6 個獨特運算放大器電路
電子電路從離散分離電路發展到單晶片上的高度積體電路 (IC)，實現了節省空間與成本的高度進階類比與數位系統。這款運算放大器 (Op Amp)積體電路在類比設計中能發揮重要作用。現今的運算放大器不僅是運算放大器，還整合多個函數，使類比設計變得更容易。然而，它們並非是所有問題的解決方案。運算放大器和離散分離元件各有利弊。
離散分離電路
放大器是多數類比電路的構建模組，可以增強任何訊號的電壓、功耗或電流；電晶體是離散分離電路的重要元件，一些電晶體組合以及像是電阻和電容器的主動和被動元件，可用於製作類比邏輯函數。這種類比邏輯函數用於擷取由數學函數組成的預期輸出。 這些是由音訊放大器、邏輯電路、比較器、運算放大器和輸入開關等設計的應用程式所衍生，且這些電路管理高功率輸入並提供大功率輸出，透過變更元件及其數值來實現電路參數，有助於它們在溫度波動期間保持穩定。
組裝和連接所有單個的離散分離元件需要更長時間和更大空間。在現有電路中，替換一個故障元件可能會很繁瑣。由於採用焊接製程連接元件，導致離散分離電阻可靠性降低、增益精度降低、共模抑制 (CMR)，偏移漂移和增益漂移。除這些因素外，電阻還受到高溫係數和低精度的限制；這些因素都會導致嚴重的電路故障。為了解決與離散分離電路相關的問題，運算放大器被開發出來解決空間、可靠度和精度的問題。
運算放大器（積體電路）
運算放大器只是一種作為電壓放大器操作的直流耦合積體電路。運算放大器的差動輸出提供兩個相反極的輸入和一個高增益單路輸出。使用多個電晶體和被動元件構建的典型放大器函數現在被透過端子特性和少數連結外部元件描述的單一 IC 所取代；運算放大器依據個別針脚的連接方式廣泛應用。合成的電路可能是比較器、差分放大器、峰值檢測器、反相放大器、非反相放大器和類比至數位轉換器。
積體電路運算放大器的規格尺寸小巧。這要歸功於單一晶片上的多個複雜電路簡化了設計，性能得到提升，較少的連接提供了絕佳可靠度，IC 的消耗功率極其微小，而缺少電容效應提高了操作速度。
運算放大器無法解決所有應用程式的問題。由於散熱和尺寸限制，任何一種 IC 運算放大器都不可能含有 A 類音訊放大器所用的高品質音訊電晶體。整合在運算放大器中的元件鄰近度限制了音訊訊號，其中微弱訊號將被 EMI 雜訊所吸收。當然，高端音訊放大器的空間或成本限制較少，因此，配備線性電源供應器和自訂變壓器的 A 類輸出階段能提供閃爍音訊性能。
考量運算放大器特性類別時，我們發現 D 類功率放大器主導了此利基市場。除了音訊品質，設計考量還包括電源效率、預算，甚至尺寸大小。D 類放大器是為低功率手持式音訊應用而製造。
運算放大器在最佳化電路性能方面肩負眾多功能。一個理想的運算放大器，倘若存在，將具備無限增益、零輸出阻抗，和無限輸入阻抗。它必須具有無限頻率反映，不引入任何雜訊，且必須無失真。沒有任何一種運算放大器能滿足這樣嚴苛的要求。
市面上有各種運算放大器；如果在一般產品中要求更好的性能，需要採用專業級運算放大器。如要滿足應用程式的各種需求，選擇正確的產品很關鍵。
以下應用範例說明 IC 運算放大器如何透過正確使用解決離散分離電路的無數缺點：
- 運算放大器直流誤差特性及其對高精度應用的影響
在諸多精密放大器應用中，輸入偏壓和輸入偏移電流是兩個關鍵特性，這兩者都透過電容式和壓阻式回饋影響輸出。在任何典型運算放大器中的共模抑制比 (CMRR) 因引入輸入偏移電壓降低精度。在分鐘輸入訊號情況（例如訊號在 mV 範圍內）期間高 CMRR 是不可缺的。
電源抑制比 (PSRR) 在啟動任何額外輸入偏移電壓作為對電源供應電壓變化的反應時擔任重要角色。運算放大器的輸入阻抗會形成名副其實的電壓分壓器，放大器由源阻抗驅動並引入增益誤差。設計者為了應對這種情況，必須選擇具有高 CMRR、PSRR，和低速度功率比的運算放大器，另一個必要條件是低輸入偏壓電流和低輸入偏移電壓。
IC 運算放大器 MAX 44260 具有專門 ESD 結構的高阻抗CMOS 輸入階段，能夠在低輸入共模電壓下實現低輸入偏壓電流。這非常適合要求嚴苛的應用，例如 12 至 14 位元 SAR ADC 驅動器中的軌對軌輸入或輸出和降低分貝雜訊為強制要求 。快速開機關機模式可進一步實現節能，在裝置處於非運行狀態時會明顯降低靜態電流。另一款運算放大器 MAX9620 IC 具有零漂移和低功耗以及低輸入偏移電壓，這種裝置採用一種新型自動歸零法，以最小功率保證精度。低雜訊充電幫浦能幫助運算放大器在輸入時實現軌對軌性能。
內部軌道使運算放大器能夠達成真正的軌對軌輸出和輸入、取得線性度，並提供卓越的 CMRR 及 PSRR。另一款運算放大器 MAX4238 透過利用自動關聯歸零法產生精度和超低偏移或漂移。運算放大器的低偏移、1/f 雜訊消除和快速穩定時間的特性，使這類裝置最適合用於 ADC 緩衝器。
- 使用單電源運算放大器實現全波整流器。
在理想情況下，全波整流器需要兩個配備雙電源的運算放大器，因為後者需要擺動雙極輸出電壓（可能為正或負）作為對輸入信號正常範圍的反應。
運算放大器 MAX44267 IC 具有單電源和採用真正零輸出的雙運算放大器，以單電源軌執行全波整流器。由於其中一個放大器中使用整合式 IC 的雙運算放大器可能採集到 -0.5 倍輸入電壓的負電壓，因此需要一個負電源。外部二極體和電容器減少了充電幫浦雜訊和低滲漏訊號。此放大器採用 +4.5V 至 +15V 單電源供電，這種架構能消除對任何負電源供電軌的要求，從而節省系統大小和成本。
- 實踐惠斯頓電橋線性化
由經濟、電阻變數和精確離散分離元件組裝而成的電路執行了大量設計前端任務。使用高精度系統的設計者遵循將 RTD 元件固有非線性以及惠斯頓電橋納入考量的慣例。對位於微控制器側面的前端進行線性化的同時，前端也必須費力進行校準。在某些情況下，0.6% 的線性不可接受。
運算放大器不僅解決電橋的固有非線性，還能監視溫度感測器元件、RTD 的非線性，並使用雙運算放大器電路實現線性電橋輸出。然而，該電路需要提供正負電源給放大器，以製造兩倍擺動幅度，另一個優點是共模抑制性能，因為第二個放大器在 0V 左右時運行最順暢。
Fig 1: The internal structure of an IC MAX 44267
這種情況預設 MAX44267 放大器在單電源下運行，因此可以輸出雙極電壓。不同於其他需要地面淨空的單電源放大器，運算放大器能提供真正零輸出，使其非常適合橋接感測器。如圖 1 所示，IC MAX44267 運算放大器整合了充電幫浦電路、雙運算放大器和偏壓電路。另一個優點是電路板佈局空間和成本降低。
- 一種用於基地台系統的高壓高精度檢流放大器。
依據當前技術，這些放大器可能會偏壓至最大50V 或 60V。在此類應用中，必須使用雙運算放大器來檢測電流。第一個運算放大器降低電壓，第二個運算放大器設定增益。當透過外部電阻提供電流時，如要減小增益誤差就需要使用高壓 P-通道 FET。
使用雙通道高端檢流放大器和高壓 P-通道 FET 的整合 MAX4428 IC 具有將增益誤差降至最低，以及 2.7V 至 76V 的輸入共模電壓，和 80kHz 小訊號頻寬的特性，這是在多通道多工資料擷取系統中連接 SAR ADC 的理想選擇。監控高端電流不會影響正在測量的特定負載接地路徑，這使得運算放大器可用於各種高壓系統。
- ADC 輸入的超壓電路保護。
當驅動放大器供電軌明顯高於 ADC 最大輸入範圍時，ADC 輸入就會受到影響；最常見的是使用肖特基二極體限制放大器的輸出，這種二極體會洩漏電容，漏電流會限制頻寬並導致失真。
Fig 2: The internal functional diagram of IC MAX 4428
保持電容和恆定漏電流的有效方法是將保護二極體上的電壓維持在 0V；這是透過使用經多番測試的差動運算放大器驅動器保護技術來完成，能在正常放大器運行期間在保護二極體上產生 0V 偏壓，發生超壓時，二極體會將錯誤電流傳導到地面。但是，這種離散分離保護技術需要更大的空間，且需要監控並對漏電流採取措施，放大器還必須具有雙電源。
使用放大器單電源軌可以消除超壓問題。運算放大器 MAX 4505 訊號保護裝置 IC 與 MOSFET 開關相結合，可提供超壓偵測電路，IC 運算放大器由具有故障保護輸入和軌對軌訊號管理功能的單個訊號線保護裝置組成，發生故障時，輸入端子將轉換為開路，且電源以 Nano 安培為單位滲漏電流，運算放大器會遮蔽單極性和雙極性類比訊號。
- 如：健康監控和智慧型手錶等穿戴式裝置中的類比電路。
設計這種獨特的裝置面臨諸多挑戰，包括堅持該類裝置必須小到能戴在手腕上、具有有效的電池電量狀態 (SOC) 監控，以及不影響其 SOC 的電池健康度；儀器必須具有低功耗和大容量記憶體，降低的電源雜訊和類比訊號。
如果發生任何事件，這些電路會向微控制器發出低功耗電路必須連續監控系統重要功能的警告，低於要求的輸出電壓代表電池已放電且需要充電，比較器運算放大器可用於監控電池電壓。
不同的可充電電池含有不恆等的化學合成物。這些差異決定電池的熱穩定性、壽命和特定電池的功率。本解決方案要求使用小型元件和 IC；MAX6778 可用於最小型裝置。這有助於精確的電池監控器盡可能延長可攜式設備的使用壽命。精度1％可使電池比平時進一步排光電量，推遲更換時間。
磁滯會消除因輸入電壓雜訊而導致的偶發與電池電壓監控器連結的輸出振動。MAX4257 IC 具有提供軌對軌輸出和電源供電運行的低雜訊，低失真運算放大器；該運算放大器的失真極低，同時輸入電壓雜訊密度和輸入電流雜訊密度也很低。
