741运算放大器的内部结构

741运算放大器的内部结构

了解运算放大器的内部电路，对于使用者在遭遇应用上的极限而导致无法达成系统设计规格时，非常有帮助。而虽然各家厂商推出的运算放大器性能与规格互有差异，但是一般而言标准的运算放大器都包含下列三个部份：

1. 差动输入级

* 以一差分放大器（differential amplifier ）作为输入级，提供高输入阻抗以及低噪声放大的功能。

2. 增益级

* 运算放大器电压增益的主要来源，将输入讯号放大转为单端输出后送往下一级。

3. 输出级

* 输出级的需求包括低输出阻抗、高驱动力、限流以及短路保护等功能。

741运算放大器内部电路

其他在运算放大器内必备的电路还包括提供各级电路参考电流的偏压电路（bias circuits）。

[编辑] 电流镜与偏压电路

右图中，以红色虚线标示的区域为741运算放大器的偏压电路及其电流镜（current mirror）。741运算放大器内部各级所使用的偏压电流（bias current）均来自此区，而这些偏压电流的源头是39K Ω的电阻R1、NPN 晶体管Q11以及PNP 晶体管Q12。正负电源的差值扣掉Q11与Q12的基极-射极电压后，再依照欧姆定律除R1的值，即可得到参考电流源的大小：

I_{ref}=\frac{(V_{S+}-V_{S-}-2V_{be})}{R_{1}}

上式中Vbe 是双载子晶体管（bipolar junction transistor, BJT）的基极-射极电压，对于操作在主动区（active region）的双载子晶体管而言，Vbe 通常在0.7V 左右。

参考电流Iref 经由Q11/Q10/R2组成的韦勒电流源复制后，再由Q8/Q9组成的电流镜决定输入级的偏压电流，从而决定输入级的直流状态（DC condition）。这个偏压电路的重要功能在于提供十分稳定的定电流（constant current）给放大器的输入级，可让输入的共模范围更大，晶体管不会因为输入共模电压的改变而离开应有的工作区间。假设当输入级晶体管Q1/Q2的偏压电流开始下降时，供应电流给Q1/Q2的电流源Q8会侦测到这个改变，进而改变从Q9流向Q10的电流。此时因为Q9与Q10的射极端与Q3/Q4的基极端相连，当Q9的电流下降时，Q3/Q4的基极电流必须增加，以满足由Q10与R2所设定的电流值。又因为Q3/Q4的基极电流增加，迫使Q3/Q4的射极电流也必须增加，亦即将整个输入级的偏压电流拉回原本的大小。这样的机制等同于一个高增益的负回授系统，能够让输入级的直流操作点（DC operating point）更加稳定，进而让输入级的整体效能更好。

Q12/Q13组成的电流镜负责提供增益级电路的偏压电流，让增益级的直流操作点不受其输出电压的干扰而飘移。

[编辑] 差分输入级

深蓝色的虚线所围起来的区域是741运算放大器的输入级，一共有七颗晶体管Q1至Q7。NPN 晶体管Q1与Q2组成的差动对（differential pair）是整个741运算放大器的输入端。此外，Q1/Q2各是一个射极追随器（emitter follower），接至共基（common base）组态的PNP 晶体管Q3/Q4。Q3与Q4的用途是电压位准移位器（level shifter ），将输入级的电压位准调整至适当的位置，用以驱动增益级的NPN 晶体管Q16。Q3/Q4的另外一个功用就是作为抑制输入级偏压电流飘移的控制电路。

Q5至Q7组成的电流镜是输入级差动放大器的主动式负载（active load ）。NPN 晶体管Q7的作用主要在于利用本身的共射增益增加Q5与Q6电流镜复制电流的精准度。同时，这个电流镜构成的主动式负载也以下列的过程将差动输入讯号转为单端输出讯号至下一级：

2009-9-6 21:06 回复

gzhang0426

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2楼

1. 由Q3流出的讯号电流（亦即因输入讯号改变而引起的电流成分，与偏压电流无关）会流入电流镜的输入端，也就是Q5的集极。电流镜的输出端则是Q6的集极，连接至Q4的集极。

2. Q3的讯号电流流进Q5，经由电流镜复制到Q6，因此Q3与Q4的讯号电流在此被相加。

3. 对于差动讯号而言，Q3和Q4的讯号电流大小相等、方向相反。因此相加的结果会等于原本讯号电流的两倍。至此，差动输入转换至单端输出的程序已经完成。

差动输入级送至增益级的电压等于讯号电流与Q4和Q6集极电阻并联的乘积，对于讯号电流而言，Q4和Q6集极电阻的值非常高，因此开回路的增益非常高。

特别值得一提的是，741运算放大器的输入端电流并不等于零，实际上741运算放大器的等效输入电阻约为2M Ω，这个非理想现象导致741运算放大器两个输入端之间的直流电压准位会有些微的差异，这个差异称为输入端偏移电压（input offset）。在Q5和Q6的射极有两个用来消除输入端直流电压偏移的端点（offset null），可以借由外加直流电压将输入端偏移电压消除。

[编辑] 增益级

上图中紫色虚线标示的区域是741运算放大器的增益级。此增益级电路使用一个达灵顿晶体管（Darlington Pair ）Q15与Q19，作为741运算放大器增益的主要来源。Q13与Q16是达灵顿晶体管的主动负载，而电容C1从增益级的输出端连接至输入端，作用是稳定输出讯号。

这种技巧在放大器电路设计中相当常见，称为米勒补偿（Miller Compensation）。米勒补偿会在放大器的讯号路径上置入一个主极点（dominant pole ），降低其他极点对于讯号稳定度的影响。通常741运算放大器主极点的位置只有10Hz ，也就是当741运算放大器在开回路的情况下，对于频率高于10Hz 的交流输入讯号，增益只有原来的一半（在主极点，放大器的增益下降3dB ，即原本增益的一半）。米勒补偿电容能减少高增益放大器的稳定度问题，特别是如果运算放大器有内部的频率补偿机制，能够让使用者更简易地使用。

[编辑] 输出级

741运算放大器的输出级由图中绿色及浅蓝色虚线包围的区域构成。绿色区域包括NPN 晶体管Q16以及两个电阻R7与R8，主要的功能是电压位准移位器，或是Vbe 的倍增器。由于基极端的偏压已经固定，因此Q16集极至射极端的压降恒为一定值。假设Q16的基极电流为零，则其基极至射极间的跨压约为0.625V （亦为 R8的跨压），故R7与R8的电流相等，跨过R7的电压约为0.375V 。因此Q16集极至射极间的跨压约为0.625V+0.375V=1V。这个1V 跨压会对741运算放大器的输出讯号造成轻微的交越失真（crossover distortion ），有时候在某些用分立式元件实现的741运算放大器会改用两个二极管取代Q16的功能。

浅蓝色虚线包围的区域，包括晶体管Q14、Q17，以及Q20，构成741运算放大器的输出级。加上Q16所设定的偏压，这个输出级基本上是一个AB 类（class AB）推挽式（push-pull ）射极追随器（Q14与Q20），推动输出级的晶体管是Q13与Q19。741运算放大器的输出级电压摆幅（output swing）最高约可比正电源低1V ，由晶体管的集极-射极饱和电压（Vce(sat)）所决定。

25Ω电阻R9的功能是限制通过Q14的电流，最大值不超过25mA 。对于Q20而言，限流的功能则借由侦测流过Q19射极电阻R11的电流，再以此控制Q15的基极偏压电流来达成，而后来的741运算放大器对于限流功能有更多改良的设计。虽然741运算放大器的输出阻抗不如理想运算放大器所要求的等于零，不过在连接成负回授组态应用时，其输出阻抗确实非常接近零。

注：虽然早期741运算放大器在音响设备或是仪器上被广泛使用，但是今日已经有很多性能更好的运算放大器取代了741的功能，例如抗噪声的表现更好。对于741与其他早期的运算放大器而言，它们的共模抑制比逊于现代的运算放大器，在实际应用时容易造成干扰或是噪音。