自然界的所有物质几乎都是由模拟量所构成，虽然许多电子设备基于低价、多功能、小型化等市场需求逐渐被数字化电路取代，然而电子机器与自然界的界面，亦即信号的输出入以及电源部份仍需仰赖模拟电路。由于模拟电路涉及范围非常广泛，而且设计模拟电路必需充分理解电路的动作特性，并适时掌握电气上的含意进而诱导计算公式，精密计算电路上的各项定数，加上篇幅限制无法逐一详细介绍，因此本文将辅以实验与试作，探讨有关类比电路的设计技巧。
事实上所谓的电子电路是1906年三极管(audion)出现后才正式展开，综观所有的电子电路可说是增幅技术的缩影。例如数字电路IC内的增幅电路是以complimentary source接地增幅电路为基本单位，亦即数字电路的IC内增幅电路的增幅度是被设计成能判读0与1 ，再将该增幅电路组合构成AND、OR等基本理论电路。而数位IC则是整合该基本理论电路，进行复杂的理论演算。对数字电路而言祇要增幅度可判读0与1即可，相形之下模拟电路则要求高精度的增幅度，由于类比电路的变数(parameter)非常的多，因此必需使用高精度的电阻、电容等电子元件。
Transistor电路的困难点
直流与交流动作必需分开考虑
图1是典型的模拟电路，外观看似简易的Transistor交流增幅电路，然而实际上为了解该电路的动作特性，因此必需将决定动作点视为直流动作，该动作点又称为直流偏压(bias)。如图所示由于collector信号中点(平均值)的直流电流，与无信号时的coll ector电压相等，所以决定动作点时必需利用图2所示的直流动作电路作检证。接着为了获得最大交流输出电压所以设定成直流电位，此时基于验证交流的增幅动作等需求，必需使用图3所示的等价电路。由此可知利用Transistor作增幅的电路，设计上比预期还要繁琐复杂。
变数多且分佈不均
图4是2SC1815电晶体(Transistor)型录上刊载的 变数(parameter)特性，由图可知即使温度维持 ，然而测试数据却出现很大的分佈变动，也就是说设计电晶体电路除了变数很多之外分佈也非常不均匀，使得进行设计计算时经常发生不知如何选择的困扰，尤其是使用上述的 变数(parameter)特性表，会使计算更加繁琐复杂，对无经验的初学者而言，若无经验者的引领事实上无法进行电晶体电路的设计。
必需掌握电晶体电路的动作特性
理想的电子元件
图5中的三角形符号表示OP增幅器，左侧有两个输入端子，右侧是输出端子。左侧两个输入端其中一个是「＋」代表非反转输入，另一个是「－」代表反转输入。OP增幅器的基本变数共有三个分别如下，这些特性又称为理想OP增幅器。
(1)电压Gain
对理想OP增幅器而言电压Gain应该是无限大。电压Gain是用两个输入端子之间的电压将输出电压分割的结果。
(2)输出阻抗(impedance)
对理想OP增幅器而言输入阻抗应该是无限小，而且不论负载大小输出电压恆时维持一定。
(3)输入阻抗
对理想OP增幅器而言输入阻抗应该是无限大，而且电流不会流入上述的两个输入端子。
虽然实际上OP增幅器不可能具备如此特性，不过追求极限的设计除外，几乎大部份的OP增幅器都是以理想OP增幅器作为设计目标，这也是设计OP增幅器与设计电晶体电路最大差异点，亦即探索类比电路通常会从较易入门的OP增幅器开始学习的主要理由。
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阻抗比决定Gain
图6是OP增幅器常用的两种基本增幅电路，两电路都是从OP增幅器输出，再使输出信号折反至－记号的反转输入端子，这种方式称为负归返技术。由于负归返技术使得OP增幅器完成的Gain可由阻抗比决定。图中上方的增幅电路的输入信号与输出信号的位相相差1800，所以该增幅电路被称为反转增幅器；图中下方的增幅电路的输入信号与输出信号的位相相同，所以该增幅电路被称为非反转增幅器。上述两增幅器的增幅率大约是输出信号为输入信号的10倍左右。照片1是制作图6增幅电路时的输出入波形特性，由照片显示相对于输入电压Vin，输出电压V01与V02大10倍左右，而且V01 的波形对Vin 作反转，V02 的波形则与Vin 波形的位相相同。
不需区隔直流动作与交流动作
具有两个增幅器的NJM2904是实验时常用的OP增幅器，该增幅器中的反转增幅器与非反转增幅器共同使用一个IC。如果将IC改成电晶体方式，为了制作非反转增幅器，必需使用两个电晶体，而且还需考虑复杂的直流动作点。由于OP增幅电路的动作点成为Ground电位，所以不需考虑类似电晶体电路的直流动作，祇需作概括性直流与交流动作即可，因此成本上IC type的电路比电晶体type的电路电路低。
重要计算单位
dB值
字所谓dB值其实是电话发明者贝尔为了表示通信线路损失所取的度量单位，一般称为deci Bel。Gain与dB值G(dB)之间具有下列关系:
G=20log|A|-----------------------------------------------(1)
虽然d(deci)为1/10，但这并不代表10dB为1B。如果欲将增幅率(倍率)转换成对数(dB)，并非单纯的位数压缩而已，因为Gain可以用乘法作加算，除算则可用减法计算。由于逐项将增幅率(倍率)转换成对数(dB)的计算相当繁琐复杂，所以一般设计人员都是采取熟背表1的换算数据的方式，需要精密的dB值时才利用上述式(1)计算。dB值后面往往会添加其它数字，例如dBm，dBV，dBμ等等，它是表示测试值的level。由于测试值的level随着测试设备而改变，所以必需详阅测试设备的使用说明书内记载的SI单位换算方法。
表1 倍率與dB值的換算表
dB/oct.
dB/oct.是频率特性的单位，oct.(octave)原来是2倍的意思，例如所谓的-6dB/oct是表示频率变成2倍时，等化会各衰减6dB亦即1/2。除此之外oct.经常被用来表示dec(de cade)，所谓的dec原意是指10的意思，例如-6dB/oct如果以dec表示时，按照表1就变成-20dB/ dec。
OP增幅器的特性参数
类比电路的说明资料表(data sheet)中包含许多专业用语，对初学者而言则需逐一谙记。此处列举下列三种OP增幅器作专业用语的说明。
1.Audio用2回路OP增幅器NJM4580。
2.2回路JFET输入OP增幅器NJM072B。
2回路单电源动作OP增幅器NJM2904。
上述三种OP增幅器具有低成本可长时间使用等特性所以很适合实验用。由于OP增幅器与Transistor不同，因此要求精度不高的场合可将OP增幅器视为理想特性，亦即可将实际上的OP增幅器视为理想增幅器。
绝对最大定格值
如图7所示IC的说明资料表(data sheet)一般会使用绝对最大定格值表示该IC的主要规格(spec)。所谓的「绝对最大定格值」是指该IC未超过该值动作，或是IC未受到破坏时的参数(parameter)最大范围，换句话说使用上必需避免IC的动作范围超过绝对最大定格值。表2是上述三种OP增幅器的绝对最大定格值比较。
实际动作值
假设IC得动作范围超过同相输入电压的绝对最大定格值并受到破坏，根据以往经验显示几乎所有的OP增幅器的动作温度范围一般都超过 以上，相对于规格值(spec)，电源电压最大值的裕度会因OP增幅器的种类、结构出现极大的差异。尤其是差动与同相输入电压的范围几乎无裕度可言，如果刻意降低消耗电力反而会造成特性的变动变大，所以一般设计上不会使用规格极限值，而是採用比绝对最大定格值低数十%作为设计值，或是採用所谓的delaying内侧条件，此时若能配合适度的安全裕度，就可获得极佳的delaying rate。
充分掌握规格的微妙差异
上述表2列举的数据中尤需注意的是NJM2904同相输入电压的与其它OP增幅器的差异。由于NJM2904同相输入电压的绝对最大定格值并非取决于电源电压而是固定的32V，一般使用上会认为该值不具特别意义，不过当电路中混载数种电源电压时，3 2V的电压具有可使输入保护电路单纯化的效应。此外表2列举的Gain是以等化方式描述，不过在说明文中却是代表一般的Gain。
表示动作时的性能「电气特性」
图8是描述绝对最大定格值的电气特性；表3是上述三种OP增幅器的电位特性比较
註1:负载阻抗为2Kω时；註2: 负载阻抗为开放时；註2:--符号表示data sheet未记载。VIO，IIB，IIO，IIC越小越好，Vcm，CMR，SVR 越大越好，因此即使未记载最小值与最大值，由于设计上通常採取最恶值，所以不需逐项记述，而且一般会忽略Rin。若未记载SR 值会造成设计上的不便。此外Av与GB值若过大时。不易维持负归返稳定度，所以通常都会列示记载。
表3 三种OP增幅器的电位特性比较(TA=250C负载阻抗2Kω)
输入offset电压VIO
若将两个输入端子与ground连接时，如果是理想OP增幅器理论上输出会变成0，然而实际OP增幅器却不会变成0，此时若将直流输出电压用Gain分割，等价性输入电压称为输入offset电压，该输入offset电压约有数mV左右，输入offset电压值越低越好。相对的输入offset电压值越大，完成的Gain越受到限制。例如制作Gain 100倍的增幅器，假设OP增幅器的输入offset电压VIO为1V时，增幅器的输出电压就变成100V，由于后出的最大输出电压VOM变成饱和波形，所以输出信号无法作正确的增幅。输入offset电压VIO是施加负归返使Gain变成1000时所测得的结果，如果换成无归返方式，由于输出电压已经饱和所以无法作正确的量测。直流增幅器经常发生的问题是即使利用外部附加电路将输入offset电压调成0，然而该电压却会随着周围温度发生变化，这种现象称为输入offset电压温度系数(drift)，输入offset电压温度系数大约是数μ～数十V/0C左右。
输入偏压(bias)电流IIB
所谓的输入偏压电流是指流入两个输入端子或是流出的直流电流平均值而言，输入偏压电流越小越好。相对的输入偏压电流越大时，在输入端子的连接阻抗值会受到限制，例如IIB=1A 的OP增幅器，输入端子连接10Ω的电阻，非动作时会产生10V的电压，造成无法作正确的增幅。输入偏压电流IIB 的大小、流向与温度变化，可由data sheet列示的内部等价电路(图9)加以预测。NJM2904与NJM4580 OP增幅器的输入偏压电流IIB本身是输入端PNP双极(bipolar)transistor的base电流，也就是说它是从输入端子流出的电流，虽然该电流有分佈不均问题，不过却无温度变化的困扰。相较之下NIM072B OP增幅器的输入偏压电流IIB是属于输入端P channel JEET gate的漏电电流，所以输入偏压电流会流入输入端子，虽然它的输入偏压电流较低，不过JEET的特性会因温度每升高100C就会增加2倍。
输入offset电流IIO
所谓的输入offset电流IIO是指两个输入端子的输入偏压(bias)电流差的绝对值，亦即温度drift。输入offset电流值在双极(bipolar)输入的OP增幅器，大约是数十p～数百PA/0C左右，理论上输入offset电流值越小越好。
输入阻抗Rin
所谓的输入阻抗Rin是指两个输入端子之间的差动输入阻抗，虽然输入阻抗值越大越好，不过若与输入offset电压VIO与输入偏压(bias)电流IIB比较时，输入阻抗对OP增幅器的影响比较小，实际运上甚至可以忽略输入阻抗的影响。输入阻抗Rin 是由微小信号定义，值得注意的是输入阻抗并非输入offset电压VIO与输入偏压电流IIB的比(VIO/IIB)，例如VIO=1V，IIB=1A， 的OP增幅器，输入阻抗Rin并不是1Ω，往往会变成100MΩ。输入端子与ground之间的同相输入阻抗，大约是输入阻抗Rin 的10～100倍左右，所以可将它忽略。
电压等化Av
电压等化又称为差动电压等化。OP增幅器是利用等化Av 将反转输入端子与反转输入端子之间的电压增幅输出，电压等化Av在理想OP增幅器为无限大。由表3可知实际上OP增幅器的电压等化Av具有数百dB(10万倍)，如图10所示电压等化Av局限在直流10Hz左右超低频范围，随着频率增高电压等化Av会以-6dB/oct.的比率减少。由于电压等化会影响Gain的稳定度，所以电压等化值越大越好，不过对大型OP增幅器而言，却会使电压等化值一定的频率范围变得更狭窄。
图10 电压等化与位相的频率特性
最大输出电压VOM
如图11所示实际上OP增幅器的输出信号随着振幅的增加，会在正负电源电压附近饱和，而且同时开始出现歪斜。由表3列示的电源电压±15V的规格与最大输出电压±13.5V的规格可知，一般OP增幅器的饱和电压约为1.5V左右。
最大输出电压VON会随着电源电压与负载阻抗变化，如图12所示最大输出电压VON的频率特性与through rate有关。饱和前的电压称为最大输出电压，此外负的饱和前电压至正的饱和前电压之间的范围称为trimming range，在该范围内可勉强输出正与负的电源电压，同时OP增幅器会显示理想特性，一般称它为rail to rail OP增幅器。
同相输入电压范围VICM
所谓的同相输入电压范围VICM是指两个输入端子与ground之间，可施加的同相电压范围。虽然施加的同相电压超过该范围时，并不会造成元件损坏等问题，不过却会使OP增幅器的功能停止。祇要差动输入电压作为增幅器时的动作正常基本上是0伏特。同相输入电压范围VICM与正负电源电压相同属于理想状态，实际上rail to rail OP增幅器非常接近上述理想特性。
同相信号消除比CMRR
在图8中有标示CMRR。两个输入端子与ground之间施加相同信号时，输出入之间的Gain称为同相信号等化Avc。同相信号消除比CMRR是由下式定义:
Av:差动电压等化。
由于OP增幅器是使反转输入与非反转输入的差分增幅的device，因此0倍的同相电压等化祇能说是理想状态事实上并非如此，因为CMRR越大Gain稳定度越佳，相对的CMRR越小Gain误差越大，同时还会使信号偏斜大幅增加。如表3所示CMRR属于DC电流的值，因此频率越高CMRR越小，也就是说对信号频率超过1KHz的非反转增幅器而言，尤需谨慎处理CMRR造成的误差。
电源电压消除比SVRR
在图8中有标示SVR。当正、负电源电压发生变动时，该变动成份会显示在OP增幅器的输出，SVRR是该输出变动成份转换成OP增幅器的输入所获得的结果。假设值电压发生ΔVs(V)变动，且等价输入换算电压为ΔVin(V)时，SVRR可用下式表示:
根据经验显示电源电压消除比SVRR越大越好，如果SVRR太低时输出端极易产生电源噪讯。由表3列示的数据可知，SVRR值随着DC时的频率增加有减缓的趋势，此外正与负电源时SVRR特性并不相同，也就是说正负之间的电源电压单方变动的影响比正负之间的电源电压的绝对值相同情况下变动大。为了缓和SVRR的影响，因此正负电源之间务必需设置pass control。
消费电流Icc
所谓的消费电流Icc是指在OP增幅器电源端子流动的电流，消费电流会随着附加于外部的电路与电源电压产生变动。表3列示的数据为无负载状态，相对的若是负载状态时，表3列示的消费电流便会增加。理论上消费电流越低越好，如果消费电流变大就会产生额外的热量，进而造成输出的直流drift增加，如图13所示相对于电源电压，消费电流Icc的变动除了NJM2904之外几乎都很微弱。
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through rate SR
当输入信号的变化变快时，OP增幅器的输出会跟不上，through rate SR是表示该追随性能的参数(parameter)。也就是说SR是单位时间(通常是指1μs)能变化的输出电压值，SR的单位是V/μs，理想OP增幅器的SR为无限大。虽然SR越大越好不过根据长年的经验显示，一般SR值较大的OP增幅器其它功能普遍偏弱。SR取决于OP增幅器内部电路结构。如图12所示SR值可决定最大输出电压振幅的频率特性。
等化频宽积GB
所谓的等化频宽积GB是表示OP增幅器电压等化频率特性的参数(parameter)。等化频宽积GB的单位是MHz。假设图10的电压等化倾斜在-6dB/oct.测得的电压等化为Af倍，等化频宽积GB就是该点的频率与电压等化Af两者相乘的结果。等化频宽积GB可用下式表示:
GB=Af×f
f:通常是10KHz。
可使等化变成1倍(0dB)的频率称为Unite Gain(fr)，fr具有下列关系:
GB≥fr
虽然GB值越大越好不过GB值较大的OP增幅器其它功能普遍偏弱。
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