流路徑。

利用箝位二極體限制輸入電壓

在可能有超出額定電壓進入輸入端子的電路中，不應只依賴內建保護元件，也可考慮在輸入端子外側限制電壓。代表性方法是在輸入端子與電源線之間加上外接箝位二極體。過電壓時，若二極體先導通，電流會從輸入端子流向V_CC側或V_EE側，使輸入端子電壓被限制在V_CC + V_F附近或V_EE – V_F附近。

圖中的例子是在運算放大器輸入端子的外側加入箝位二極體，將正側過電壓導向V_CC側，將負側過電壓導向V_EE側。這不是表示所有產品共通的內部結構，而是外接保護電路的例子，用來避免過電壓時的電流全部由內建保護元件承受。

外接箝位二極體的優點，是在過電壓時額外提供一條外接元件側的電流逃逸路徑。另一方面，若箝位目標的電源線無法吸收電流，輸入端子流入的電流可能抬升電源電壓。二極體的順向電壓、允許電流與箝位電流回流路徑，都應與目標產品的資料表及周邊電路條件一起確認。

此外，在高阻抗輸入或微小訊號電路中，外接二極體的漏電流與電容可能影響輸入誤差、頻寬與響應速度。箝位二極體是用來抑制輸入端子電壓超出的元件，並不一定能單獨充分限制箝位時的電流。因此，通常需要如下一節所示搭配串聯電阻，將流入二極體或保護元件的電流限制在允許值以下。

利用電阻限制輸入電流並計算電阻值

若輸入端子可能加上超出額定的電壓，可在輸入端子前方加入串聯電阻，將流入保護元件的電流限制在資料表允許值以下。圖中的例子是在訊號源與運算放大器輸入端子之間配置串聯電阻，過電壓時由此電阻限制流向保護元件的電流。串聯電阻不是消除過電壓本身的元件，而是限制箝位後流動電流的元件。

計算電阻值時，首先考慮過電壓時加在串聯電阻上的電壓。在正側過電壓下，輸入端子電壓會被箝位在V_CC + V_F附近，因此想定最大輸入電壓扣除該箝位電壓後的差值，會加在串聯電阻上。選擇電阻值時，應使此電流不超過目標產品允許的輸入電流。

\(R_{IN}≥\displaystyle\frac{V_{IN\_MAX}-(V_{CC}+V_F)}{I_{IN\_MAX}}\)

VIN_MAX 為預期最大輸入電壓，VF 為保護元件的順向電壓，IIN_MAX 為允許輸入電流。若分子為0以下，表示在該條件下不會產生正側箝位電流，不應將其作為負電阻值處理。

在負側過電壓下，輸入端子電壓低於V_EE – V_F的部分由串聯電阻限制。此時應將輸入電壓向負側超出的幅度視為正的電壓差來處理，因此在代入式子前，需先確認輸入電壓是向正側還是向負側超出。

\(R_{IN}≥\displaystyle\frac{(V_{EE}-V_F)-V_{IN\_MIN}}{I_{IN\_MAX}}\)

VIN_MIN 為預期最小輸入電壓。若符號判斷錯誤，電阻值估算會大幅偏離，因此在代入式子前，應確認電流流動方向與箝位目標。

例如，考慮V_CC = 5V、V_F = 0.6V，且輸入端子可能加上最大12V的情況。這裡以例題條件將輸入電流限制在10mA以下。正側過電壓下，串聯電阻承受的電壓為12V – (5V + 0.6V) = 6.4V，因此所需電阻值為R_IN ≧ 6.4V / 0.01A = 640Ω。

10mA只是此計算例中設定的條件，不是所有運算放大器都可共通使用的允許值。實際設計時應優先採用目標產品資料表中記載的允許輸入電流，並以高於計算值的標準電阻值作為候選。同時也要確認電阻誤差、溫度、電阻允許功率、與輸入電容形成的時間常數，以及對訊號精度的影響。

串聯電阻越大，超出額定輸入時的輸入電流越容易降低。但在正常工作時，它也等同增加訊號源電阻，可能增加輸入偏置電流造成的誤差、熱雜訊，以及與輸入電容形成的時間常數。不要只以限制輸入電流為判斷依據，而應同時確認保護與訊號精度，並在滿足必要響應速度的範圍內決定電阻值。

總結

確認運算放大器的輸入特性時，重要的是分開看待與輸入精度相關的項目，以及為避免破壞與劣化而需要遵守的額定項目。輸入失調電壓會影響輸出誤差，輸入偏置電流會與訊號源電阻組合成為誤差因素。另一方面，電源電壓、差動輸入電壓、共模輸入電壓與超出額定輸入時的輸入電流，都需要確認不會超過絕對最大額定或偏離工作條件。最終設計時，請確認目標產品資料表中記載的絕對最大額定、工作條件與電氣特性。

也可一併確認運算放大器的基本動作、放大與回授，以及運算放大器產品列表。實際URL應在公開前確認，並作為本文中的相關連結設定。