由于OP增幅器的主要功能是維持dynamic range的穩定，因此接著要以反增幅電路與非反增幅電路兩個基本電路為例，同時透過實驗手法介紹有關供給OP增幅器最適切的電源供給方法、單電源的使用方法、電源line的處置，以及對低阻抗負載的處置方法等等。
信號增幅時OP增幅器的動作特性
兩輸入端子之間的電壓差恆時為0伏特
可對OP增幅器施加負歸返的基本增幅電路可分為輸入信號反轉，以逆相位輸出的「反轉增幅電路」(圖14)，以及輸入信號未反轉以同相位輸出的「非反轉增幅電路」 (圖15)兩種。如圖14與圖15所示，施加負歸返的OP增幅器輸入端子之間的電壓差恆時為0伏，該狀態稱為「virtual shoot」或是假想短路。
假設圖14的OP增幅器為理想性，由于Gain A為無限大，所以兩輸入端子之間的電壓差，依照下式計算結果為0伏特。
即使R1與R2的阻抗相同，不過反轉增幅電路的GainGI 與非反轉增幅電路的GainGN卻相異，主要原因是反轉增幅電路的輸入電壓被分壓成R2/(R1+R2)，再施加于增幅器所致，亦即GI與GN 的關系可用下式表示:
圖14 反轉增幅電路的增幅動作機制
圖15 非反轉增幅電路的增幅動作機制
virtual shoot的應用實例
設計人員若能巧妙利用virtual shoot的思考模式，即使是OP增幅器電路的Gain亦可輕易求得，以圖14、圖15為例，類似V1=0 或是V1=v1 的場合，都可以利用virtual shoot計算Gain。也就是說反轉增幅電路的輸出入之間的GainGI，可用virtual shoot的概念求得:
GI=-R2/R1
非反轉增幅電路的輸出入之間的GainGN，亦可用virtual shoot的概念求得:
GN=(R2/R1)+1
圖14與圖15的「槓桿」圖示為virtual shoot的基本概念，設計者若能熟諳virtual shoot的動作原理，就可輕易求得復雜電路的Gain。由于不論是何種增幅器基本上信號都是從輸出端反轉歸返至輸入端，因此對輸出電壓的比為R1/(R1+R2) ，該比率又稱為歸返率，一般是用β表示。值得注意的是反轉增幅電路的輸入信號被分壓成R2/(R1+R2)，再施加于OP增幅器的反轉輸入端子，由于上述分壓的影響，即使相同的歸返率β，反轉增幅電路的GainGI比非反轉增幅電路小一位數，進而造成「槓桿」的支點不是輸入電壓而是0伏特。
利用實驗觀察virtual shoot
圖16是-1 Gain的反轉增幅電路，利用該電路觀察施加負歸返時，OP增幅器的輸入端子是否維持virtual shoot狀態。圖中的R3(1KΩ)保護用電阻可有效防止示波器的探針(probe)影響OP增幅器的動作，主要原因Gain雖然為-1，不過它是信號施加于R1的值，相較于直接施加于反轉輸入端子的噪訊，則可作無限大(裸Gain倍)的增幅，所以必需設置保護用電阻，以防止示波器探針產生的噪訊直接流入電路內，值得注意的是如果未事先作其它安排或考量，原則上必需用精度為±0.5%的多功能數位電錶，挑選誤差值低于±1%的金屬膜電阻；容量介于1000～１μF時必需使用polyester film type的電容，容量低于1000～１μF時可選用陶瓷電容；容量超過1000～１μF時則需改用鋁質電解電容。
由照片2可知，施加歸返時v1=0 伏特，這意味著OP增幅器的輸入端子是以virtual shoot狀態作增幅動作。當R2呈開放狀未施加歸返時，由于保護二極體的作用，使得且未產生virtual shoot效應。
圖16 觀察virtual shoot的實驗電路
照片2 有無歸返與virtual shoot的波形特性(0.2ms/div)
輸入/輸出的dynamic range
如上所述所謂的dynamic range是指OP增幅器未飽和，正常動作時的輸出、入電壓范圍。一般而言dynamic range越大，電源電壓的有效利用率越高，例如處理同等級的信號時，就不需刻意提高電源電壓也獲得省能源效應。尤其是可攜式消費性電子產品要求低電壓低耗電量的場合，高效率的電源電壓始終是備受重視的焦點。在OP增幅器基礎講座上集中，曾經介紹rail to rail OP增幅器，所謂的rail事實上是指電源電壓而言，上述的rail to rail OP增幅器即使是正負電源電壓，亦可獲得輸出入dynamic range。尤其是OP增幅器ground電位，若是設于Vcc~VEE正負電源電壓的中點(亦即動作點)時，就可獲得極寬廣的dynamic range。有鑑于此設計人員通常會在不減損輸出dynamic range的前提下，使輸入dynamic range大于輸出dynamic range。
?有關資料表單列示的OP增幅器的dynamic range
接著要檢討有關資料表單(data sheet)記載的OP增幅器dynamic range的實用性。假設MJM2904的資料表單列示的規格如下:
?輸入電壓范圍:OV~Vcc-1.5V。
?輸出電壓范圍:OV~Vcc-1.5v 。
由于該IC可輸出、入0伏特的信號，這意味著該IC可作單電源動作。此外由于動作條件為＋5V，所以MJM072B與MJM4580的動作條件也是±15V。如果兩電源也設成以直流動作點(亦即 Vcc/2)作單電源動作，如此一來單電源也可作兩電源動作。值得注意的是雖然單電源用OP增幅器的符號中，標示有ground端子，然而實際上該端子卻是指 端子而不是ground端子。
利用實驗觀察OP增幅器的dynamic range
泛用型OP增幅器的dynamic range
如圖17所示利用兩個增幅電路檢測輸出、入dynamic range，OP增幅器為NJM4580。圖17(a)為反轉增幅電路，它的輸出入dynamic range則被分開各別量測；圖17(b)為非反轉增幅電路，Gain祇有一個，所以可以量測大信號輸入時的輸出入dynamic range。實驗時使用的OP增幅器的輸出與輸入dynamic range不同，如果輸出dynamic range比Gain大一位數，就可量測輸出振幅飽和時的狀態。圖18為輸入dynamic range，它可利用圖17(a)的反轉增幅電路，以獨立可變方式量測 與 。由于在反轉增幅電路中，輸入端子的電壓會變成ground電壓，所以反轉增幅電路正常動作范圍就成為輸入dynamic range，不過必需注意的是它是輸入不飽和out put大信號時的量測的結果，而且Vcc與VEE 之間的電壓為30V，量測時則不斷改變動作點。
圖17 OP增幅器的輸出入dynamic range檢測電路
圖18 檢測輸入dynamic range時的輸出入關系
照片3(a)是上述圖17電路的輸出入波形量測結果，量測時的動作點被設為VEE+5V，接著再輸入8VP-P三角波，V01則呈飽和狀態。當負端呈現飽和狀時如果再增加輸入振幅，V02 的極性會反轉同時輸出最大電壓。
照片3 OP增幅器的輸出入dynamic range測試結果(0.2ms/div)
單電源用OP增幅器可將信號輸入至VEE
由照片3(a)V02的波形可知，輸入信號的電位為VEE+1V 時，它的極性會反轉，雖然out put允許因過大輸入造成的飽和，不過大部份的情況卻不允許極性反轉。
照片3(b)的NJM072B與照片3(a)的NJM4580結果幾乎相同。
祇有照片3(c)NJM2904的輸入值超過VEE，且在VEE-0.5V 時發生極性反轉。照片3(c)的輸入信號level被設成1.2Vp-p，主要目的是防止IC內部的寄生二極體導通。此外V01的波形是在dynamic range正常范圍內，這意味著NJM2904的輸入dynamic range已經延伸至VEE。
照片3(d)使用NJM072B，而且將ground電位設成VEE+30V=Vcc。V01在輸出dynamic range范圍內呈現正常波形，事實上這也是意味著NJM072B 的輸入dynamic range已經延伸至Vcc。
根據以上的檢討結果可知，雖然兩單電源用OP增幅器的輸入信號到達VEE之前輸出會反轉。不過對單電源用OP增幅器而言，即使到達VEE仍能維持正常動作。需注意的是即使是單電源用OP增幅器，如果超越VEE0.5V亦即VEE-0.5V 時，輸出的極性就會反轉。依照資料表單(data sheet)記載顯示，NJM2904的輸出電壓范圍為VEE~Vcc-0.5V，乍看之下似乎與上述實驗結果不同，不過實際上資料表單記載的數據，是與輸出端子作VEE負載連接的結果，而上述實驗則是將負載與電源的中點連接。
OP增幅器的dynamic range取決于輸出
圖19是圖17(a)電路NJM4580、NJM072B、NJM2904輸出、入dynamic range量測結果。由圖可知泛用型OP增幅器dynamic range的輸入比輸出更寬廣，Gain 1非反轉增幅電路(voltage follower)的輸出入dynamic range，是由輸出dynamic range決定。此外若將ground電位設于VEE~Vcc 的中點時，就可獲得寬廣的dynamic range。輸入的dynamic range若比輸出dynamic range更寬廣時，就可積極的作各種應用。假設輸入dynamic range為Vcc(15V)，輸出dynamic range為Vcc-2V(13V) ，此時若欲使輸入信號接近Vcc振幅，同時無偏異的將該值輸出時，必需依照圖20所示進行2V的level shift。
圖19 泛用型OP增幅器的輸出入dynamic range量測結果
圖20輸入dynamic range的應用
動作點設于正、負電源的中點
接著要探討利用單電源驅動雙電源OP增幅器與單電源OP增幅器的方法。首先將OP增幅器的V+端子連接至Vcc(12V) ，V- 端子連接至ground 。如上所述雙電源的場合必需刻意設定成其它電位，而動作點則分別被設于正電源(+15V) 與負電源(-15V)的中點亦即ground 上，相較之下單電源的場合就需自行設定動作點。如圖21所示Gain 10的OP增幅器的動作點被設成6V，Vcc(12V)被兩個10kΩ(R7,R8)電阻分壓，由于祇供給非反轉端子，所以輸出呈無信號狀態6V電位，輸出信號則以6V為中心作振盪。整體而言OP增幅器的動作點設定比Transistor簡單，而且施加于非反轉輸入端子的電流則被設成直流電壓。至于動作點設成正/負電源的中點亦即6V，主要原因是如此一來dynamic range可變得更加寬廣。C5是為了將動作點移至0V，特別追加設置的電容(condenser)，簡稱為coupling condenser，由于電容無法導通直流電，因此C5的輸入端的動作點為6V，輸出端就變成0V。如圖21所示兩個增幅電路輸入振幅為1.2Vp-p的三角波，藉此方式觀察輸出信號，其結果如照片4所示。此處使用的OP增幅器為兩電源用的NJM4580，輸出dynamic range恆時維持+2V～+11V。對NJM4580而言若將動作點設為6.5V時，反而比較容易整合dynamic range。相較之下其它OP增幅器，例如NJM072B的動作點最好設成6.6V，NJM2904的動作點則為5.6V。
如果是單電源驅動OP增幅器的場合，祇需將動作點設成VCC/2，就可獲得最佳dynamic range，不過需注意的是OP增幅器內部的動作點，具備外部性ground與直流性電位差，所以必在需OP增幅器的輸出、入部位設置直流cut用電容。電源為+12V單電源，輸入為0～+10.5V，輸出為0～+10.5V的場合，NJM2904就不需追加設置coupling condenser。
圖21 單電源動作的OP增幅器的增幅電路
照片4 單電源動作的NJM2904的輸入信號(0.2ms/div)
OP增幅器的電源
兩電源驅動時的電源投入順序
利用雙電源驅動OP增幅器時，正電源與負電源何者先投入往往困擾電路設計者。如圖22所示利用雙電源OP增幅器NJM4580構成voltage follower，接著任意投入Vcc(+15V) 與VEE(-15V)，藉此觀察電源電流的變化，表4是測試結果，由測試結果可獲得以下結論:
(a).若先投入正電源，從正電源產生的電流會流入OP增幅器內。
(b).若先投入負電源，負電源的電流幾乎等于0。
雖然依照實驗結果得知最好是先將VEE(-15V) 投入OP增幅器，然而事實上電流本身容量很小，所以正、負電源何者投入并不會造成動作上的障礙。不過對某些特殊情況卻不適用，例如NJM5532 Audio用OP增幅器，根據data book的記載，必需先投入VEE(+15V) 。一般而言設計上往往會使用多種類的OP增幅器，因此正、負電源通常是同時投入再加以遮斷即可。
圖22利用電源投入順序的差異，觀察電源電流變化的電路
型號 電源電流(mA)先投入
Vcc(+15V) 先投入
VEE(-15V) 動作中NJM4580 3.5 0 ±5.91NJM072B 1.14 0 ±3.42NJM2904 1.68 0 ±0.86
大部分的電路都未在電源與接地(ground)之間設置pass control，不過為了避免噪訊與振幅等困擾，最好設置pass control，尤其是OP增幅器的電源部位，設置pass control已經成為廠商極力推薦的項目。例如利用圖23所示的兩種增幅電路進行無pass control實驗，為了模擬電線配線的電感(inductance)，所以在電線line插入4.7μF的電感(inductor)，OP增幅器則為NJM4580。照片5是圖23的輸出波形，照片中的輝線變的非常粗，表示電路已經變成振幅狀態，接著更換OP增幅器進行振幅level與頻率測試，測試結果如表5所示。根據測試結果顯示類似NJM4580的OP增幅器對電源的電感(inductance)非常敏感，而且極易產生振幅，相較之下NJM072B的OP增幅器較不易產生振幅，而且振幅波形呈大小分佈。照片5(b)是連接0.1μF pass control時的輸出波形，由照片顯示振幅幾乎完全消失，由此可知pass control有無對電源電路具有重大影響。一般認為具備一個IC的雙電源必需設置0.1μF的pass control，IC數量每兩個則需插入100μF左右的電解電容。
圖23 測試pass control的電路
照片5 有無pass control的波形比較(0.2ms/div)
大輸出電流時，如何維持輸出dynamic range
負載電流變大，輸出dynamic range減緩
圖24是OP增幅器的負載特性，由圖可知NJM4580與NJM2904為RL≥1K?時，最大輸出電壓若維持不變，輸出電壓的振幅就不會變大。若是RL≤1K? 時，負載阻抗越小輸出電壓越低，輸出dynamic range就呈現減緩趨勢，一般認為該特性主要是OP增幅器輸出段的Transistor電流供給能力已達極限所造成。此外NJMO72B為RL≤1K?時，負載阻抗越小輸出電壓就越低。由于NJMO72B的最大輸出電流比上述兩種OP增幅器更低，所以若將NJMO72B與阻抗值較低的負載阻抗連接，輸出dynamic range則呈現大幅減緩。
圖24 泛用OP增幅器的最大輸出電壓與負載阻抗的關系
增設Buffer
為了防止負載阻抗低于2kΩ時，輸出dynamic range會有降低的現象，所以必需依照圖24所示方法，在OP增幅器的輸出端追加設置Transistor，主要目的是希望藉由Transistor的emitter電流為base電流的1/hEE倍特性，使OP增幅器的輸出電流變成需負載電流的1/hEE倍。照片6下方的波形是圖25(a)追加Tr1(J1)以及Tr2(J2)后的輸出信號。照片上方的波形vo2是圖25(b)的輸出波形，它的負載阻抗為100Ω。根據量測結果顯示追加設置NPN型Transistor可有效改善正極端的輸出dynamic range；追加設置PNP型Transistor則可有效改善負極端的輸出dynamic range；如果同時追加設置PNP型與NPN型Transistor，則可大幅改善兩極性的輸出dynamic range。或許直覺上會認為「緩沖器(Buffer)祇適合補償式(Complimentary)電路使用」，不過輸出端以及正或是負的電源之間存有負載，因此不在上述限制范疇內，甚至必需重新檢討利用一個電晶體(Transistor)作緩沖電路的必需性。此外由保護二極體直接驅動100Ω時的波形可知，NJM4580即使施加100Ω的負載，仍可作+5～-6V左右的驅動。圖25(b)的base與emitter之間的二極體(D1，D2)刻意被設定成不會超越VBE的5V最大定格值，由于VBE的耐壓非常低，因此一旦超越VBE，噪訊會大幅增加，hFE則降低，甚至會造成無法恢復原來特性的后果。
照片6 追加設置Buffer，可使輸出dynamic rang擴大(0.2ms/div)
圖25 追加設置Buffer的OP增幅器電路
追加設置偏壓(bias)電路
交流信號增幅時，必需依照圖25(b)所示，在電晶體(Transistor)的base與emitter之間，追加順向電壓VF與VBE幾乎相同的元件，例如二極體等元件，藉此使base與emitter之間能增添 成份(約0.6V)的電壓，因此上述方法又稱為「偏壓(bias)」。照片7是圖25兩電路的輸出信號波形，由圖可知未作偏壓電路的圖25(a)(j1與j2都呈ON狀態)的v01，在0V附近出現偏斜，該偏斜現象又稱為「cross over偏斜」。如果對base施加偏壓(bias)，由于電源與base之間的電阻R8，R9會提供電晶體(Transistor)base電流，因此若與利用OP增幅器的輸出直接驅動base的情況比較時，最大振幅大約會降低1V左右。
由于VBE會隨著電晶體(Transistor)的溫升而變小，因此祇要bias電壓未變，則collector電流就會增加，進而造成電晶體的溫度上升，當VBE變小時collector電流反而增大，這種現象稱為「熱竄」。為了降低電流的自我增加，因此在與emitter成直交處插入電阻R10， R11。相形之下與base成直交處插入的電阻R7，主要目的是防止emitter follower的寄生振幅，如果省略未設置電阻R7，就會引發超高頻的寄生振幅，進而造成電晶體過熱、動作點漂移等異常現象，而且上述振幅波形必需使用寬頻示波器才能觀測。
照片7 發生cross over偏斜(0.1ms/div)
其它注意事項
未使用OP增幅器的端子的處置
OP增幅器IC內部經常會有端子未使用到OP增幅器，如果未加以處理這些閑置端子，極易造成OP增幅器動作不穩定，尤其是類似NJM5532 data book指明需裝設電阻的場合，或是Gain 10倍以上亦能穩定動作的μPC4556，就必需依照圖26(a)所示外置電阻，同時將Gain設成10倍以上。
圖26 閑置端子的處置方法
與外部設備連接時的處置
設有OP增幅器的電路與外部設備連接時，高壓脈沖、噪訊會經由纜線(cable)流入電路，如果噪訊超過OP增幅器的絕對最大定格時，內部的寄生二極體會被導通，進而造成OP增幅器遭到破壞，此時必需依照圖27所示追加設置二極體(diode)。有關二極體的選用基于順向電壓壓降等考量，較小的shoot key barrier diode比寄生二極體(約0.7V)更適合，不過實際上漏電流與寄生容量過大，反而會造成不易使用的困擾，因此一般都是利用switching diode作保護。
圖27 輸出、入的保護電路
cross talk
所謂的cross talk是指OP增幅器IC內部的一個OP增幅器信號，洩漏至其它OP增幅的out put而言。照片8是圖23的電路，10kHz的正弦波祇輸入至IC1b時，觀察輸入至IC1b的信號洩漏的結果。若與照片5(b)比較可知頻率若從1kHz變成10kHz時，cross talk會隨著增加，也就是說cross talk會因輸入信號頻率變高而增加，為了避免該現象所以盡量不要使用同一IC內的OP增幅器。
照片8 發生cross talk(20ms/div, f=10KHz)