摘要
隨著半導體技術的進步，在相同封裝尺寸下，積體電路（IC）內部整合的功能日益增多。例如，一個14引腳的IC內可能包含四組運算放大器（Operational Amplifier, Op-Amp）。在應用過程中，經常會遇到未使用運算放大器的處理問題，即應將其懸空、接地，還是連接至電源端？本文參考相關文獻，探討未使用引腳的適當處理方式，並分析不當處理可能引發的影響。此外，透過實際案例說明不恰當的連接方式可能帶來的潛在問題。
未使用引腳的產生原因
積體電路中出現未使用引腳的情況主要有三種原因 [1]：
- 封裝規格限制：IC通常採用標準封裝，其提供的引腳數量可能超過實際所需。
- 測試與校正用途：部分引腳在IC製造過程中用於測試或校正，這些引腳在正常使用時通常應依據元件規格書的指引進行處理。
- 功能冗餘：由於現代IC整合度提升，部分功能在某些應用場景下可能無需使用，導致部分引腳閒置。
NC和IC引腳的差異
"NC"（No Connection）表示該引腳未與IC內部任何電路相連；"IC"（Internal Connection）則表示該引腳內部與IC電路相連。若引腳僅在測試或校正階段使用，而在正常操作時不可連接，則應標示為"IC"。然而，目前業界對於何時使用"NC"或"IC"尚無統一標準，因此大多數情況下仍以"NC"標示，如下圖所示之引腳1、6、7和12。
圖 1：VN5E050J-E的引腳定義 來源：ST
未使用的運算放大器的處理方式
在實際應用中，某些多通道運算放大器可能僅使用部分通道，而未使用的放大器則需適當處理。一般而言，未使用的輸入端不應保持懸空，而輸出端則可選擇懸浮或連接至電源軌。不適當的處理方式可能導致功耗增加、雜訊提升等問題。
正確處理未使用運算放大器需滿足以下兩項條件 [2]：
- 輸入端電壓應維持於共模輸入範圍內（Common-Mode Input Voltage）。
- 輸出端電壓應設定於元件的輸出電壓擺幅範圍內（Output Voltage Swing Range），避免位於極端電壓值。
圖 2：正確的處理未使用的運算放大器
如圖 2 所示，運算放大器的輸出端接至反向輸入端（Inverting Input），形成電壓跟隨器（Voltage Follower）。假設供電電壓為VDD = 5V、VSS = 0V，則非反向輸入端（Non-Inverting Input）可設為2.5V，進而使輸出電壓穩定於該值，確保其位於適當的擺幅範圍內。
需要特別注意的是，若運算放大器採用雙電源供應（如±15V），則不可將輸入端直接接地。若負電源（-15V）最後啟動，可能導致該端變為正電位，進而損壞運算放大器。
未使用的運算放大器的不當處理方式
文獻[2]提出了四種不當處理未使用運算放大器的方式，如圖 3 所示，並分析其潛在影響：
- 輸入端懸浮（模式A）：輸入端易受雜訊干擾，導致輸出電壓不穩定，甚至可能隨電源變動而消耗額外工作電流。此外，雜訊可能藉由電源與地線耦合至其他運算放大器，影響整體電路性能。
- 輸入端施加最大電壓（模式B）：若運算放大器內部具有二極體箝位結構，此方式可能造成輸入端過載，使運算放大器發熱甚至損壞。
- 輸出電壓不確定（模式C）：輸出電壓受輸入偏移電壓（Offset Voltage）影響，且電阻誤差可能進一步影響輸出電壓的穩定性。
- 輸出端被強制拉低（模式D）：此方式導致運算放大器消耗過多電流，影響電源效率。
圖 3：四種不當的運算放大器連接方式
實際案例分析
圖 4 展示了一個我曾犯過的錯誤電路設計案例，其中未使用的運算放大器之輸入與輸出端均直接接地。該設計導致部分電路板上的運算放大器溫升高達40°C。進一步分析發現，輸入偏移電壓使得輸出電壓不為零，而由於輸出端短路至地，導致工作電流異常增大，最終造成IC過熱。
圖 4： 運算放大器的輸入和輸出均直接接地
結論
將未使用的運算放大器輸入端直接接地可能會導致額外的電流消耗，進而影響電路性能。因此，最為穩妥且安全的處理方式是將其配置為電壓緩衝器（Voltage Follower），並將輸入端連接至電源軌之間適當的電位。正確處理未使用的運算放大器不僅可以降低功耗，還能有效減少雜訊干擾。特別需要注意的是，如本案例所示，將輸出端直接接地是不可取的，因為這可能導致嚴重的功率損耗與溫升問題。
參考文獻
1. James Bryant, Some Thoughts on the Connection of Unused Pins, Analog Electronics
2. AN1957, Avoiding Noise and Power Problems with Unused Op Amps, Maxim Integrated
